Химически компонент на серпентина от неръждаема стомана 310, Ефект на повърхностните дефекти в закалена в масло стоманена тел върху живота на умора на пружините на клапаните в автомобилните двигатели

Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Плъзгачи, показващи три статии на слайд.Използвайте бутоните за връщане назад и напред, за да се движите през слайдовете, или бутоните за управление на плъзгачите в края, за да се движите през всеки слайд.

Неръждаема стомана 310 спираловидни тръби /спирални тръбиХимичен състави състав

Следващата таблица показва химичния състав на неръждаема стомана клас 310S.

10 * 1 mm 9,25 * 1,24 mm 310 доставчици на капилярни навити тръби от неръждаема стомана

Физически свойства

Физическите свойства на неръждаемата стомана клас 310S са показани в следващата таблица.

Механични свойства

Следващата таблица очертава механичните свойства на неръждаемата стомана клас 310S.

Топлинни свойства

Топлинните свойства на неръждаемата стомана клас 310S са дадени в следващата таблица.

Други обозначения

Други обозначения, еквивалентни на неръждаема стомана клас 310S, са изброени в следващата таблица.

Целта на това изследване е да се оцени издръжливостта на умора на пружина на клапан на автомобилен двигател при нанасяне на микродефекти върху закалена в масло тел от 2300 MPa клас (OT тел) с критична дълбочина на дефекта от 2,5 mm в диаметър.Първо, деформацията на повърхностните дефекти на OT проводника по време на производството на пружината на клапана беше получена чрез анализ на крайните елементи, използвайки субсимулационни методи, и остатъчното напрежение на готовата пружина беше измерено и приложено към модела за анализ на напрежението на пружината.Второ, анализирайте силата на пружината на клапана, проверете за остатъчно напрежение и сравнете нивото на приложеното напрежение с повърхностните несъвършенства.Трето, ефектът на микродефектите върху живота на умора на пружината беше оценен чрез прилагане на напрежението върху повърхностните дефекти, получено от анализа на якостта на пружината, към SN кривите, получени от теста за умора на огъване по време на въртене на проводника OT.Дълбочината на дефекта от 40 µm е текущият стандарт за управление на повърхностни дефекти без компромис с издръжливостта на умора.
Автомобилната индустрия има силно търсене на леки автомобилни компоненти за подобряване на горивната ефективност на превозните средства.По този начин използването на усъвършенствана стомана с висока якост (AHSS) се увеличава през последните години.Пружините на клапаните на автомобилните двигатели се състоят главно от топлоустойчиви, устойчиви на износване и неувисващи закалени в масло стоманени телове (OT телове).
Поради високата си якост на опън (1900–2100 MPa), използваните в момента OT проводници позволяват да се намалят размерите и масата на пружините на клапаните на двигателя, да се подобри горивната ефективност чрез намаляване на триенето с околните части1.Благодарение на тези предимства, използването на валцдрат за високо напрежение бързо се увеличава и една след друга се появява телпрът с ултрависока якост от клас 2300MPa.Клапанните пружини в автомобилните двигатели изискват дълъг експлоатационен живот, тъй като работят при големи циклични натоварвания.За да изпълнят това изискване, производителите обикновено считат, че животът на умора е по-голям от 5,5 × 107 цикъла, когато проектират пружините на клапаните и прилагат остатъчно напрежение върху повърхността на пружината на клапана чрез процеси на ударно уплътняване и термосвиване, за да подобрят живота на умора2.
Има доста проучвания за живота на спиралните пружини в превозни средства при нормални работни условия.Gzal и др.Представени са аналитични, експериментални и крайни елементи (FE) анализи на елипсовидни спирални пружини с малки ъгли на спиралата при статично натоварване.Това изследване предоставя ясен и прост израз за местоположението на максималното напрежение на срязване спрямо аспектното съотношение и индекса на твърдост, а също така предоставя аналитична представа за максималното напрежение на срязване, критичен параметър в практическите проекти3.Пасторчич и др.Описани са резултатите от анализа на разрушаването и умората на винтова пружина, свалена от личен автомобил след повреда в експлоатация.С помощта на експериментални методи беше изследвана счупена пружина и резултатите показват, че това е пример за повреда от корозионна умора4.дупка и т.н. Разработени са няколко модела на живот на пружините с линейна регресия, за да се оцени издръжливостта на умора на спиралните пружини за автомобили.Путра и др.Поради неравностите на пътната настилка се определя експлоатационният живот на спиралната пружина на автомобила.Въпреки това са направени малко изследвания за това как повърхностните дефекти, възникващи по време на производствения процес, влияят на живота на автомобилните винтови пружини.
