Component químic del tub de bobina d'acer inoxidable 310, efecte dels defectes superficials del filferro d'acer endurit amb oli sobre la vida de fatiga dels ressorts de vàlvules en motors d'automoció

Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Controls lliscants que mostren tres articles per diapositiva.Utilitzeu els botons enrere i següent per moure's per les diapositives, o els botons del controlador de diapositives al final per moure's per cada diapositiva.

Tubs enrotllats d'acer inoxidable 310 / tubs enrotllatsComposició químicai composició

La taula següent mostra la composició química de l'acer inoxidable de grau 310S.

10 * 1 mm 9,25 * 1,24 mm Proveïdors de tubs enrotllats capil·lars d'acer inoxidable 310

Propietats físiques

Les propietats físiques de l'acer inoxidable de grau 310S es mostren a la taula següent.

Propietats mecàniques

La taula següent descriu les propietats mecàniques de l'acer inoxidable de grau 310S.

Propietats tèrmiques

Les propietats tèrmiques de l'acer inoxidable de grau 310S es mostren a la taula següent.

Altres Denominacions

Altres designacions equivalents a l'acer inoxidable de grau 310S es mostren a la taula següent.

L'objectiu d'aquest estudi és avaluar la vida a fatiga d'una molla de vàlvula d'un motor d'automòbil quan s'apliquen microdefectes a un filferro endurit amb oli de grau 2300 MPa (filferro OT) amb una profunditat de defecte crític de 2,5 mm de diàmetre.En primer lloc, es va obtenir la deformació dels defectes superficials del fil OT durant la fabricació de la molla de la vàlvula mitjançant anàlisi d'elements finits mitjançant mètodes de subsimulació, i es va mesurar la tensió residual de la molla acabada i es va aplicar al model d'anàlisi de tensió de molla.En segon lloc, analitzeu la força del moll de la vàlvula, comproveu la tensió residual i compareu el nivell de tensió aplicada amb les imperfeccions de la superfície.En tercer lloc, es va avaluar l'efecte dels microdefectes sobre la vida a fatiga de la molla aplicant l'esforç sobre defectes superficials obtinguts de l'anàlisi de la resistència de la molla a les corbes SN obtingudes a partir de la prova de fatiga per flexió durant la rotació del fil OT.Una profunditat de defecte de 40 µm és l'estàndard actual per gestionar els defectes superficials sense comprometre la vida a la fatiga.
La indústria de l'automòbil té una forta demanda de components lleugers per a l'automòbil per millorar l'eficiència del combustible dels vehicles.Així, l'ús d'acers avançats d'alta resistència (AHSS) ha anat augmentant en els últims anys.Els molls de vàlvules del motor d'automòbil consisteixen principalment en filferros d'acer endurit a l'oli (filferros OT) resistents a la calor, resistents al desgast i que no es caiguin.
A causa de la seva alta resistència a la tracció (1900–2100 MPa), els cables OT utilitzats actualment permeten reduir la mida i la massa dels molls de la vàlvula del motor, millorar l'eficiència del combustible reduint la fricció amb les parts circumdants1.A causa d'aquests avantatges, l'ús de filferro d'alta tensió augmenta ràpidament i el filferro d'alta resistència de classe 2300MPa apareix un darrere l'altre.Els ressorts de vàlvules dels motors d'automòbil requereixen una llarga vida útil perquè funcionen sota càrregues cícliques elevades.Per complir amb aquest requisit, els fabricants solen considerar una vida de fatiga superior a 5,5 × 107 cicles a l'hora de dissenyar molles de vàlvula i apliquen una tensió residual a la superfície de la molla de la vàlvula a través de processos de granallament i retractil tèrmic per millorar la vida a la fatiga2.
Hi ha hagut molts estudis sobre la vida a fatiga de les molles helicoïdals en vehicles en condicions normals de funcionament.Gzal et al.Es presenten anàlisis analítiques, experimentals i d'elements finits (FE) de molles helicoïdals el·líptiques amb angles d'hèlix petits sota càrrega estàtica.Aquest estudi proporciona una expressió explícita i senzilla de la ubicació de l'esforç de cisalla màxima versus la relació d'aspecte i l'índex de rigidesa, i també proporciona una visió analítica de l'esforç de cisalla màxima, un paràmetre crític en dissenys pràctics3.Pastorcic et al.Es descriuen els resultats de l'anàlisi de la destrucció i la fatiga d'una molla helicoïdal retirada d'un cotxe privat després d'una fallada en funcionament.Mitjançant mètodes experimentals, es va examinar una molla trencada i els resultats suggereixen que aquest és un exemple de fallada per fatiga per corrosió4.forat, etc. S'han desenvolupat diversos models de regressió lineal de vida útil de molles per avaluar la vida a fatiga de molles helicoïdals d'automòbil.Putra i altres.A causa del desnivell de la superfície de la carretera, es determina la vida útil de la molla helicoïdal del cotxe.No obstant això, s'ha fet poca investigació sobre com els defectes superficials que es produeixen durant el procés de fabricació afecten la vida de les molles helicoïdals d'automòbils.
