Składnik chemiczny cewki ze stali nierdzewnej 310, wpływ wad powierzchniowych drutu stalowego hartowanego w oleju na trwałość zmęczeniową sprężyn zaworowych w silnikach samochodowych

Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Suwaki pokazujące trzy artykuły na slajd.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby poruszać się po slajdach, lub przycisków kontrolera slajdów na końcu, aby poruszać się po poszczególnych slajdach.

Rury zwijane / rurki zwijane ze stali nierdzewnej 310Skład chemicznyi skład

Poniższa tabela przedstawia skład chemiczny stali nierdzewnej gatunku 310S.

10*1mm 9,25*1,24 mm 310 Dostawcy rurek kapilarnych ze stali nierdzewnej

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne stali nierdzewnej gatunku 310S przedstawiono w poniższej tabeli.

Właściwości mechaniczne

Poniższa tabela przedstawia właściwości mechaniczne stali nierdzewnej gatunku 310S.

Właściwości termiczne

Właściwości termiczne stali nierdzewnej gatunku 310S podano w poniższej tabeli.

Inne oznaczenia

Inne oznaczenia równoważne stali nierdzewnej gatunku 310S są wymienione w poniższej tabeli.

Celem pracy jest ocena trwałości zmęczeniowej sprężyny zaworowej silnika samochodowego w przypadku nałożenia mikrodefektów na drut hartowany w oleju o wytrzymałości 2300 MPa (drut OT) o krytycznej głębokości defektu o średnicy 2,5 mm.W pierwszej kolejności za pomocą analizy elementów skończonych z wykorzystaniem metod subsymulacyjnych uzyskano odkształcenie wad powierzchniowych drutu OT podczas produkcji sprężyny zaworowej, a następnie zmierzono naprężenia własne gotowej sprężyny i zastosowano je w modelu analizy naprężeń sprężyny.Po drugie, przeanalizuj wytrzymałość sprężyny zaworu, sprawdź naprężenia szczątkowe i porównaj poziom przyłożonych naprężeń z niedoskonałościami powierzchni.Po trzecie, wpływ mikrodefektów na trwałość zmęczeniową sprężyny oceniano poprzez zastosowanie naprężeń na defektach powierzchniowych uzyskanych z analizy wytrzymałości sprężyny do krzywych SN uzyskanych z testu zmęczenia zginającego podczas obrotu drutu OT.Głębokość defektów wynosząca 40 µm to aktualny standard zarządzania defektami powierzchni bez pogarszania trwałości zmęczeniowej.
Przemysł motoryzacyjny charakteryzuje się dużym zapotrzebowaniem na lekkie komponenty samochodowe, które poprawiają efektywność paliwową pojazdów.Dlatego w ostatnich latach wzrasta wykorzystanie zaawansowanej stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS).Sprężyny zaworów silników samochodowych składają się głównie z żaroodpornych, odpornych na zużycie i nie zwisających drutów stalowych hartowanych w oleju (druty OT).
Obecnie stosowane druty OT, dzięki dużej wytrzymałości na rozciąganie (1900–2100 MPa), umożliwiają zmniejszenie wymiarów i masy sprężyn zaworowych silnika, poprawę efektywności paliwowej poprzez zmniejszenie tarcia z otaczającymi częściami1.Dzięki tym zaletom szybko wzrasta zastosowanie walcówki wysokiego napięcia, a coraz częściej pojawia się walcówka o ultrawysokiej wytrzymałości klasy 2300 MPa.Sprężyny zaworowe w silnikach samochodowych wymagają długiej żywotności, ponieważ pracują pod dużymi obciążeniami cyklicznymi.Aby spełnić ten wymóg, producenci przy projektowaniu sprężyn zaworowych zazwyczaj uwzględniają trwałość zmęczeniową większą niż 5,5×107 cykli i przykładają naprężenia szczątkowe do powierzchni sprężyn zaworowych poprzez procesy śrutowania i obkurczania cieplnego w celu poprawy trwałości zmęczeniowej2.
Przeprowadzono sporo badań dotyczących trwałości zmęczeniowej sprężyn śrubowych w pojazdach w normalnych warunkach pracy.Gzal i in.Przedstawiono analizy analityczne, doświadczalne i metodą elementów skończonych (FE) eliptycznych sprężyn śrubowych o małych kątach pochylenia linii śrubowej pod obciążeniem statycznym.Badanie to zapewnia wyraźne i proste wyrażenie lokalizacji maksymalnego naprężenia ścinającego w funkcji współczynnika kształtu i wskaźnika sztywności, a także zapewnia analityczny wgląd w maksymalne naprężenie ścinające, parametr krytyczny w praktycznych projektach3.Pastorcic i in.Opisano wyniki analizy zniszczenia i zmęczenia sprężyny śrubowej wymontowanej z samochodu osobowego po awarii eksploatacyjnej.Metodą eksperymentalną zbadano pękniętą sprężynę, a wyniki sugerują, że jest to przykład uszkodzenia zmęczeniowego korozyjnego4.otwór itp. Opracowano kilka modeli trwałości sprężyn regresji liniowej w celu oceny trwałości zmęczeniowej sprężyn śrubowych samochodowych.Putry i innych.Ze względu na nierówność nawierzchni drogi określa się żywotność sprężyny śrubowej samochodu.Jednakże niewiele badań przeprowadzono na temat wpływu defektów powierzchniowych występujących podczas procesu produkcyjnego na żywotność sprężyn śrubowych w samochodach.
