310 Chemická zložka špirálovej rúrky z nehrdzavejúcej ocele, Vplyv povrchových defektov v olejom tvrdenom oceľovom drôte na únavovú životnosť ventilových pružín v automobilových motoroch

Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Posúvače zobrazujúce tri články na snímke.Na posúvanie medzi snímkami použite tlačidlá späť a ďalej, na posúvanie sa po jednotlivých snímkach použite tlačidlá ovládača posúvania na konci.

Vinuté rúry z nehrdzavejúcej ocele 310 / špirálové rúryChemické zloženiea zloženie

Nasledujúca tabuľka ukazuje chemické zloženie nehrdzavejúcej ocele triedy 310S.

10 * 1 mm 9,25 * 1,24 mm 310 Dodávatelia vinutých kapilár z nehrdzavejúcej ocele

Fyzikálne vlastnosti

Fyzikálne vlastnosti nehrdzavejúcej ocele triedy 310S sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Mechanické vlastnosti

Nasledujúca tabuľka uvádza mechanické vlastnosti nehrdzavejúcej ocele triedy 310S.

Tepelné vlastnosti

Tepelné vlastnosti nehrdzavejúcej ocele triedy 310S sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Iné označenia

Ostatné označenia ekvivalentné nerezovej oceli triedy 310S sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Účelom tejto štúdie je vyhodnotiť únavovú životnosť ventilovej pružiny automobilového motora pri aplikácii mikrodefektov na olejom kalený drôt triedy 2300 MPa (OT drôt) s kritickou hĺbkou defektu v priemere 2,5 mm.Po prvé, deformácia povrchových defektov OT drôtu počas výroby ventilovej pružiny bola získaná analýzou konečných prvkov pomocou subsimulačných metód a bolo zmerané zvyškové napätie hotovej pružiny a aplikované na model analýzy napätia pružiny.Po druhé, analyzujte silu ventilovej pružiny, skontrolujte zvyškové napätie a porovnajte úroveň aplikovaného napätia s nedokonalosťami povrchu.Po tretie, vplyv mikrodefektov na únavovú životnosť pružiny sa hodnotil aplikovaním napätia na povrchové defekty získané z analýzy pevnosti pružiny na krivky SN získané z testu únavy v ohybe počas otáčania drôtu OT.Hĺbka defektu 40 µm je súčasným štandardom na zvládnutie povrchových defektov bez zníženia únavovej životnosti.
Automobilový priemysel má silný dopyt po ľahkých automobilových komponentoch na zlepšenie palivovej účinnosti vozidiel.V posledných rokoch sa teda zvyšuje používanie pokročilej ocele s vysokou pevnosťou (AHSS).Pružiny ventilov automobilových motorov pozostávajú hlavne z oceľových drôtov odolných voči teplu, opotrebeniu a neklesajúcich v oleji kalených (OT drôty).
Vďaka svojej vysokej pevnosti v ťahu (1900–2100 MPa) umožňujú v súčasnosti používané OT drôty zmenšiť veľkosť a hmotnosť pružín ventilov motora, zlepšiť palivovú účinnosť znížením trenia s okolitými časťami1.Vďaka týmto výhodám sa rýchlo zvyšuje použitie vysokonapäťového valcovaného drôtu a jeden po druhom sa objavuje ultravysokopevný drôt triedy 2300 MPa.Ventilové pružiny v automobilových motoroch vyžadujú dlhú životnosť, pretože pracujú pri vysokom cyklickom zaťažení.Na splnenie tejto požiadavky výrobcovia pri navrhovaní ventilových pružín zvyčajne berú do úvahy únavovú životnosť vyššiu ako 5,5 × 107 cyklov a aplikujú zvyškové napätie na povrch ventilovej pružiny prostredníctvom procesov brúsenia a tepelného zmršťovania, aby sa zlepšila únavová životnosť2.