Повърхностните дефекти, които възникват по време на производствения процес, могат да доведат до локална концентрация на напрежение в пружините на клапаните, което значително намалява техния живот на умора.Повърхностните дефекти на клапанните пружини се причиняват от различни фактори, като повърхностни дефекти на използваните суровини, дефекти в инструментите, грубо боравене по време на студено валцуване7.Повърхностните дефекти на суровината са стръмно V-образни поради горещо валцуване и многоходово изтегляне, докато дефектите, причинени от инструмента за формоване и небрежно боравене, са U-образни с леки наклони8,9,10,11.V-образните дефекти причиняват по-високи концентрации на напрежение от U-образните дефекти, така че към изходния материал обикновено се прилагат строги критерии за управление на дефектите.
Настоящите стандарти за управление на повърхностни дефекти за OT проводници включват ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 и KS D 3580. DIN EN 10270-2 уточнява, че дълбочината на повърхностен дефект върху проводници с диаметър от 0,5– 10 mm е по-малко от 0,5–1% от диаметъра на проводника.Освен това JIS G 3561 и KS D 3580 изискват дълбочината на повърхностните дефекти в валцдрат с диаметър 0,5–8 mm да бъде по-малка от 0,5% от диаметъра на телта.В ASTM A877/A877M-10 производителят и купувачът трябва да се договорят за допустимата дълбочина на повърхностните дефекти.За измерване на дълбочината на дефект върху повърхността на проводник, проводникът обикновено се ецва със солна киселина и след това дълбочината на дефекта се измерва с помощта на микрометър.Този метод обаче може да измерва дефекти само в определени области, а не по цялата повърхност на крайния продукт.Поради това производителите използват тестване с вихрови токове по време на процеса на изтегляне на тел за измерване на повърхностни дефекти в непрекъснато произвеждана тел;тези тестове могат да измерват дълбочината на повърхностните дефекти до 40 µm.Стоманената тел с клас 2300MPa, която е в процес на разработка, има по-висока якост на опън и по-ниско удължение от съществуващата стоманена тел с клас 1900-2200MPa, така че животът на пружината на клапана се счита за много чувствителен към повърхностни дефекти.Следователно е необходимо да се провери безопасността на прилагането на съществуващите стандарти за контрол на дълбочината на повърхностните дефекти за стоманена тел от клас 1900-2200 MPa до стоманена тел от клас 2300 MPa.
Целта на това изследване е да се оцени издръжливостта на умора на пружина на клапан на автомобилен двигател, когато минималната дълбочина на дефекта, измерима чрез изпитване с вихрови токове (т.е. 40 µm), се приложи към 2300 MPa OT тел (диаметър: 2,5 mm): критичен дефект дълбочинаПриносът и методологията на това изследване са както следва.
Като първоначален дефект в OT проводника е използван V-образен дефект, който сериозно влияе върху живота на умора, в напречна посока спрямо оста на проводника.Помислете за съотношението на размерите (α) и дължината (β) на повърхностен дефект, за да видите ефекта от неговата дълбочина (h), ширина (w) и дължина (l).Повърхностните дефекти възникват вътре в пружината, където първо възниква повреда.
За да се предскаже деформацията на първоначалните дефекти в OT тел по време на студено навиване, беше използван субсимулационен подход, който отчита времето за анализ и размера на повърхностните дефекти, тъй като дефектите са много малки в сравнение с OT тел.глобален модел.
Остатъчните напрежения на натиск в пружината след двустепенно дробеструйно уплътняване бяха изчислени по метода на крайните елементи, резултатите бяха сравнени с измерванията след дробестепление за потвърждаване на аналитичния модел.В допълнение, остатъчните напрежения в пружините на клапаните от всички производствени процеси бяха измерени и приложени към анализа на якостта на пружините.