Wady powierzchniowe powstałe w procesie produkcyjnym mogą prowadzić do lokalnej koncentracji naprężeń w sprężynach zaworowych, co znacznie zmniejsza ich trwałość zmęczeniową.Wady powierzchni sprężyn zaworowych spowodowane są różnymi czynnikami, takimi jak wady powierzchni użytych surowców, wady narzędzi, nieostrożne obchodzenie się podczas walcowania na zimno7.Wady powierzchni surowca mają kształt stromej litery V w wyniku walcowania na gorąco i wieloprzebiegowego ciągnienia, natomiast wady spowodowane narzędziem formującym i nieostrożnym obchodzeniem się mają kształt litery U z łagodnymi nachyleniami8,9,10,11.Defekty w kształcie litery V powodują wyższą koncentrację naprężeń niż defekty w kształcie litery U, dlatego do materiału wyjściowego zwykle stosuje się rygorystyczne kryteria zarządzania defektami.
Aktualne standardy zarządzania defektami powierzchniowymi drutów OT obejmują ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 i KS D 3580. DIN EN 10270-2 określa, że ​​głębokość defektu powierzchniowego na drutach o średnicach od 0,5– 10 mm to mniej niż 0,5–1% średnicy drutu.Ponadto JIS G 3561 i KS D 3580 wymagają, aby głębokość wad powierzchniowych walcówki o średnicy 0,5–8 mm była mniejsza niż 0,5% średnicy drutu.W normie ASTM A877/A877M-10 producent i nabywca muszą uzgodnić dopuszczalną głębokość wad powierzchniowych.Aby zmierzyć głębokość wady na powierzchni drutu, drut jest zwykle trawiony kwasem solnym, a następnie mierzona jest głębokość wady za pomocą mikrometru.Metodą tą można jednak zmierzyć wady tylko w określonych obszarach, a nie na całej powierzchni produktu końcowego.Dlatego producenci stosują badania prądami wirowymi podczas procesu ciągnienia drutu w celu pomiaru wad powierzchniowych drutu produkowanego w sposób ciągły;testy te mogą mierzyć głębokość defektów powierzchni do 40 µm.Opracowywany drut stalowy gatunku 2300 MPa ma wyższą wytrzymałość na rozciąganie i mniejsze wydłużenie niż istniejący drut stalowy gatunku 1900-2200 MPa, dlatego uważa się, że trwałość zmęczeniowa sprężyny zaworowej jest bardzo wrażliwa na wady powierzchniowe.Dlatego też konieczne jest sprawdzenie bezpieczeństwa stosowania istniejących norm w zakresie kontroli głębokości wad powierzchniowych dla drutu stalowego w gatunku 1900-2200 MPa do drutu stalowego w gatunku 2300 MPa.
Celem tego badania jest ocena trwałości zmęczeniowej sprężyny zaworowej silnika samochodowego, gdy minimalna głębokość uszkodzenia mierzona metodą prądu wirowego (tj. 40 µm) jest przyłożona do drutu OT klasy 2300 MPa (średnica: 2,5 mm): wada krytyczna głębokość .Wkład i metodologia tego badania są następujące.
Jako wadę wyjściową drutu OT przyjęto wadę w kształcie litery V, która poważnie wpływa na trwałość zmęczeniową, w kierunku poprzecznym do osi drutu.Rozważ stosunek wymiarów (α) i długości (β) wady powierzchni, aby zobaczyć wpływ jej głębokości (h), szerokości (w) i długości (l).Wady powierzchniowe powstają wewnątrz sprężyny, gdzie w pierwszej kolejności następuje awaria.
Aby przewidzieć odkształcenie defektów początkowych drutu OT podczas nawijania na zimno, zastosowano podejście subsymulacyjne, w którym uwzględniono czas analizy i wielkość defektów powierzchniowych, ponieważ defekty są bardzo małe w porównaniu z drutem OT.model globalny.
Obliczono szczątkowe naprężenia ściskające w sprężynie po śrutowaniu dwuetapowym metodą elementów skończonych, a wyniki porównano z pomiarami po śrutowaniu w celu potwierdzenia modelu analitycznego.Ponadto zmierzono naprężenia szczątkowe w sprężynach zaworowych ze wszystkich procesów produkcyjnych i zastosowano je do analizy wytrzymałości sprężyn.