Existuje pomerne veľa štúdií o únavovej životnosti špirálových pružín vo vozidlách za normálnych prevádzkových podmienok.Gzal a kol.Prezentované sú analytické, experimentálne a metódy konečných prvkov (FE) eliptických špirálových pružín s malými uhlami skrutkovice pri statickom zaťažení.Táto štúdia poskytuje explicitné a jednoduché vyjadrenie pre umiestnenie maximálneho šmykového napätia oproti pomeru strán a indexu tuhosti a tiež poskytuje analytický pohľad na maximálne šmykové napätie, kritický parameter v praktických návrhoch3.Pastorcic a kol.Popísané sú výsledky analýzy deštrukcie a únavy špirálovej pružiny odobranej zo súkromného auta po poruche v prevádzke.Pomocou experimentálnych metód bola preskúmaná zlomená pružina a výsledky naznačujú, že ide o príklad zlyhania koróznej únavy4.Na vyhodnotenie únavovej životnosti špirálových pružín v automobiloch bolo vyvinutých niekoľko modelov životnosti lineárnej regresnej pružiny.Putra a ďalší.Z dôvodu nerovností povrchu vozovky sa určuje životnosť špirálovej pružiny automobilu.Uskutočnilo sa však málo výskumu o tom, ako povrchové chyby, ktoré sa vyskytujú počas výrobného procesu, ovplyvňujú životnosť vinutých pružín v automobiloch.
Povrchové chyby, ktoré sa vyskytujú počas výrobného procesu, môžu viesť k lokálnej koncentrácii napätia vo ventilových pružinách, čo výrazne znižuje ich únavovú životnosť.Povrchové chyby ventilových pružín sú spôsobené rôznymi faktormi, ako sú povrchové chyby použitých surovín, chyby nástrojov, hrubé zaobchádzanie pri valcovaní za studena7.Povrchové chyby suroviny sú v dôsledku valcovania za tepla a viacprechodového ťahania strmého tvaru V, zatiaľ čo chyby spôsobené tvarovacím nástrojom a neopatrnou manipuláciou sú v tvare U s miernymi sklonmi8,9,10,11.Defekty v tvare V spôsobujú vyššie koncentrácie napätia ako defekty v tvare U, preto sa na východiskový materiál zvyčajne uplatňujú prísne kritériá správy defektov.
Súčasné štandardy manažmentu povrchových defektov pre OT drôty zahŕňajú ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 a KS D 3580. DIN EN 10270-2 špecifikuje, že hĺbka povrchového defektu na drôtoch s priemerom 0,5– 10 mm je menej ako 0,5–1 % priemeru drôtu.Okrem toho JIS G 3561 a KS D 3580 vyžadujú, aby hĺbka povrchových defektov vo valcovanom drôte s priemerom 0,5–8 mm bola menšia ako 0,5 % priemeru drôtu.V ASTM A877/A877M-10 sa výrobca a kupujúci musia dohodnúť na prípustnej hĺbke povrchových chýb.Na meranie hĺbky defektu na povrchu drôtu sa drôt zvyčajne leptá kyselinou chlorovodíkovou a potom sa hĺbka defektu meria pomocou mikrometra.Táto metóda však dokáže merať chyby len v určitých oblastiach a nie na celom povrchu konečného produktu.Preto výrobcovia používajú testovanie vírivými prúdmi počas procesu ťahania drôtu na meranie povrchových defektov v kontinuálne vyrábanom drôte;tieto testy môžu merať hĺbku povrchových defektov až do 40 µm.Oceľový drôt triedy 2300MPa vo vývoji má vyššiu pevnosť v ťahu a nižšie predĺženie ako existujúci oceľový drôt triedy 1900-2200MPa, takže životnosť únavovej pružiny ventilu sa považuje za veľmi citlivú na povrchové chyby.Preto je potrebné skontrolovať bezpečnosť uplatňovania existujúcich noriem na kontrolu hĺbky povrchových defektov pre oceľový drôt triedy 1900-2200 MPa až oceľový drôt triedy 2300 MPa.
Účelom tejto štúdie je vyhodnotiť únavovú životnosť pružiny ventilu automobilového motora, keď sa minimálna hĺbka trhliny merateľná testovaním vírivými prúdmi (tj 40 µm) aplikuje na drôt OT triedy 2300 MPa (priemer: 2,5 mm): kritická chyba hĺbka .Prínos a metodológia tejto štúdie sú nasledovné.
Ako počiatočný defekt OT drôtu bol použitý defekt v tvare V, ktorý vážne ovplyvňuje únavovú životnosť, v priečnom smere voči osi drôtu.Zvážte pomer rozmerov (α) a dĺžky (β) defektu povrchu, aby ste videli vplyv jeho hĺbky (h), šírky (w) a dĺžky (l).Povrchové chyby sa vyskytujú vo vnútri pružiny, kde najskôr dôjde k poruche.
Na predpovedanie deformácie počiatočných defektov v OT drôte počas studeného navíjania bol použitý prístup subsimulácie, ktorý zohľadnil čas analýzy a veľkosť povrchových defektov, keďže defekty sú v porovnaní s OT drôtom veľmi malé.globálny model.