Напреженията в повърхностните дефекти се прогнозират чрез анализиране на якостта на пружината, като се вземе предвид деформацията на дефекта по време на студено валцуване и остатъчното напрежение на натиск в готовата пружина.
Тестът за умора при въртеливо огъване беше проведен с помощта на OT тел, направена от същия материал като пружината на клапана.За да се съпоставят характеристиките на остатъчното напрежение и грапавостта на повърхността на изработените клапанни пружини с OT линиите, SN кривите бяха получени чрез въртящи се изпитвания за умора при огъване след прилагане на двуетапно ударно набиване и усукване като процеси на предварителна обработка.
Резултатите от анализа на якостта на пружината се прилагат към уравнението на Гудман и кривата SN, за да се предскаже животът на пружината на клапана при умора, като също така се оценява ефектът от дълбочината на повърхностния дефект върху живота при умора.
В това изследване е използвана 2300 MPa тел от клас OT с диаметър 2,5 mm за оценка на живота на умора на пружина на клапана на автомобилен двигател.Първо беше проведено изпитване на опън на жицата, за да се получи нейният модел на пластично счупване.
Механичните свойства на OT телта са получени от тестове за опън преди анализ на крайните елементи на процеса на студено навиване и якостта на пружината.Кривата напрежение-деформация на материала беше определена с помощта на резултатите от изпитванията на опън при скорост на деформация от 0,001 s-1, както е показано на фиг.1. Използва се тел SWONB-V и нейната граница на провлачване, якост на опън, модул на еластичност и коефициент на Поасон са съответно 2001.2MPa, 2316MPa, 206GPa и 0.3.Зависимостта на напрежението от деформацията на потока се получава, както следва:
Ориз.2 илюстрира процеса на пластично разрушаване.Материалът претърпява еластопластична деформация по време на деформация и материалът се стеснява, когато напрежението в материала достигне своята якост на опън.Впоследствие създаването, растежът и свързването на празнини в материала водят до разрушаването на материала.
Моделът на пластичното счупване използва модел на критична деформация, модифициран на напрежението, който отчита ефекта на напрежението, а счупването след шийката използва метода за натрупване на щети.Тук започването на повреда се изразява като функция на деформация, триосност на напрежението и скорост на деформация.Триосността на напрежението се определя като средната стойност, получена чрез разделяне на хидростатичното напрежение, причинено от деформацията на материала до образуването на шийката, на ефективното напрежение.При метода за натрупване на щети унищожаването настъпва, когато стойността на щетите достигне 1, а енергията, необходима за достигане на стойността на щетите 1, се определя като енергията на унищожаване (Gf).Енергията на счупване съответства на областта на истинската крива напрежение-преместване на материала от времето на образуване на шия до времето на счупване.
В случай на конвенционални стомани, в зависимост от режима на напрежение, пластично счупване, счупване на срязване или смесен режим на счупване възниква поради пластичност и срязване, както е показано на фигура 3. Деформацията на счупване и триосността на напрежението показват различни стойности за модел на счупване.
Пластмасова повреда възниква в област, съответстваща на триосност на напрежението повече от 1/3 (зона I), а деформацията на счупване и триосността на напрежението могат да бъдат изведени от тестове за опън на образци с повърхностни дефекти и прорези.В зоната, съответстваща на триосността на напрежението от 0 ~ 1/3 (зона II), възниква комбинация от пластично счупване и повреда при срязване (т.е. чрез изпитване на усукване. В зоната, съответстваща на триосността на напрежението от -1/3 до 0 (III), повреда при срязване, причинена от компресия, и деформация на счупване и триосност на напрежението могат да бъдат получени чрез тест за разрушаване.