Els defectes superficials que es produeixen durant el procés de fabricació poden provocar una concentració local d'estrès en els ressorts de vàlvula, la qual cosa redueix significativament la seva vida a fatiga.Els defectes superficials dels ressorts de la vàlvula són causats per diversos factors, com ara defectes superficials de les matèries primeres utilitzades, defectes en les eines, manipulació brusca durant el laminatge en fred7.Els defectes superficials de la matèria primera tenen una forma de V pronunciada a causa de la laminació en calent i el dibuix de múltiples passades, mentre que els defectes causats per l'eina de conformació i la manipulació descuidada tenen forma d'U amb pendents suaus8,9,10,11.Els defectes en forma de V causen concentracions d'estrès més altes que els defectes en forma d'U, de manera que normalment s'apliquen criteris estrictes de gestió de defectes al material de partida.
Els estàndards actuals de gestió de defectes superficials per als cables OT inclouen ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 i KS D 3580. DIN EN 10270-2 especifica que la profunditat d'un defecte superficial en diàmetres de filferro de 0,5– 10 mm és menys del 0,5-1% del diàmetre del cable.A més, les normes JIS G 3561 i KS D 3580 requereixen que la profunditat dels defectes superficials del filferro amb un diàmetre de 0,5 a 8 mm sigui inferior al 0,5% del diàmetre del filferro.A ASTM A877/A877M-10, el fabricant i el comprador han d'acordar la profunditat permesa dels defectes superficials.Per mesurar la profunditat d'un defecte a la superfície d'un cable, el cable se sol gravar amb àcid clorhídric i, a continuació, es mesura la profunditat del defecte amb un micròmetre.Tanmateix, aquest mètode només pot mesurar defectes en determinades zones i no a tota la superfície del producte final.Per tant, els fabricants utilitzen proves de corrents de Foucault durant el procés de trefilatge per mesurar els defectes superficials del filferro produït contínuament;aquestes proves poden mesurar la profunditat dels defectes superficials fins a 40 µm.El filferro d'acer de grau 2300MPa en desenvolupament té una resistència a la tracció més alta i un allargament menor que el filferro d'acer de grau 1900-2200MPa existent, de manera que es considera que la vida útil de la molla de la vàlvula és molt sensible als defectes superficials.Per tant, cal comprovar la seguretat de l'aplicació dels estàndards existents per controlar la profunditat dels defectes superficials per a filferro d'acer de grau 1900-2200 MPa a fil d'acer de grau 2300 MPa.
L'objectiu d'aquest estudi és avaluar la vida a fatiga d'un moll de vàlvula d'un motor d'automòbil quan s'aplica la profunditat mínima de defecte mesurable per proves de corrent de Foucault (és a dir, 40 µm) a un cable OT de grau 2300 MPa (diàmetre: 2,5 mm): defecte crític profunditat.L'aportació i la metodologia d'aquest estudi són les següents.
Com a defecte inicial del cable OT, es va utilitzar un defecte en forma de V, que afecta greument la vida a la fatiga, en la direcció transversal respecte a l'eix del cable.Considereu la relació entre les dimensions (α) i la longitud (β) d'un defecte superficial per veure l'efecte de la seva profunditat (h), amplada (w) i longitud (l).Els defectes superficials es produeixen a l'interior de la molla, on la fallada es produeix primer.
Per predir la deformació dels defectes inicials del cable OT durant l'enrotllament en fred, es va utilitzar un enfocament de subsimulació, que va tenir en compte el temps d'anàlisi i la mida dels defectes superficials, ja que els defectes són molt petits en comparació amb el cable OT.model global.
Les tensions de compressió residuals a la primavera després del granallat en dues etapes es van calcular pel mètode d'elements finits, els resultats es van comparar amb les mesures després del granallat per confirmar el model analític.A més, es van mesurar les tensions residuals a les molles de la vàlvula de tots els processos de fabricació i es van aplicar a l'anàlisi de la força de la molla.