Naprężenia w defektach powierzchniowych prognozuje się poprzez analizę wytrzymałości sprężyny, biorąc pod uwagę odkształcenie defektu podczas walcowania na zimno oraz szczątkowe naprężenia ściskające w gotowej sprężynie.
Badanie zmęczenia przy zginaniu obrotowym przeprowadzono przy użyciu drutu OT wykonanego z tego samego materiału co sprężyna zaworu.W celu skorelowania charakterystyki naprężenia szczątkowego i chropowatości powierzchni wytworzonych sprężyn zaworowych z liniami OT, uzyskano krzywe SN poprzez badania zmęczenia przy zginaniu obrotowym po zastosowaniu dwuetapowego śrutowania i skręcania jako procesów obróbki wstępnej.
Wyniki analizy wytrzymałości sprężyny stosuje się do równania Goodmana i krzywej SN w celu przewidywania trwałości zmęczeniowej sprężyny zaworowej, a także ocenia się wpływ głębokości defektów powierzchniowych na trwałość zmęczeniową.
W tym badaniu do oceny trwałości zmęczeniowej sprężyny zaworowej silnika samochodowego wykorzystano drut klasy OT o wytrzymałości 2300 MPa i średnicy 2,5 mm.W pierwszej kolejności przeprowadzono próbę rozciągania drutu w celu uzyskania modelu pękania plastycznego.
Właściwości mechaniczne drutu OT uzyskano na podstawie prób rozciągania przed analizą elementów skończonych procesu nawijania na zimno i wytrzymałości sprężyny.Krzywą naprężenia-odkształcenia materiału wyznaczono na podstawie wyników prób rozciągania przy szybkości odkształcania 0,001 s-1, jak pokazano na rys. 2.1. Stosowany jest drut SWONB-V, którego granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości i współczynnik Poissona wynoszą odpowiednio 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa i 0,3.Zależność naprężenia od odkształcenia przepływu uzyskuje się w następujący sposób:
Ryż.2 ilustruje proces pękania plastycznego.Materiał ulega odkształceniu elastoplastycznemu podczas odkształcania, a materiał zwęża się, gdy naprężenie w materiale osiąga swoją wytrzymałość na rozciąganie.Następnie tworzenie, wzrost i asocjacja pustek w materiale prowadzi do zniszczenia materiału.
Model pęknięcia ciągliwego wykorzystuje model odkształcenia krytycznego modyfikowanego naprężeniem, który uwzględnia wpływ naprężenia, a model pęknięcia po przewężeniu wykorzystuje metodę akumulacji uszkodzeń.Tutaj inicjację uszkodzenia wyraża się jako funkcję odkształcenia, trójosiowości naprężenia i szybkości odkształcania.Trójosiowość naprężenia definiuje się jako średnią wartość uzyskaną poprzez podzielenie naprężenia hydrostatycznego spowodowanego odkształceniem materiału aż do powstania szyjki przez naprężenie efektywne.W metodzie akumulacji uszkodzeń zniszczenie następuje, gdy wartość obrażeń osiągnie 1, a energię potrzebną do osiągnięcia wartości obrażeń 1 definiuje się jako energię zniszczenia (Gf).Energia pękania odpowiada obszarowi rzeczywistej krzywej naprężenia i przemieszczenia materiału od czasu przewężenia do czasu pęknięcia.
W przypadku stali konwencjonalnych, w zależności od postaci naprężenia, następuje pękanie plastyczne, pękanie przy ścinaniu lub pękanie mieszane w wyniku pękania ciągliwego i pękania przy ścinaniu, jak pokazano na rysunku 3. Odkształcenie pękające i trójosiowość naprężenia wykazały różne wartości dla stali wzór złamania.
Zniszczenie plastyczne występuje w obszarze odpowiadającym trójosiowości naprężeń większej niż 1/3 (strefa I), a odkształcenie pękające i trójosiowość naprężeń można wywnioskować z prób rozciągania na próbkach z defektami powierzchniowymi i karbami.W obszarze odpowiadającym trójosiowości naprężeń 0 ~ 1/3 (strefa II) następuje kombinacja pękania plastycznego i zniszczenia przy ścinaniu (tj. poprzez próbę skręcania. W obszarze odpowiadającym trójosiowości naprężeń od -1/3 do 0 (III), uszkodzenie przy ścinaniu spowodowane ściskaniem oraz odkształcenie pękające i trójosiowość naprężeń można uzyskać w teście spęczania.