За OT проводници, използвани в производството на пружини на клапани на двигатели, е необходимо да се вземат предвид счупванията, причинени от различни условия на натоварване по време на производствения процес и условията на приложение.Поради това бяха проведени тестове за опън и усукване, за да се приложи критерият за деформация на разрушаване, беше разгледан ефектът от триосността на напрежението върху всеки режим на напрежение и беше извършен еластопластичен анализ на крайните елементи при големи деформации, за да се определи количествено промяната в триосността на напрежението.Режимът на компресия не беше взет предвид поради ограничението на обработката на пробата, а именно диаметърът на OT проводника е само 2,5 mm.Таблица 1 изброява условията на изпитване за опън и усукване, както и триосност на напрежението и деформация на счупване, получени чрез анализ на крайните елементи.
Деформацията на счупване на конвенционалните триаксиални стомани под напрежение може да се предвиди с помощта на следното уравнение.
където C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) чисто изрязване (η = 0) и C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Едноосно напрежение (η = η0 = 1/3).
Линиите на тренда за всеки режим на напрежение се получават чрез прилагане на стойностите на деформация на счупване C1 и C2 в уравнението.(2);C1 и C2 се получават от тестове за опън и усукване на проби без повърхностни дефекти.Фигура 4 показва триосността на напрежението и деформацията на счупване, получени от тестовете и линиите на тренда, предсказани от уравнението.(2) Линията на тенденцията, получена от теста, и връзката между триосността на напрежението и деформацията на счупване показват подобна тенденция.Деформацията на счупване и триосността на напрежението за всеки режим на напрежение, получени от прилагането на трендови линии, бяха използвани като критерии за пластично счупване.
Енергията на скъсване се използва като свойство на материала за определяне на времето за счупване след образуване на шия и може да бъде получена от тестове за опън.Енергията на счупване зависи от наличието или отсъствието на пукнатини по повърхността на материала, тъй като времето за счупване зависи от концентрацията на локалните напрежения.Фигури 5a-c показват енергиите на счупване на проби без повърхностни дефекти и проби с R0.4 или R0.8 прорези от тестове на опън и анализ на крайни елементи.Енергията на счупване съответства на площта на истинската крива на напрежението и изместването от шийката до времето на счупване.
Енергията на счупване на OT тел с фини повърхностни дефекти беше предвидена чрез извършване на тестове за опън на OT тел с дълбочина на дефекта по-голяма от 40 µm, както е показано на Фиг. 5d.Десет образеца с дефекти бяха използвани при изпитванията на опън и средната енергия на счупване беше оценена на 29,12 mJ/mm2.
Стандартизираният повърхностен дефект се дефинира като съотношението на дълбочината на дефекта към диаметъра на телта на пружината на клапана, независимо от геометрията на повърхностния дефект на телта OT, използвана при производството на пружини на клапани за автомобили.Дефектите на проводниците на OT могат да бъдат класифицирани въз основа на ориентация, геометрия и дължина.Дори при еднаква дълбочина на дефекта, нивото на напрежение, действащо върху повърхностен дефект в пружина, варира в зависимост от геометрията и ориентацията на дефекта, така че геометрията и ориентацията на дефекта могат да повлияят на якостта на умора.Следователно е необходимо да се вземат предвид геометрията и ориентацията на дефектите, които оказват най-голямо влияние върху живота на пружината при умора, за да се приложат строги критерии за управление на повърхностните дефекти.Поради фината зърнеста структура на OT телта, нейният живот на умора е много чувствителен към назъбване.Следователно, дефектът, който проявява най-висока концентрация на напрежение според геометрията и ориентацията на дефекта, трябва да бъде установен като първоначален дефект с помощта на анализ на крайните елементи.На фиг.6 показва свръхвисокоякостните 2300 MPa автомобилни клапанни пружини, използвани в това изследване.
Повърхностните дефекти на OT тел се разделят на вътрешни дефекти и външни дефекти според оста на пружината.Поради огъването по време на студено валцуване напрежението на натиск и напрежението на опън действат съответно от вътрешната и външната страна на пружината.Счупването може да бъде причинено от повърхностни дефекти, които се появяват отвън поради напрежения на опън по време на студено валцуване.
На практика пружината се подлага на периодично компресиране и отпускане.По време на компресията на пружината стоманената тел се усуква и поради концентрацията на напреженията напрежението на срязване вътре в пружината е по-високо от напрежението на срязване в околната среда7.Следователно, ако има повърхностни дефекти вътре в пружината, вероятността пружината да се счупи е най-голяма.По този начин външната страна на пружината (мястото, където се очаква повреда по време на производството на пружината) и вътрешната страна (където напрежението е най-голямо при действителното приложение) са определени като местоположения на повърхностните дефекти.