Zvyškové tlakové napätia v pružine po dvojfázovom otryskávaní boli vypočítané metódou konečných prvkov, výsledky boli porovnané s meraniami po hrubovaní, aby sa potvrdil analytický model.Okrem toho boli merané zvyškové napätia vo ventilových pružinách zo všetkých výrobných procesov a aplikované na analýzu pevnosti pružiny.
Napätia v povrchových defektoch sa predpovedajú analýzou pevnosti pružiny, pričom sa berie do úvahy deformácia defektu počas valcovania za studena a zvyškové tlakové napätie v hotovej pružine.
Skúška únavy pri otáčaní v ohybe bola vykonaná s použitím OT drôtu vyrobeného z rovnakého materiálu ako ventilová pružina.Aby bolo možné korelovať charakteristiky zvyškového napätia a drsnosti povrchu vyrobených ventilových pružín s čiarami OT, krivky SN sa získali pomocou rotačných únavových testov v ohybe po aplikácii dvojstupňového brúsenia a krútenia ako procesov predúpravy.
Výsledky analýzy pevnosti pružiny sa aplikujú na Goodmanovu rovnicu a krivku SN na predpovedanie únavovej životnosti pružiny ventilu a hodnotí sa aj vplyv hĺbky povrchových defektov na únavovú životnosť.
V tejto štúdii sa na vyhodnotenie únavovej životnosti ventilovej pružiny automobilového motora použil drôt 2300 MPa kvality OT s priemerom 2,5 mm.Najprv sa uskutočnila skúška ťahom drôtu, aby sa získal jeho model tvárneho lomu.
Mechanické vlastnosti OT drôtu boli získané z ťahových skúšok pred analýzou konečných prvkov procesu studeného vinutia a pevnosti pružiny.Krivka napätie-deformácia materiálu bola stanovená pomocou výsledkov ťahových skúšok pri rýchlosti deformácie 0,001 s-1, ako je znázornené na obr.1. Používa sa drôt SWONB-V a jeho medza klzu, pevnosť v ťahu, modul pružnosti a Poissonov koeficient sú 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa a 0,3 v tomto poradí.Závislosť napätia od prúdenia sa získa takto:
Ryža.2 znázorňuje proces tvárneho lomu.Materiál podlieha elastoplastickej deformácii počas deformácie a materiál sa zužuje, keď napätie v materiáli dosiahne svoju pevnosť v ťahu.Následne tvorba, rast a združovanie dutín v materiáli vedie k deštrukcii materiálu.
Model tvárneho lomu používa model kritickej deformácie modifikovaný napätím, ktorý zohľadňuje účinok napätia, a lom po hrdle využíva metódu akumulácie poškodenia.Tu je iniciácia poškodenia vyjadrená ako funkcia napätia, triaxiálneho napätia a rýchlosti deformácie.Triaxiálnosť napätia je definovaná ako priemerná hodnota získaná vydelením hydrostatického napätia spôsobeného deformáciou materiálu až po vytvorenie hrdla efektívnym napätím.Pri metóde akumulácie poškodenia dôjde k zničeniu, keď hodnota poškodenia dosiahne 1 a energia potrebná na dosiahnutie hodnoty poškodenia 1 je definovaná ako energia zničenia (Gf).Energia lomu zodpovedá oblasti krivky skutočného napätia a premiestnenia materiálu od zužovania po čas lomu.
V prípade konvenčných ocelí dochádza v závislosti od režimu napätia k tvárnemu lomu, šmykovému lomu alebo zmiešanému lomu v dôsledku ťažnosti a šmykového lomu, ako je znázornené na obrázku 3. Lomová deformácia a triaxiálnosť napätia vykazovali rôzne hodnoty pre vzor zlomeniny.
K plastickému porušeniu dochádza v oblasti zodpovedajúcej trojososti napätia viac ako 1/3 (zóna I) a lomovú deformáciu a trojosovosť napätia možno odvodiť z ťahových skúšok na vzorkách s povrchovými defektmi a vrubmi.V oblasti zodpovedajúcej napätiu triaxiálnosti 0 ~ 1/3 (zóna II) dochádza ku kombinácii tvárneho lomu a šmykového porušenia (t. j. torznou skúškou. V oblasti zodpovedajúcej napätiu triaxiálnosti od -1/3 do 0 (III), porušenie v šmyku spôsobené stlačením a lomová deformácia a triaxiálnosť napätia možno získať skúškou utláčaním.