W przypadku drutów OT stosowanych do produkcji sprężyn zaworów silnika należy uwzględnić pęknięcia powstałe w wyniku różnych warunków obciążenia w procesie produkcyjnym i warunkach stosowania.Dlatego też przeprowadzono próby rozciągania i skręcania w celu zastosowania kryterium odkształcenia niszczącego, rozważono wpływ trójosiowości naprężeń na każdą postać naprężenia oraz przeprowadzono analizę elementów skończonych elastoplastycznych przy dużych odkształceniach w celu ilościowego określenia zmiany trójosiowości naprężeń.Trybu kompresji nie uwzględniono ze względu na ograniczenia w przetwarzaniu próbki, a mianowicie średnica drutu OT wynosi tylko 2,5 mm.W tabeli 1 zestawiono warunki badań rozciągania i skręcania, a także trójosiowości naprężeń i odkształceń pękających, uzyskane za pomocą analizy elementów skończonych.
Odkształcenie pękające konwencjonalnych stali trójosiowych pod wpływem naprężenia można przewidzieć za pomocą następującego równania.
gdzie C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) czyste cięcie (η = 0) i C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Jednoosiowe rozciąganie (η = η0 = 1/3).
Linie trendu dla każdego trybu naprężenia uzyskuje się poprzez zastosowanie w równaniu wartości odkształcenia pękającego C1 i C2.(2);C1 i C2 otrzymuje się z prób rozciągania i skręcania na próbkach bez wad powierzchniowych.Rysunek 4 przedstawia trójosiowość naprężenia i odkształcenie pękające uzyskane z testów oraz linie trendu przewidywane przez równanie.(2) Linia trendu uzyskana z badania oraz zależność pomiędzy trójosiowością naprężeń i odkształceniami przy pękaniu wykazują podobną tendencję.Jako kryteria pękania plastycznego zastosowano odkształcenie przy pękaniu i trójosiowość naprężenia dla każdej postaci naprężenia, uzyskane z zastosowania linii trendu.
Energię rozrywania wykorzystuje się jako właściwość materiału do określenia czasu zerwania po przewężeniu i można ją uzyskać z prób rozciągania.Energia pękania zależy od obecności lub braku pęknięć na powierzchni materiału, ponieważ czas pękania zależy od koncentracji lokalnych naprężeń.Na rysunkach 5a-c przedstawiono energie pękania próbek bez wad powierzchniowych oraz próbek z karbami R0,4 lub R0,8 z prób rozciągania i analizy elementów skończonych.Energia pękania odpowiada obszarowi rzeczywistej krzywej naprężenia i przemieszczenia od przewężenia do czasu złamania.
Energię pękania drutu OT z drobnymi defektami powierzchniowymi przewidywano wykonując próby rozciągania drutu OT z głębokością defektu większą niż 40 µm, jak pokazano na rys. 5d.Do prób rozciągania wykorzystano dziesięć próbek z wadami, a średnią energię pękania oszacowano na 29,12 mJ/mm2.
Standaryzowany defekt powierzchniowy definiuje się jako stosunek głębokości defektu do średnicy drutu sprężyny zaworowej, niezależnie od geometrii defektu powierzchni drutu OT stosowanego w produkcji sprężyn zaworowych w samochodach.Wady drutu OT można klasyfikować na podstawie orientacji, geometrii i długości.Nawet przy tej samej głębokości defektu poziom naprężenia działającego na defekt powierzchniowy sprężyny zmienia się w zależności od geometrii i orientacji defektu, więc geometria i orientacja defektu mogą wpływać na wytrzymałość zmęczeniową.Dlatego konieczne jest uwzględnienie geometrii i orientacji defektów, które mają największy wpływ na trwałość zmęczeniową sprężyny, aby zastosować rygorystyczne kryteria zarządzania defektami powierzchniowymi.Ze względu na drobnoziarnistą strukturę drutu OT jego trwałość zmęczeniowa jest bardzo wrażliwa na karbowanie.Dlatego wada, która wykazuje największą koncentrację naprężeń ze względu na geometrię i orientację wady, powinna zostać uznana za wada początkową za pomocą analizy elementów skończonych.Na ryc.6 przedstawia sprężyny zaworów samochodowych o ultrawysokiej wytrzymałości klasy 2300 MPa zastosowane w tym badaniu.
Wady powierzchniowe drutu OT dzielimy na wady wewnętrzne i wady zewnętrzne według osi sprężyny.Ze względu na zginanie podczas walcowania na zimno, naprężenia ściskające i naprężenia rozciągające działają odpowiednio na wewnętrzną i zewnętrzną stronę sprężyny.Pęknięcie może być spowodowane defektami powierzchni, które pojawiają się od zewnątrz w wyniku naprężeń rozciągających podczas walcowania na zimno.