Геометрията на повърхностния дефект на OT линиите е разделена на U-образна, V-образна, Y-образна и Т-образна форма.Y-тип и T-тип съществуват главно в повърхностните дефекти на суровините, а U-тип и V-тип дефекти възникват поради небрежно боравене с инструменти в процеса на студено валцуване.По отношение на геометрията на повърхностните дефекти в суровините, U-образните дефекти, възникващи от неравномерна пластична деформация по време на горещо валцуване, се деформират във V-образни, Y-образни и Т-образни дефекти на шевовете при многопроходно разтягане8, 10.
В допълнение, V-образни, Y-образни и Т-образни дефекти със стръмни наклони на прореза на повърхността ще бъдат подложени на висока концентрация на напрежение по време на работа на пружината.Пружините на клапаните се огъват по време на студено валцуване и се усукват по време на работа.Концентрациите на напрежение на V-образни и Y-образни дефекти с по-високи концентрации на напрежение бяха сравнени с помощта на анализ на крайни елементи, ABAQUS – търговски софтуер за анализ на крайни елементи.Връзката напрежение-деформация е показана на Фигура 1 и Уравнение 1. (1) Тази симулация използва двуизмерен (2D) правоъгълен елемент с четири възла и минималната дължина на страната на елемента е 0,01 mm.За аналитичния модел V-образни и Y-образни дефекти с дълбочина 0, 5 mm и наклон на дефекта 2 ° бяха приложени към 2D модел на тел с диаметър 2, 5 mm и дължина 7, 5 mm.
На фиг.7а показва концентрацията на напрежение при огъване на върха на всеки дефект, когато момент на огъване от 1500 Nmm се прилага към двата края на всеки проводник.Резултатите от анализа показват, че максималните напрежения от 1038,7 и 1025,8 MPa възникват съответно на върховете на V-образни и Y-образни дефекти.На фиг.7b показва концентрацията на напрежение в горната част на всеки дефект, причинен от усукване.Когато лявата страна е ограничена и към дясната страна е приложен въртящ момент от 1500 N∙mm, същото максимално напрежение от 1099 MPa възниква при върховете на V-образните и Y-образните дефекти.Тези резултати показват, че V-тип дефекти проявяват по-високо напрежение на огъване от Y-тип дефекти, когато имат същата дълбочина и наклон на дефекта, но изпитват същото усукващо напрежение.Следователно, V-образни и Y-образни повърхностни дефекти със същата дълбочина и наклон на дефекта могат да бъдат нормализирани до V-образни с по-високо максимално напрежение, причинено от концентрацията на напрежение.Съотношението на размера на дефектите от V-тип се определя като α = w/h, използвайки дълбочината (h) и ширината (w) на дефектите от V-тип и Т-тип;по този начин вместо дефект от тип Т (α ≈ 0) геометрията може да бъде дефинирана от геометричната структура на дефект от тип V.Следователно, Y-тип и T-тип дефекти могат да бъдат нормализирани от V-тип дефекти.Използвайки дълбочина (h) и дължина (l), съотношението на дължината се определя иначе като β = l/h.
Както е показано на Фигура 811, посоките на повърхностните дефекти на OT проводниците са разделени на надлъжни, напречни и наклонени посоки, както е показано на Фигура 811. Анализ на влиянието на ориентацията на повърхностните дефекти върху силата на пружината от крайния елемент метод.