Les tensions en els defectes superficials es prediuen mitjançant l'anàlisi de la força de la molla, tenint en compte la deformació del defecte durant la laminació en fred i l'esforç de compressió residual a la molla acabada.
La prova de fatiga per flexió rotacional es va dur a terme mitjançant un cable OT fet del mateix material que el moll de la vàlvula.Per tal de correlacionar l'estrès residual i les característiques de rugositat superficial de les molles de vàlvula fabricades amb les línies OT, es van obtenir corbes SN mitjançant proves de fatiga de flexió rotativa després d'aplicar el granallat i la torsió en dues etapes com a processos de pretractament.
Els resultats de l'anàlisi de la força de la molla s'apliquen a l'equació de Goodman i a la corba SN per predir la vida de fatiga de la molla de la vàlvula, i també s'avalua l'efecte de la profunditat del defecte superficial sobre la vida a la fatiga.
En aquest estudi, es va utilitzar un cable de grau OT de 2300 MPa amb un diàmetre de 2,5 mm per avaluar la vida a fatiga d'una molla de vàlvula de motor d'automòbil.En primer lloc, es va realitzar una prova de tracció del cable per obtenir el seu model de fractura dúctil.
Les propietats mecàniques del fil OT es van obtenir a partir de proves de tracció prèvies a l'anàlisi d'elements finits del procés d'enrotllament en fred i la força de la molla.La corba tensió-deformació del material es va determinar mitjançant els resultats de proves de tracció a una velocitat de tensió de 0,001 s-1, tal com es mostra a la fig.1. S'utilitza filferro SWONB-V, i el seu límit elàstic, resistència a la tracció, mòdul elàstic i relació de Poisson són 2001,2MPa, 2316MPa, 206GPa i 0,3 respectivament.La dependència de l'estrès sobre la deformació del flux s'obté de la següent manera:
Arròs.La figura 2 il·lustra el procés de fractura dúctil.El material pateix una deformació elastoplàstica durant la deformació i el material s'estreny quan la tensió del material arriba a la seva resistència a la tracció.Posteriorment, la creació, creixement i associació de buits dins del material condueixen a la destrucció del material.
El model de fractura dúctil utilitza un model de deformació crítica modificada per l'estrès que té en compte l'efecte de la tensió, i la fractura posterior al coll utilitza el mètode d'acumulació de danys.Aquí, l'inici del dany s'expressa en funció de la tensió, la triaxialitat de l'estrès i la taxa de tensió.La triaxialitat de tensió es defineix com el valor mitjà obtingut dividint la tensió hidrostàtica provocada per la deformació del material fins a la formació del coll per la tensió efectiva.En el mètode d'acumulació de danys, la destrucció es produeix quan el valor del dany arriba a 1, i l'energia necessària per assolir el valor de dany d'1 es defineix com l'energia de destrucció (Gf).L'energia de fractura correspon a la regió de la veritable corba de tensió-desplaçament del material des del coll fins al temps de fractura.
En el cas dels acers convencionals, depenent del mode de tensió, es produeix una fractura dúctil, fractura per cisalla o fractura en mode mixt a causa de la ductilitat i la fractura per cisalla, tal com es mostra a la figura 3. La deformació de fractura i la triaxialitat de l'esforç van mostrar valors diferents per a la patró de fractura.
La fallada plàstica es produeix en una regió corresponent a una triaxialitat de tensió superior a 1/3 (zona I), i la deformació de fractura i la triaxialitat de tensió es poden deduir a partir d'assajos de tracció en mostres amb defectes superficials i osques.A l'àrea corresponent a la triaxialitat de tensió de 0 ~ 1/3 (zona II), es produeix una combinació de fractura dúctil i fallada per cisalla (és a dir, mitjançant un assaig de torsió. A l'àrea corresponent a la triaxialitat de tensió de -1/3 a 0). (III), la fallada de cisalla causada per la compressió i la deformació de fractura i la triaxialitat de l'esforç es poden obtenir mitjançant una prova de revolt.
Per als cables OT utilitzats en la fabricació de molles de vàlvules de motor, cal tenir en compte les fractures causades per diverses condicions de càrrega durant el procés de fabricació i les condicions d'aplicació.Per tant, es van realitzar proves de tracció i torsió per aplicar el criteri de deformació de fallada, es va considerar l'efecte de la triaxialitat de tensió en cada mode de tensió i es va realitzar una anàlisi d'elements finits elastoplàstics a grans deformacions per quantificar el canvi en la triaxialitat de l'esforç.El mode de compressió no es va considerar a causa de la limitació del processament de la mostra, és a dir, el diàmetre del cable OT és de només 2,5 mm.A la taula 1 s'enumeren les condicions d'assaig per a la tracció i la torsió, així com la triaxialitat d'esforços i la deformació de fractura, obtingudes mitjançant l'anàlisi d'elements finits.