W praktyce sprężyna poddawana jest okresowemu ściskaniu i relaksowaniu.Podczas ściskania sprężyny drut stalowy skręca się, a na skutek koncentracji naprężeń naprężenia ścinające wewnątrz sprężyny są większe niż otaczające naprężenia ścinające7.Dlatego też, jeśli wewnątrz sprężyny występują wady powierzchniowe, prawdopodobieństwo pęknięcia sprężyny jest największe.Zatem zewnętrzną stronę sprężyny (miejsce, w którym spodziewane jest uszkodzenie podczas produkcji sprężyny) i stronę wewnętrzną (gdzie naprężenia są największe w rzeczywistym zastosowaniu) ustala się jako lokalizacje wad powierzchniowych.
Geometria defektów powierzchni linii OT jest podzielona na kształt U, kształt V, kształt Y i kształt T.Typy Y i T występują głównie w przypadku wad powierzchniowych surowców, natomiast wady typu U i V powstają na skutek nieostrożnego obchodzenia się z narzędziami w procesie walcowania na zimno.Jeśli chodzi o geometrię wad powierzchniowych surowców, defekty w kształcie litery U powstałe w wyniku nierównomiernego odkształcenia plastycznego podczas walcowania na gorąco ulegają deformacji w defekty szwu w kształcie litery V, Y i T w wyniku wieloprzebiegowego rozciągania8, 10.
Dodatkowo defekty w kształcie litery V, Y i T o dużych nachyleniach karbu na powierzchni będą poddane dużej koncentracji naprężeń podczas pracy sprężyny.Sprężyny zaworów wyginają się podczas walcowania na zimno i skręcają podczas pracy.Porównano koncentrację naprężeń w defektach w kształcie litery V i Y z większymi stężeniami naprężeń, stosując analizę elementów skończonych, ABAQUS – komercyjny program do analizy elementów skończonych.Zależność naprężenie-odkształcenie pokazano na rysunku 1 i równaniu 1. (1) W tej symulacji wykorzystano dwuwymiarowy (2D) prostokątny element czterowęzłowy, a minimalna długość boku elementu wynosi 0,01 mm.Dla modelu analitycznego defekty w kształcie litery V i Y o głębokości 0,5 mm i nachyleniu defektu 2° naniesiono na model 2D drutu o średnicy 2,5 mm i długości 7,5 mm.
Na ryc.7a pokazuje koncentrację naprężeń zginających na końcu każdego uszkodzenia, gdy na oba końce każdego drutu przyłożony zostanie moment zginający o wartości 1500 Nmm.Wyniki analizy wskazują, że maksymalne naprężenia wynoszące 1038,7 i 1025,8 MPa występują w wierzchołkach ubytków odpowiednio w kształcie litery V i Y.Na ryc.7b pokazuje koncentrację naprężeń w górnej części każdego defektu spowodowanego skręcaniem.Kiedy lewa strona jest utwierdzona i do prawej strony przyłożony jest moment obrotowy 1500 N∙mm, na końcach defektów w kształcie litery V i Y występuje takie samo maksymalne naprężenie wynoszące 1099 MPa.Wyniki te pokazują, że defekty typu V wykazują większe naprężenia zginające niż defekty typu Y, gdy mają tę samą głębokość i nachylenie defektu, ale podlegają temu samemu naprężeniu skręcającemu.Dlatego defekty powierzchniowe w kształcie litery V i Y o tej samej głębokości i nachyleniu defektu można znormalizować do defektów w kształcie litery V o większym naprężeniu maksymalnym spowodowanym koncentracją naprężeń.Stosunek wielkości defektu typu V definiuje się jako α = w/h przy użyciu głębokości (h) i szerokości (w) defektów typu V i typu T;zatem zamiast tego jest to defekt typu T (α ≈ 0), geometrię można zdefiniować na podstawie struktury geometrycznej defektu typu V.Dlatego defekty typu Y i typu T można znormalizować za pomocą defektów typu V.Wykorzystując głębokość (h) i długość (l), stosunek długości definiuje się inaczej jako β = l/h.
Jak pokazano na rysunku 811, kierunki uszkodzeń powierzchni drutów OT podzielono na kierunek podłużny, poprzeczny i ukośny, jak pokazano na rysunku 811. Analiza wpływu orientacji wad powierzchniowych na wytrzymałość sprężyny przez element skończony metoda.