Pri OT drôtoch používaných pri výrobe pružín ventilov motora je potrebné vziať do úvahy lomy spôsobené rôznymi podmienkami zaťaženia počas výrobného procesu a podmienok aplikácie.Preto sa vykonali ťahové a torzné skúšky, aby sa aplikovalo kritérium deformácie pri porušení, zvážil sa vplyv trojososti napätia na každý režim napätia a vykonala sa elastoplastická analýza konečných prvkov pri veľkých deformáciách, aby sa kvantifikovala zmena trojososti napätia.S kompresným režimom sa nepočítalo kvôli obmedzeniu spracovania vzoriek, konkrétne priemer OT drôtu je len 2,5 mm.Tabuľka 1 uvádza skúšobné podmienky pre ťah a krútenie, ako aj pre trojosové napätie a lomovú deformáciu, získané pomocou analýzy konečných prvkov.
Lomové napätie konvenčných triaxiálnych ocelí pri namáhaní možno predpovedať pomocou nasledujúcej rovnice.
kde C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) čistý rez (η = 0) a C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Jednoosové napätie (η = η0 = 1/3).
Trendové čiary pre každý režim napätia sa získajú použitím hodnôt lomového napätia C1 a C2 v rovnici.(2);C1 a C2 sa získajú zo skúšok ťahom a krútením na vzorkách bez povrchových defektov.Obrázok 4 ukazuje napäťovú triaxiálnosť a lomovú deformáciu získanú z testov a trendové čiary predpovedané rovnicou.(2) Trendová čiara získaná z testu a vzťah medzi napäťovou triaxiálnosťou a lomovou deformáciou vykazujú podobný trend.Ako kritériá pre tvárne lomy boli použité lomové napätie a triaxiálnosť napätia pre každý mód napätia, získané z aplikácie trendových čiar.
Energia pri pretrhnutí sa používa ako materiálová vlastnosť na určenie času pretrhnutia po zužovaní a možno ju získať z ťahových skúšok.Lomová energia závisí od prítomnosti alebo neprítomnosti trhlín na povrchu materiálu, pretože čas do lomu závisí od koncentrácie lokálnych napätí.Obrázky 5a-c znázorňujú lomové energie vzoriek bez povrchových defektov a vzoriek so zárezmi R0,4 alebo R0,8 z ťahových skúšok a analýzy konečných prvkov.Energia lomu zodpovedá oblasti skutočnej krivky medzi napätím a posunutím od zužovania po čas lomu.
Lomová energia OT drôtu s jemnými povrchovými defektmi bola predpovedaná vykonaním ťahových skúšok na OT drôte s hĺbkou defektu väčšou ako 40 µm, ako je znázornené na obr. 5d.V ťahových skúškach bolo použitých desať vzoriek s defektmi a priemerná lomová energia bola odhadnutá na 29,12 mJ/mm2.
Štandardizovaná povrchová chyba je definovaná ako pomer hĺbky defektu k priemeru drôtu ventilovej pružiny, bez ohľadu na geometriu povrchového defektu drôtu OT používaného pri výrobe automobilových ventilových pružín.Chyby OT drôtu možno klasifikovať na základe orientácie, geometrie a dĺžky.Aj pri rovnakej hĺbke defektu sa úroveň napätia pôsobiaceho na povrchový defekt v pružine mení v závislosti od geometrie a orientácie defektu, takže geometria a orientácia defektu môže ovplyvniť únavovú pevnosť.Preto je potrebné brať do úvahy geometriu a orientáciu defektov, ktoré majú najväčší vplyv na únavovú životnosť pružiny, aby bolo možné aplikovať prísne kritériá na zvládnutie povrchových defektov.Vďaka jemnozrnnej štruktúre OT drôtu je jeho únavová životnosť veľmi citlivá na vrúbkovanie.Preto by mal byť defekt, ktorý vykazuje najvyššiu koncentráciu napätia podľa geometrie a orientácie defektu, stanovený ako počiatočný defekt pomocou analýzy konečných prvkov.Na obr.6 ukazuje automobilové ventilové pružiny triedy 2300 MPa s ultra vysokou pevnosťou použité v tejto štúdii.
Povrchové chyby OT drôtu sa delia na vnútorné chyby a vonkajšie chyby podľa osi pružiny.V dôsledku ohybu pri valcovaní za studena pôsobí na vnútornú a vonkajšiu stranu pružiny tlakové napätie a ťahové napätie.Lom môže byť spôsobený povrchovými defektmi, ktoré sa objavujú zvonku v dôsledku ťahových napätí pri valcovaní za studena.