На фиг.9а показва модела за анализ на напрежението на пружината на клапана на двигателя.Като условие за анализ, пружината беше компресирана от свободна височина от 50,5 mm до твърда височина от 21,8 mm, максимално напрежение от 1086 MPa беше генерирано вътре в пружината, както е показано на Фиг. 9b.Тъй като повредата на действителните пружини на клапаните на двигателя се случва главно в рамките на пружината, се очаква наличието на вътрешни повърхностни дефекти да повлияе сериозно на живота на пружината при умора.Следователно повърхностните дефекти в надлъжна, напречна и наклонена посока се прилагат към вътрешността на пружините на клапаните на двигателя, като се използват техники за подмоделиране.Таблица 2 показва размерите на повърхностните дефекти и максималното напрежение във всяка посока на дефекта при максимално компресиране на пружината.Най-високите напрежения се наблюдават в напречната посока, а съотношението на напреженията в надлъжната и наклонената посока към напречната посока се оценява на 0,934–0,996.Коефициентът на напрежение може да се определи чрез просто разделяне на тази стойност на максималното напречно напрежение.Максималното напрежение в пружината възниква в горната част на всеки повърхностен дефект, както е показано на Фиг. 9s.Стойностите на напрежението, наблюдавани в надлъжна, напречна и наклонена посока, са съответно 2045, 2085 и 2049 MPa.Резултатите от тези анализи показват, че напречните повърхностни дефекти имат най-директен ефект върху живота на умора на пружините на клапаните на двигателя.
V-образен дефект, за който се предполага, че най-пряко засяга живота на пружината на клапана на двигателя, беше избран като първоначален дефект на OT проводника, а напречната посока беше избрана като посока на дефекта.Този дефект възниква не само отвън, където пружината на клапана на двигателя се счупи по време на производството, но и вътре, където възниква най-голямото напрежение поради концентрацията на напрежение по време на работа.Максималната дълбочина на дефекта е настроена на 40 µm, която може да бъде открита чрез вихровотоково откриване на дефекти, а минималната дълбочина е настроена на дълбочина, съответстваща на 0,1% от диаметъра на проводника 2,5 mm.Следователно дълбочината на дефекта е от 2,5 до 40 µm.Дълбочината, дължината и ширината на дефектите със съотношение на дължина 0,1~1 и съотношение на дължина 5~15 бяха използвани като променливи и беше оценен техният ефект върху якостта на умора на пружината.Таблица 3 изброява аналитичните условия, определени с помощта на методологията на повърхността на реакция.
Пружините на клапаните на автомобилните двигатели се произвеждат чрез студено навиване, темпериране, бластиране и топлинна настройка на OT тел.Промените в повърхностните дефекти по време на производството на пружините трябва да се вземат предвид, за да се оцени ефектът от първоначалните повърхностни дефекти в OT проводниците върху живота на умора на пружините на клапаните на двигателя.Ето защо в този раздел се използва анализ на крайни елементи за прогнозиране на деформацията на повърхностните дефекти на проводника на OT по време на производството на всяка пружина.
На фиг.10 показва процеса на студено навиване.По време на този процес, OT телта се подава във водача на телта от подаващата ролка.Водачът на телта подава и поддържа телта, за да предотврати огъване по време на процеса на формоване.Телта, минаваща през водача на телта, се огъва от първия и втория прът, за да образува спирална пружина с желания вътрешен диаметър.Стъпката на пружината се получава чрез преместване на стъпковия инструмент след едно завъртане.
На фиг.11а показва модел с крайни елементи, използван за оценка на промяната в геометрията на повърхностните дефекти по време на студено валцуване.Оформянето на жицата се завършва главно от навиващия щифт.Тъй като оксидният слой на повърхността на телта действа като смазка, ефектът на триене на подаващата ролка е незначителен.Следователно в изчислителния модел захранващата ролка и водачът на телта са опростени като втулка.Коефициентът на триене между OT телта и инструмента за формоване беше зададен на 0,05.Равнината на 2D твърдо тяло и условията за фиксиране се прилагат към левия край на линията, така че да може да се подава в посока X със същата скорост като подаващата ролка (0,6 m/s).На фиг.11b показва метода на субсимулация, използван за прилагане на малки дефекти върху проводниците.За да се вземе предвид размерът на повърхностните дефекти, подмоделът се прилага два пъти за повърхностни дефекти с дълбочина 20 µm или повече и три пъти за повърхностни дефекти с дълбочина по-малка от 20 µm.Повърхностните дефекти се нанасят върху зони, образувани с равни стъпки.В цялостния модел на пружината дължината на правата тел е 100 мм.За първия подмодел приложете подмодел 1 с дължина от 3 mm до надлъжна позиция от 75 mm от глобалния модел.Тази симулация използва триизмерен (3D) шестоъгълен елемент с осем възела.В глобалния модел и подмодел 1 минималната дължина на страната на всеки елемент е съответно 0,5 и 0,2 mm.След анализ на подмодел 1, повърхностните дефекти се прилагат към подмодел 2, а дължината и ширината на подмодел 2 е 3 пъти дължината на повърхностния дефект, за да се елиминира влиянието на граничните условия на подмодела, в Освен това 50% от дължината и ширината се използват като дълбочина на подмодела.В подмодел 2 минималната дължина на страната на всеки елемент е 0,005 mm.Някои повърхностни дефекти бяха приложени към анализа на крайните елементи, както е показано в таблица 3.