Na ryc.Na rys. 9a przedstawiono model analizy naprężeń sprężyn zaworów silnika.W warunkach analizy sprężynę ściskano od wysokości swobodnej 50,5 mm do wysokości twardej 21,8 mm, wewnątrz sprężyny wytworzono maksymalne naprężenie 1086 MPa, jak pokazano na rys. 9b.Ponieważ awarie sprężyn zaworowych silnika występują głównie w obrębie sprężyny, oczekuje się, że obecność defektów powierzchni wewnętrznej poważnie wpłynie na trwałość zmęczeniową sprężyny.Dlatego defekty powierzchniowe w kierunku wzdłużnym, poprzecznym i ukośnym są nakładane na wnętrze sprężyn zaworów silnika za pomocą technik podmodelowania.W tabeli 2 przedstawiono wymiary uszkodzeń powierzchni oraz maksymalne naprężenia w każdym kierunku uszkodzenia przy maksymalnym ściskaniu sprężyny.Największe naprężenia zaobserwowano w kierunku poprzecznym, a stosunek naprężeń w kierunku podłużnym i ukośnym do kierunku poprzecznego oszacowano na 0,934–0,996.Współczynnik naprężenia można określić, dzieląc tę ​​wartość przez maksymalne naprężenie poprzeczne.Maksymalne naprężenie sprężyny występuje w górnej części każdego defektu powierzchni, jak pokazano na rys. 9s.Wartości naprężeń obserwowane w kierunku podłużnym, poprzecznym i ukośnym wynoszą odpowiednio 2045, 2085 i 2049 MPa.Wyniki tych analiz pokazują, że wady powierzchni poprzecznych mają najbardziej bezpośredni wpływ na trwałość zmęczeniową sprężyn zaworowych silnika.
Jako wada początkową drutu OT wybrano wada w kształcie litery V, która, jak się przyjmuje, ma najbardziej bezpośredni wpływ na trwałość zmęczeniową sprężyny zaworu silnika, a jako kierunek wady wybrano kierunek poprzeczny.Wada ta występuje nie tylko na zewnątrz, gdzie podczas produkcji pękła sprężyna zaworu silnika, ale także wewnątrz, gdzie powstają największe naprężenia na skutek koncentracji naprężeń podczas pracy.Maksymalna głębokość wady jest ustawiona na 40 µm, co można wykryć za pomocą detekcji wad prądami wirowymi, a głębokość minimalna jest ustawiona na głębokość odpowiadającą 0,1% średnicy drutu 2,5 mm.Dlatego głębokość wady wynosi od 2,5 do 40 µm.Jako zmienne wykorzystano głębokość, długość i szerokość wad przy stosunku długości 0,1 ~ 1 i stosunku długości 5 ~ 15 i oceniono ich wpływ na wytrzymałość zmęczeniową sprężyny.W tabeli 3 zestawiono warunki analityczne określone przy użyciu metodologii powierzchni odpowiedzi.
Sprężyny zaworów silników samochodowych produkowane są poprzez nawijanie na zimno, odpuszczanie, śrutowanie i stabilizację cieplną drutu OT.Aby ocenić wpływ początkowych defektów powierzchni drutów OT na trwałość zmęczeniową sprężyn zaworów silnika, należy wziąć pod uwagę zmiany w defektach powierzchni podczas produkcji sprężyn.Dlatego w tej sekcji wykorzystano analizę elementów skończonych do przewidywania odkształcenia defektów powierzchni drutu OT podczas produkcji każdej sprężyny.
Na ryc.10 przedstawia proces nawijania na zimno.Podczas tego procesu drut OT jest podawany do prowadnicy drutu za pomocą rolki podającej.Prowadnica drutu podaje i podtrzymuje drut, zapobiegając jego zginaniu podczas procesu formowania.Drut przechodzący przez prowadnicę drutu jest zaginany przez pierwszy i drugi pręt, tworząc sprężynę śrubową o żądanej średnicy wewnętrznej.Skok sprężyny uzyskuje się poprzez przesunięcie narzędzia krokowego po jednym obrocie.
Na ryc.Na rys. 11a przedstawiono model elementów skończonych służący do oceny zmiany geometrii wad powierzchniowych podczas walcowania na zimno.Formowanie drutu odbywa się głównie za pomocą sworznia nawojowego.Ponieważ warstwa tlenku na powierzchni drutu pełni funkcję smaru, efekt tarcia rolki podającej jest znikomy.Dlatego w modelu obliczeniowym rolka podająca i prowadnica drutu są uproszczone jako tuleja.Współczynnik tarcia pomiędzy drutem OT a narzędziem formującym ustalono na 0,05.Płaszczyzna korpusu sztywnego 2D i warunki mocowania są stosowane na lewym końcu żyłki, tak aby można było ją podawać w kierunku X z tą samą prędkością co rolka podająca (0,6 m/s).Na ryc.11b przedstawia metodę subsymulacji stosowaną do nakładania małych defektów na przewody.Aby uwzględnić wielkość defektów powierzchniowych, podmodel zastosowano dwukrotnie dla defektów powierzchniowych o głębokości 20 µm i większej oraz trzykrotnie dla defektów powierzchniowych o głębokości mniejszej niż 20 µm.Wady powierzchniowe nakłada się na obszary utworzone w równych krokach.W ogólnym modelu sprężyny długość prostego odcinka drutu wynosi 100 mm.W przypadku pierwszego podmodelu zastosuj podmodel 1 o długości 3 mm w pozycji wzdłużnej 75 mm od modelu globalnego.W tej symulacji wykorzystano trójwymiarowy (3D) sześciokątny element ośmiowęzłowy.W modelu globalnym i podmodelu 1 minimalna długość boku każdego elementu wynosi odpowiednio 0,5 i 0,2 mm.Po analizie podmodelu 1, defekty powierzchniowe są stosowane do podmodelu 2, a długość i szerokość podmodelu 2 jest 3 razy większa od długości defektu powierzchniowego, aby wyeliminować wpływ warunków brzegowych podmodelu, w ponadto 50% długości i szerokości jest wykorzystywane jako głębokość podmodelu.W podmodelu 2 minimalna długość boku każdego elementu wynosi 0,005 mm.Do analizy elementów skończonych zastosowano pewne defekty powierzchniowe, jak pokazano w tabeli 3.