V praxi je pružina vystavená periodickej kompresii a relaxácii.Počas stláčania pružiny sa oceľový drôt krúti a v dôsledku koncentrácie napätí je šmykové napätie vo vnútri pružiny vyššie ako okolité šmykové napätie7.Preto, ak sú vo vnútri pružiny povrchové chyby, pravdepodobnosť prasknutia pružiny je najväčšia.Teda vonkajšia strana pružiny (miesto, kde sa očakáva porucha pri výrobe pružiny) a vnútorná strana (kde je napätie pri skutočnej aplikácii najväčšie) sú nastavené ako miesta povrchových chýb.
Geometria povrchových defektov OT čiar je rozdelená na U-tvar, V-tvar, Y-tvar a T-tvar.Typy Y a T sa vyskytujú hlavne v povrchových defektoch surovín a defekty typu U a V sa vyskytujú v dôsledku neopatrnej manipulácie s nástrojmi v procese valcovania za studena.Čo sa týka geometrie povrchových defektov v surovinách, defekty v tvare U vznikajúce nerovnomernou plastickou deformáciou počas valcovania za tepla sa pri viacprechodovom preťahovaní deformujú na defekty švov v tvare V, Y a T8, 10.
Okrem toho defekty v tvare V, Y a T so strmými sklonmi vrubu na povrchu budú počas činnosti pružiny vystavené vysokej koncentrácii napätia.Ventilové pružiny sa ohýbajú počas valcovania za studena a krútia sa počas prevádzky.Koncentrácie napätí defektov tvaru V a Y s vyššími koncentráciami napätia boli porovnané pomocou metódy konečných prvkov, ABAQUS – komerčného softvéru na analýzu konečných prvkov.Vzťah medzi napätím a deformáciou je znázornený na obrázku 1 a v rovnici 1. (1) Táto simulácia používa dvojrozmerný (2D) obdĺžnikový štvoruzlový prvok a minimálna dĺžka strany prvku je 0,01 mm.Pre analytický model boli aplikované defekty v tvare V a Y s hĺbkou 0,5 mm a sklonom defektu 2° na 2D model drôtu s priemerom 2,5 mm a dĺžkou 7,5 mm.
Na obr.7a znázorňuje koncentráciu ohybového napätia na špičke každého defektu, keď na oba konce každého drôtu pôsobí ohybový moment 1500 Nmm.Výsledky analýzy ukazujú, že maximálne napätia 1038,7 a 1025,8 MPa sa vyskytujú na vrcholoch defektov tvaru V a Y.Na obr.7b znázorňuje koncentráciu napätia v hornej časti každého defektu spôsobeného krútením.Keď je ľavá strana obmedzená a krútiaci moment 1500 N∙mm je aplikovaný na pravú stranu, rovnaké maximálne napätie 1099 MPa nastane na špičkách defektov v tvare V a Y.Tieto výsledky ukazujú, že defekty typu V vykazujú vyššie ohybové napätie ako defekty typu Y, keď majú rovnakú hĺbku a sklon defektu, ale zažívajú rovnaké torzné napätie.Preto povrchové defekty v tvare V a Y s rovnakou hĺbkou a sklonom defektu možno normalizovať na defekty v tvare V s vyšším maximálnym napätím spôsobeným koncentráciou napätia.Pomer veľkosti defektov typu V je definovaný ako a = w/h pomocou hĺbky (h) a šírky (w) defektov typu V a T;teda defekt typu T (α ≈ 0), namiesto toho môže byť geometria definovaná geometrickou štruktúrou defektu typu V.Preto defekty typu Y a T môžu byť normalizované defektmi typu V.Pomocou hĺbky (h) a dĺžky (l) je pomer dĺžky inak definovaný ako β = l/h.
Ako je znázornené na obrázku 811, smery povrchových chýb OT drôtov sú rozdelené na pozdĺžny, priečny a šikmý smer, ako je znázornené na obrázku 811. Analýza vplyvu orientácie povrchových chýb na pevnosť pružiny konečným prvkom metóda.