На фиг.12 показва разпределението на напрежението в повърхностни пукнатини след студена обработка на намотка.Общият модел и подмодел 1 показват почти еднакви напрежения от 1076 и 1079 MPa на едно и също място, което потвърждава правилността на метода на подмоделиране.Локални концентрации на напрежение възникват в граничните ръбове на подмодела.Очевидно това се дължи на граничните условия на подмодела.Поради концентрацията на напрежение, подмодел 2 с нанесени повърхностни дефекти показва напрежение от 2449 MPa на върха на дефекта по време на студено валцуване.Както е показано в таблица 3, повърхностните дефекти, идентифицирани чрез метода на повърхността на реагиране, бяха приложени към вътрешността на пружината.Резултатите от анализа на крайните елементи показаха, че нито един от 13-те случая на повърхностни дефекти не е неуспешен.
По време на процеса на навиване във всички технологични процеси дълбочината на повърхностните дефекти вътре в пружината се увеличава с 0,1–2,62 µm (фиг. 13а), а ширината намалява с 1,8–35,79 µm (фиг. 13b), докато дължината се увеличава с 0,72 –34,47 µm (фиг. 13c).Тъй като напречният V-образен дефект е затворен по ширина чрез огъване по време на процеса на студено валцуване, той се деформира във V-образен дефект с по-стръмен наклон от оригиналния дефект.
Деформация в дълбочина, ширина и дължина на повърхностни дефекти на проводник OT в производствения процес.
Нанесете повърхностни дефекти върху външната страна на пружината и предвидете вероятността от счупване по време на студено валцуване с помощта на анализ на крайните елементи.При условията, посочени в табл.3, няма вероятност от унищожаване на дефекти във външната повърхност.С други думи, не е настъпило разрушаване при дълбочина на повърхностните дефекти от 2,5 до 40 µm.
За да се предвидят критични повърхностни дефекти, външните фрактури по време на студено валцуване бяха изследвани чрез увеличаване на дълбочината на дефекта от 40 µm на 5 µm.На фиг.14 показва счупвания по повърхностни дефекти.Счупването възниква при условия на дълбочина (55 µm), ширина (2 µm) и дължина (733 µm).Критичната дълбочина на повърхностен дефект извън пружината се оказа 55 μm.
Процесът на ударно уплътняване потиска растежа на пукнатините и увеличава живота на умора чрез създаване на остатъчно напрежение на натиск на определена дълбочина от повърхността на пружината;въпреки това, той предизвиква концентрация на напрежение чрез увеличаване на грапавостта на повърхността на пружината, като по този начин намалява устойчивостта на умора на пружината.Следователно технологията за вторично ударно уплътняване се използва за производство на пружини с висока якост, за да се компенсира намаляването на живота на умора, причинено от увеличаването на грапавостта на повърхността, причинено от дробестерола.Двустепенното дробестепление може да подобри грапавостта на повърхността, максималното остатъчно напрежение при натиск и остатъчното напрежение при натиск на повърхността, тъй като второто дробестезъбно уплътняване се извършва след първото дробно уплътняване12,13,14.