Na ryc.12 przedstawia rozkład naprężeń w pęknięciach powierzchniowych po obróbce plastycznej cewki na zimno.Model ogólny i podmodel 1 wykazują prawie takie same naprężenia 1076 i 1079 MPa w tym samym miejscu, co potwierdza poprawność metody podmodelowania.Lokalne koncentracje naprężeń występują na krawędziach granicznych podmodelu.Najwyraźniej wynika to z warunków brzegowych podmodelu.Podmodel 2, ze względu na koncentrację naprężeń, z zastosowanymi defektami powierzchniowymi, podczas walcowania na zimno wykazuje naprężenie 2449 MPa na końcu defektu.Jak pokazano w tabeli 3, defekty powierzchni zidentyfikowane metodą powierzchni odpowiedzi naniesiono na wnętrze sprężyny.Wyniki analizy metodą elementów skończonych wykazały, że żaden z 13 przypadków wad powierzchniowych nie uległ zniszczeniu.
Podczas nawijania we wszystkich procesach technologicznych głębokość uszkodzeń powierzchniowych wewnątrz sprężyny zwiększała się o 0,1–2,62 µm (rys. 13a), szerokość zmniejszała się o 1,8–35,79 µm (rys. 13b), natomiast długość zwiększała się o 0,72 –34,47 µm (ryc. 13c).Ponieważ poprzeczna wada w kształcie litery V zamyka się na szerokość w wyniku zginania podczas procesu walcowania na zimno, zostaje ona odkształcona w wada w kształcie litery V o bardziej stromym nachyleniu niż wada pierwotna.
Odkształcenia głębokości, szerokości i długości wad powierzchni drutu OT w procesie produkcyjnym.
Zastosuj defekty powierzchniowe na zewnątrz sprężyny i przewiduj prawdopodobieństwo pęknięcia podczas walcowania na zimno, korzystając z analizy elementów skończonych.Zgodnie z warunkami wymienionymi w tabeli.3, nie ma prawdopodobieństwa zniszczenia wad na powierzchni zewnętrznej.Innymi słowy, na głębokości uszkodzeń powierzchni od 2,5 do 40 µm nie wystąpiło żadne zniszczenie.
Aby przewidzieć krytyczne defekty powierzchni, zbadano pęknięcia zewnętrzne podczas walcowania na zimno, zwiększając głębokość defektu z 40 µm do 5 µm.Na ryc.14 przedstawia pęknięcia wzdłuż uszkodzeń powierzchniowych.Pęknięcie następuje w warunkach głębokości (55 µm), szerokości (2 µm) i długości (733 µm).Krytyczna głębokość uszkodzenia powierzchni na zewnątrz sprężyny okazała się wynosić 55 µm.
Proces śrutowania hamuje rozwój pęknięć i zwiększa trwałość zmęczeniową poprzez wytworzenie szczątkowego naprężenia ściskającego na określonej głębokości od powierzchni sprężyny;powoduje jednak koncentrację naprężeń poprzez zwiększenie chropowatości powierzchni sprężyny, zmniejszając w ten sposób wytrzymałość zmęczeniową sprężyny.Dlatego też technologię wtórnego śrutowania stosuje się do produkcji sprężyn o dużej wytrzymałości, aby skompensować zmniejszenie trwałości zmęczeniowej spowodowane wzrostem chropowatości powierzchni spowodowanej śrutowaniem.Dwuetapowe śrutowanie może poprawić chropowatość powierzchni, maksymalne naprężenia ściskające i naprężenia szczątkowe ściskające powierzchni, ponieważ drugie śrutowanie przeprowadza się po pierwszym śrutowaniu12,13,14.