Na obr.9a znázorňuje model analýzy napätia pružiny ventilu motora.Ako podmienka analýzy bola pružina stlačená z voľnej výšky 50,5 mm na tvrdú výšku 21,8 mm, pričom vo vnútri pružiny vzniklo maximálne napätie 1086 MPa, ako je znázornené na obr. 9b.Pretože k zlyhaniu skutočných pružín ventilov motora dochádza hlavne v pružine, očakáva sa, že prítomnosť defektov vnútorného povrchu vážne ovplyvní únavovú životnosť pružiny.Preto sa povrchové chyby v pozdĺžnom, priečnom a šikmom smere aplikujú na vnútornú stranu pružín ventilov motora pomocou techník podmodelovania.Tabuľka 2 ukazuje rozmery povrchových defektov a maximálne napätie v každom smere defektu pri maximálnom stlačení pružiny.Najvyššie napätia boli pozorované v priečnom smere a pomer napätí v pozdĺžnom a šikmom smere k priečnemu smeru bol odhadnutý na 0,934–0,996.Pomer napätia možno určiť jednoduchým vydelením tejto hodnoty maximálnym priečnym napätím.Maximálne napätie v pružine sa vyskytuje v hornej časti každého povrchového defektu, ako je znázornené na obr. 9s.Hodnoty napätia pozorované v pozdĺžnom, priečnom a šikmom smere sú 2045, 2085 a 2049 MPa.Výsledky týchto analýz ukazujú, že priečne povrchové chyby majú najpriamejší vplyv na únavovú životnosť pružín ventilov motora.
Ako počiatočný defekt OT drôtu bol zvolený defekt v tvare V, o ktorom sa predpokladá, že najpriamejšie ovplyvňuje únavovú životnosť pružiny ventilu motora a ako smer defektu bol zvolený priečny smer.Táto chyba sa vyskytuje nielen vonku, kde pri výrobe praskla pružina ventilu motora, ale aj vo vnútri, kde dochádza k najväčšiemu namáhaniu v dôsledku koncentrácie napätia počas prevádzky.Maximálna hĺbka defektu je nastavená na 40 µm, čo môže byť detekované detekciou defektu vírivým prúdom, a minimálna hĺbka je nastavená na hĺbku zodpovedajúcu 0,1 % priemeru drôtu 2,5 mm.Preto je hĺbka defektu od 2,5 do 40 µm.Ako premenné boli použité hĺbka, dĺžka a šírka kazov s pomerom dĺžok 0,1~1 a dĺžkovým pomerom 5~15 a vyhodnotil sa ich vplyv na únavovú pevnosť pružiny.Tabuľka 3 uvádza analytické podmienky stanovené pomocou metodológie povrchu odozvy.
Pružiny ventilov automobilových motorov sa vyrábajú studeným vinutím, temperovaním, tryskaním a tepelným nastavením drôtu OT.Zmeny povrchových defektov počas výroby pružín sa musia brať do úvahy, aby sa vyhodnotil vplyv počiatočných povrchových defektov v OT drôtoch na únavovú životnosť pružín ventilov motora.Preto sa v tejto časti používa analýza konečných prvkov na predpovedanie deformácie povrchových defektov OT drôtu počas výroby každej pružiny.
Na obr.10 znázorňuje proces navíjania za studena.Počas tohto procesu sa OT drôt podáva do vedenia drôtu podávacím valčekom.Vodidlo drôtu podáva a podporuje drôt, aby sa zabránilo ohýbaniu počas procesu tvarovania.Drôt prechádzajúci cez vedenie drôtu je ohýbaný prvou a druhou tyčou, aby sa vytvorila špirálová pružina s požadovaným vnútorným priemerom.Stúpanie pružiny sa vytvára pohybom krokovacieho nástroja po jednej otáčke.
Na obr.11a ukazuje model konečných prvkov použitý na vyhodnotenie zmeny geometrie povrchových defektov počas valcovania za studena.Tvarovanie drôtu je ukončené hlavne navíjacím kolíkom.Pretože vrstva oxidu na povrchu drôtu pôsobí ako mazivo, je trecí účinok podávacieho valca zanedbateľný.Preto sú vo výpočtovom modeli podávací valec a vedenie drôtu zjednodušené ako puzdro.Koeficient trenia medzi OT drôtom a tvárniacim nástrojom bol nastavený na 0,05.2D rovina tuhého tela a podmienky upevnenia sa aplikujú na ľavý koniec vlasca, takže ho možno podávať v smere X rovnakou rýchlosťou ako podávací valec (0,6 m/s).Na obr.11b znázorňuje metódu subsimulácie použitú na aplikáciu malých defektov na drôty.Aby sa zohľadnila veľkosť povrchových defektov, podmodel sa aplikuje dvakrát pre povrchové defekty s hĺbkou 20 µm alebo viac a trikrát pre povrchové defekty s hĺbkou menšou ako 20 µm.Povrchové chyby sa aplikujú na oblasti vytvorené rovnakými krokmi.V celkovom modeli pružiny je dĺžka rovného kusu drôtu 100 mm.Pre prvý podmodel aplikujte podmodel 1 s dĺžkou 3 mm do pozdĺžnej polohy 75 mm od globálneho modelu.Táto simulácia využívala trojrozmerný (3D) šesťuholníkový osemuzlový prvok.V globálnom modeli a podmodeli 1 je minimálna dĺžka strany každého prvku 0,5 mm a 0,2 mm.Po analýze podmodelu 1 sa povrchové defekty aplikujú na podmodel 2 a dĺžka a šírka podmodelu 2 je 3-násobkom dĺžky povrchového defektu, aby sa eliminoval vplyv okrajových podmienok podmodelu. Okrem toho sa 50 % dĺžky a šírky používa ako hĺbka podmodelu.V podmodeli 2 je minimálna dĺžka strany každého prvku 0,005 mm.Určité povrchové defekty boli aplikované na analýzu konečných prvkov, ako je uvedené v tabuľke 3.