На фиг.15 показва аналитичен модел на процеса на бластиране.Създаден е еластично-пластмасов модел, при който 25 топки са пуснати в целевата локална зона на линията OT за взривяване.В модела за анализ на дробеструйна обработка повърхностните дефекти на OT телта, деформирани по време на студено навиване, бяха използвани като първоначални дефекти.Отстраняване на остатъчните напрежения, произтичащи от процеса на студено валцуване, чрез темпериране преди процеса на бластиране.Използвани са следните свойства на топката: плътност (ρ): 7800 kg/m3, модул на еластичност (E) – 210 GPa, коефициент на Поасон (υ): 0,3.Коефициентът на триене между топката и материала е настроен на 0,1.Изстрели с диаметър 0,6 и 0,3 mm се изхвърлят при еднаква скорост от 30 m/s по време на първия и втория проход на коване.След процеса на бластиране (наред с други производствени процеси, показани на фигура 13), дълбочината, ширината и дължината на повърхностните дефекти в пружината варират от -6,79 до 0,28 µm, -4,24 до 1,22 µm и -2,59 до 1,69 µm, съответно µm.Поради пластичната деформация на снаряда, изхвърлен перпендикулярно на повърхността на материала, дълбочината на дефекта намалява, по-специално ширината на дефекта е значително намалена.Очевидно дефектът е бил затворен поради пластична деформация, причинена от дробестене.
По време на процеса на топлинно свиване ефектите от студеното свиване и отгряването при ниска температура могат да действат едновременно върху пружината на клапана на двигателя.Студената настройка увеличава максимално нивото на напрежение на пружината, като я компресира до най-високото възможно ниво при стайна температура.В този случай, ако пружината на клапана на двигателя е натоварена над границата на провлачване на материала, пружината на клапана на двигателя се деформира пластично, увеличавайки границата на провлачване.След пластична деформация пружината на клапана се огъва, но повишената граница на провлачване осигурява еластичността на пружината на клапана при реална работа.Нискотемпературното отгряване подобрява устойчивостта на топлина и деформация на клапанните пружини, работещи при високи температури2.
Повърхностни дефекти, деформирани по време на бластиране при FE анализ и полето на остатъчното напрежение, измерено с оборудване за рентгенова дифракция (XRD), бяха приложени към подмодел 2 (фиг. 8), за да се направи извод за промяната в дефектите по време на топлинно свиване.Пружината е проектирана да работи в еластичния диапазон и е компресирана от нейната свободна височина от 50,5 mm до нейната твърда височина от 21,8 mm и след това е оставена да се върне към първоначалната си височина от 50,5 mm като условие за анализ.По време на термично свиване геометрията на дефекта се променя незначително.Очевидно остатъчното напрежение на натиск от 800 MPa и повече, създадено от бластиране, потиска деформацията на повърхностните дефекти.След топлинно свиване (фиг. 13), дълбочината, ширината и дължината на повърхностните дефекти варират съответно от -0,13 до 0,08 µm, от -0,75 до 0 µm и от 0,01 до 2,4 µm.
На фиг.16 сравнява деформации на U-образни и V-образни дефекти с еднаква дълбочина (40 µm), ширина (22 µm) и дължина (600 µm).Промяната в ширината на U-образни и V-образни дефекти е по-голяма от промяната в дължината, която е причинена от затваряне в посока на ширина по време на процеса на студено валцуване и бластиране.В сравнение с U-образните дефекти, V-образните дефекти се образуват на относително по-голяма дълбочина и с по-стръмни наклони, което предполага, че може да се предприеме консервативен подход при прилагане на V-образни дефекти.
Този раздел обсъжда деформацията на първоначалния дефект в OT линията за всеки производствен процес на клапанна пружина.Първоначалният дефект на проводника на OT се прилага към вътрешността на пружината на клапана, където се очаква повреда поради високите напрежения по време на работа на пружината.Напречните V-образни повърхностни дефекти на OT проводниците леко се увеличават по дълбочина и дължина и рязко намаляват по ширина поради огъване по време на студено навиване.Затварянето в посока на ширината се случва по време на дробестене с малка или никаква забележима деформация на дефекта по време на окончателното нагряване.В процеса на студено валцуване и ударно уплътняване има голяма деформация в посока на ширината поради пластична деформация.V-образният дефект вътре в пружината на клапана се трансформира в Т-образен дефект поради затваряне на ширината по време на процеса на студено валцуване.