Na ryc.Na rys. 15 przedstawiono model analityczny procesu śrutowania.Stworzono sprężysto-plastyczny model, w którym 25 kul śrutowych wrzucono w docelowy obszar lokalny linii OT w celu oddania strzału.W modelu analizy śrutowania jako wady początkowe wykorzystano wady powierzchniowe drutu OT odkształcone podczas nawijania na zimno.Usuwanie naprężeń szczątkowych powstałych w procesie walcowania na zimno poprzez odpuszczanie przed procesem śrutowania.Wykorzystano następujące właściwości kulki śrutowej: gęstość (ρ): 7800 kg/m3, moduł sprężystości (E) – 210 GPa, współczynnik Poissona (υ): 0,3.Współczynnik tarcia pomiędzy kulką a materiałem jest ustawiony na 0,1.Śruty o średnicy 0,6 i 0,3 mm wyrzucane były z tą samą prędkością 30 m/s podczas pierwszego i drugiego przejścia kucia.Po procesie śrutowania (wśród innych procesów produkcyjnych pokazanych na rysunku 13) głębokość, szerokość i długość uszkodzeń powierzchniowych sprężyny wahała się od -6,79 do 0,28 µm, -4,24 do 1,22 µm i -2,59 do 1,69 odpowiednio µm.W wyniku odkształcenia plastycznego pocisku wyrzucanego prostopadle do powierzchni materiału głębokość ubytku zmniejsza się, w szczególności znacznie zmniejsza się szerokość ubytku.Najwyraźniej wada została zamknięta na skutek odkształcenia plastycznego spowodowanego śrutowaniem.
Podczas procesu obkurczania na sprężynę zaworu silnika mogą jednocześnie oddziaływać skutki skurczu na zimno i wyżarzania w niskiej temperaturze.Ustawienie na zimno maksymalizuje poziom napięcia sprężyny, ściskając ją do najwyższego możliwego poziomu w temperaturze pokojowej.W takim przypadku, jeśli sprężyna zaworu silnika zostanie obciążona powyżej granicy plastyczności materiału, sprężyna zaworu silnika odkształca się plastycznie, zwiększając granicę plastyczności.Po odkształceniu plastycznym sprężyna zaworu ugina się, ale zwiększona granica plastyczności zapewnia elastyczność sprężyny zaworu w rzeczywistej pracy.Wyżarzanie w niskiej temperaturze poprawia odporność na ciepło i odkształcenia sprężyn zaworowych pracujących w wysokich temperaturach2.
Defekty powierzchniowe zdeformowane podczas śrutowania w analizie FE oraz pole naprężeń szczątkowych zmierzone za pomocą urządzenia do dyfrakcji promieni rentgenowskich (XRD) zastosowano do podmodelu 2 (rys. 8), aby wywnioskować zmianę defektów podczas skurczu cieplnego.Sprężyna została zaprojektowana do pracy w zakresie sprężystości i została ściśnięta od jej swobodnej wysokości 50,5 mm do jej stałej wysokości 21,8 mm, a następnie pozostawiona do powrotu do pierwotnej wysokości 50,5 mm jako warunek analizy.Podczas skurczu cieplnego geometria defektu zmienia się nieznacznie.Najwyraźniej szczątkowe naprężenia ściskające o wartości 800 MPa i więcej, powstałe w wyniku śrutowania, tłumią deformację defektów powierzchniowych.Po skurczu cieplnym (rys. 13) głębokość, szerokość i długość uszkodzeń powierzchni wahały się odpowiednio od -0,13 do 0,08 µm, od -0,75 do 0 µm i od 0,01 do 2,4 µm.
Na ryc.16 porównuje odkształcenia defektów w kształcie litery U i V o tej samej głębokości (40 µm), szerokości (22 µm) i długości (600 µm).Zmiana szerokości ubytków w kształcie litery U i V jest większa niż zmiana długości, co spowodowane jest zamykaniem się w kierunku szerokości podczas procesu walcowania na zimno i śrutowania.W porównaniu z defektami w kształcie litery U, defekty w kształcie litery V powstają na stosunkowo większej głębokości i przy bardziej stromych zboczach, co sugeruje, że przy stosowaniu defektów w kształcie litery V można zastosować konserwatywne podejście.
W tej sekcji omówiono odkształcenie początkowego defektu w linii OT dla każdego procesu produkcji sprężyny zaworowej.Początkowe uszkodzenie drutu OT występuje po wewnętrznej stronie sprężyny zaworu, gdzie spodziewane jest uszkodzenie z powodu dużych naprężeń podczas pracy sprężyny.Poprzeczne wady powierzchniowe drutów OT w kształcie litery V nieznacznie zwiększyły głębokość i długość oraz gwałtownie zmniejszyły szerokość w wyniku zginania podczas nawijania na zimno.Zamykanie w kierunku szerokości następuje podczas śrutowania z niewielkimi lub żadnymi zauważalnymi deformacjami defektów podczas końcowego utwardzania cieplnego.W procesie walcowania na zimno i śrutowania powstają duże odkształcenia w kierunku szerokości na skutek odkształceń plastycznych.Wada w kształcie litery V wewnątrz sprężyny zaworu przekształca się w wada w kształcie litery T w wyniku zatarcia szerokości podczas procesu walcowania na zimno.