Na obr.12 znázorňuje rozloženie napätia v povrchových trhlinách po opracovaní zvitku za studena.Všeobecný model a podmodel 1 vykazujú na rovnakom mieste takmer rovnaké napätia 1076 a 1079 MPa, čo potvrdzuje správnosť metódy podmodelovania.Lokálne koncentrácie napätia sa vyskytujú na hraničných hranách podmodelu.Zrejme je to spôsobené okrajovými podmienkami podmodelu.V dôsledku koncentrácie napätia vykazuje podmodel 2 s aplikovanými povrchovými defektmi napätie 2449 MPa na hrote defektu počas valcovania za studena.Ako je uvedené v tabuľke 3, povrchové defekty identifikované metódou povrchu odozvy boli aplikované na vnútornú stranu pružiny.Výsledky analýzy metódou konečných prvkov ukázali, že žiadny z 13 prípadov povrchových defektov nezlyhal.
Počas procesu navíjania vo všetkých technologických procesoch sa hĺbka povrchových defektov vo vnútri pružiny zväčšila o 0,1–2,62 µm (obr. 13a), šírka sa zmenšila o 1,8–35,79 µm (obr. 13b), pričom dĺžka vzrástla o 0,72 –34,47 µm (obr. 13c).Keďže priečny defekt v tvare V je pri procese valcovania za studena uzavretý na šírku ohybom, deformuje sa na defekt v tvare V so strmším sklonom ako pôvodný defekt.
Deformácia v hĺbke, šírke a dĺžke povrchových defektov OT drôtu vo výrobnom procese.
Naneste povrchové defekty na vonkajšiu stranu pružiny a predpovedajte pravdepodobnosť zlomenia počas valcovania za studena pomocou analýzy konečných prvkov.Za podmienok uvedených v tabuľke.3, neexistuje žiadna pravdepodobnosť zničenia defektov na vonkajšom povrchu.Inými slovami, pri hĺbke povrchových defektov od 2,5 do 40 um nenastala žiadna deštrukcia.
Na predpovedanie kritických povrchových defektov sa skúmali vonkajšie lomy počas valcovania za studena zvýšením hĺbky defektu zo 40 µm na 5 µm.Na obr.14 znázorňuje zlomy pozdĺž povrchových defektov.Zlomenina nastáva v podmienkach hĺbky (55 µm), šírky (2 µm) a dĺžky (733 µm).Kritická hĺbka povrchového defektu mimo pružiny sa ukázala byť 55 μm.
Proces brokovania potláča rast trhlín a zvyšuje únavovú životnosť vytvorením zvyškového tlakového napätia v určitej hĺbke od povrchu pružiny;vyvoláva však koncentráciu napätia zvýšením drsnosti povrchu pružiny, čím sa znižuje odolnosť pružiny proti únave.Preto sa na výrobu pružín s vysokou pevnosťou používa technológia sekundárneho brúsenia, aby sa kompenzovalo zníženie únavovej životnosti spôsobené zvýšením drsnosti povrchu spôsobeného brúsením.Dvojstupňové spevňovanie môže zlepšiť drsnosť povrchu, maximálne kompresné zvyškové napätie a povrchové kompresné zvyškové napätie, pretože druhé otryskávanie sa vykonáva po prvom spevňovaní brokovnicou12,13,14.
Na obr.15 je znázornený analytický model procesu tryskania.Bol vytvorený elasticko-plastový model, v ktorom bolo 25 brokových gúľ vhodených do cieľovej oblasti OT linky na otryskávanie.V modeli analýzy tryskaním boli ako počiatočné defekty použité povrchové defekty OT drôtu deformovaného počas studeného navíjania.Odstránenie zvyškových napätí vznikajúcich pri procese valcovania za studena temperovaním pred procesom tryskania.Boli použité tieto vlastnosti brokovej gule: hustota (ρ): 7800 kg/m3, modul pružnosti (E) – 210 GPa, Poissonov koeficient (υ): 0,3.Koeficient trenia medzi guľôčkou a materiálom je nastavený na 0,1.Výstrely s priemerom 0,6 a 0,3 mm boli počas prvého a druhého kovania vyhadzované rovnakou rýchlosťou 30 m/s.Po procese tryskania (okrem iných výrobných procesov znázornených na obrázku 13) sa hĺbka, šírka a dĺžka povrchových defektov v pružine pohybovala od -6,79 do 0,28 µm, -4,24 až 1,22 µm a -2,59 až 1,69 um, respektíve um.V dôsledku plastickej deformácie strely vymrštenej kolmo na povrch materiálu sa hĺbka defektu zmenšuje, najmä sa výrazne zmenšuje šírka defektu.Defekt bol zrejme uzavretý v dôsledku plastickej deformácie spôsobenej brokovaním.
Počas procesu tepelného zmršťovania môžu na pružinu ventilu motora súčasne pôsobiť účinky zmršťovania za studena a žíhania pri nízkej teplote.Studené nastavenie maximalizuje úroveň napätia pružiny jej stlačením na najvyššiu možnú úroveň pri izbovej teplote.V tomto prípade, ak je pružina ventilu motora zaťažená nad medzu klzu materiálu, pružina ventilu motora sa plasticky deformuje a zvyšuje medzu klzu.Po plastickej deformácii sa ventilová pružina ohne, ale zvýšená medza klzu poskytuje elasticitu ventilovej pružiny v skutočnej prevádzke.Nízkoteplotné žíhanie zlepšuje tepelnú a deformačnú odolnosť ventilových pružín pracujúcich pri vysokých teplotách2.
Na podmodel 2 (obr. 8) boli aplikované povrchové defekty deformované počas tryskania v FE analýze a pole zvyškového napätia merané röntgenovým difrakčným (XRD) zariadením, aby sa odvodila zmena defektov počas tepelného zmršťovania.Pružina bola navrhnutá tak, aby pracovala v elastickom rozsahu a bola stlačená zo svojej voľnej výšky 50,5 mm na svoju pevnú výšku 21,8 mm a potom sa nechala vrátiť do svojej pôvodnej výšky 50,5 mm ako podmienka analýzy.Počas tepelného zmršťovania sa geometria defektu mení nepatrne.Zrejme zvyškové tlakové napätie 800 MPa a vyššie, vytvorené otryskávaním, potláča deformáciu povrchových defektov.Po tepelnom zmrštení (obr. 13) sa hĺbka, šírka a dĺžka povrchových defektov pohybovala od -0,13 do 0,08 um, od -0,75 do 0 um a od 0,01 do 2,4 um.
Na obr.16 porovnáva deformácie defektov v tvare U a V rovnakej hĺbky (40 µm), šírky (22 µm) a dĺžky (600 µm).Zmena šírky defektov tvaru U a V je väčšia ako zmena dĺžky, ktorá je spôsobená uzatváraním v smere šírky počas procesu valcovania za studena a tryskania.V porovnaní s defektmi v tvare U sa defekty v tvare V vytvorili v relatívne väčšej hĺbke a so strmšími svahmi, čo naznačuje, že pri aplikácii defektov v tvare V je možné zvoliť konzervatívny prístup.
Táto časť pojednáva o deformácii počiatočného defektu v rade OT pre každý výrobný proces ventilovej pružiny.Počiatočná chyba OT drôtu je aplikovaná na vnútornú stranu ventilovej pružiny, kde sa očakáva porucha v dôsledku vysokého napätia počas prevádzky pružiny.Priečne povrchové chyby v tvare písmena V OT drôtov sa mierne zväčšili do hĺbky a dĺžky a prudko sa zmenšili na šírku v dôsledku ohýbania pri studenom navíjaní.Uzavretie v smere šírky nastáva počas brokovania s malou alebo žiadnou viditeľnou deformáciou defektu počas konečného tepelného tuhnutia.V procese valcovania za studena a brokovania dochádza k veľkej deformácii v smere šírky v dôsledku plastickej deformácie.Defekt v tvare V vo vnútri ventilovej pružiny sa premení na defekt v tvare T v dôsledku šírkového uzáveru počas procesu valcovania za studena.