La deformació de fractura dels acers triaxials convencionals sota esforç es pot predir mitjançant l'equació següent.
on C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) tall net (η = 0) i C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tensió uniaxial (η = η0 = 1/3).
Les línies de tendència per a cada mode d'esforç s'obtenen aplicant els valors de deformació de fractura C1 i C2 a l'equació.(2);C1 i C2 s'obtenen a partir d'assajos de tracció i torsió en mostres sense defectes superficials.La figura 4 mostra la triaxialitat de l'esforç i la deformació de fractura obtingudes a partir dels assaigs i les línies de tendència predites per l'equació.(2) La línia de tendència obtinguda a partir de la prova i la relació entre la triaxialitat de l'esforç i la deformació de fractura mostren una tendència similar.La deformació de fractura i la triaxialitat de tensió per a cada mode d'esforç, obtingudes a partir de l'aplicació de línies de tendència, es van utilitzar com a criteris per a la fractura dúctil.
L'energia de trencament s'utilitza com a propietat del material per determinar el temps de trencament després del coll i es pot obtenir a partir d'assajos de tracció.L'energia de fractura depèn de la presència o absència d'esquerdes a la superfície del material, ja que el temps de fractura depèn de la concentració de tensions locals.Les figures 5a-c mostren les energies de fractura de mostres sense defectes superficials i mostres amb osques R0,4 o R0,8 de proves de tracció i anàlisi d'elements finits.L'energia de fractura correspon a l'àrea de la veritable corba de desplaçament de tensió des del coll fins al temps de fractura.
L'energia de fractura d'un cable OT amb defectes superficials fins es va predir realitzant proves de tracció en un cable OT amb una profunditat de defecte superior a 40 µm, tal com es mostra a la figura 5d.En les proves de tracció es van utilitzar deu mostres amb defectes i l'energia mitjana de fractura es va estimar en 29,12 mJ/mm2.
El defecte de superfície estandarditzat es defineix com la relació entre la profunditat del defecte i el diàmetre del filferro de la molla de la vàlvula, independentment de la geometria del defecte superficial del cable OT utilitzat en la fabricació de molles de la vàlvula d'automòbil.Els defectes del cable OT es poden classificar segons l'orientació, la geometria i la longitud.Fins i tot amb la mateixa profunditat de defecte, el nivell de tensió que actua sobre un defecte superficial en una molla varia en funció de la geometria i l'orientació del defecte, de manera que la geometria i l'orientació del defecte poden afectar la resistència a la fatiga.Per tant, cal tenir en compte la geometria i l'orientació dels defectes que tenen un major impacte en la vida a fatiga d'una molla per tal d'aplicar criteris estrictes per gestionar els defectes superficials.A causa de l'estructura de gra fi del cable OT, la seva vida a la fatiga és molt sensible a les osques.Per tant, el defecte que presenta la concentració d'esforç més alta segons la geometria i l'orientació del defecte s'ha d'establir com a defecte inicial mitjançant l'anàlisi d'elements finits.A la fig.La figura 6 mostra els ressorts de vàlvula d'automòbil de classe 2300 MPa de resistència ultra alta utilitzats en aquest estudi.
Els defectes superficials del cable OT es divideixen en defectes interns i defectes externs segons l'eix de la molla.A causa de la flexió durant el laminatge en fred, la tensió de compressió i la tensió de tracció actuen a l'interior i a l'exterior de la molla, respectivament.La fractura pot ser causada per defectes superficials que apareixen des de l'exterior a causa de les tensions de tracció durant la laminació en fred.
A la pràctica, la molla està sotmesa a compressió i relaxació periòdica.Durant la compressió de la molla, el filferro d'acer es torça i, a causa de la concentració de tensions, la tensió de cisalla dins de la molla és superior a la tensió de cisalla que l'envolta7.Per tant, si hi ha defectes superficials dins de la molla, la probabilitat que la molla es trenqui és la més gran.Així, la part exterior de la molla (la ubicació on s'espera una fallada durant la fabricació de la molla) i la cara interior (on la tensió és més gran en l'aplicació real) s'estableixen com a ubicacions dels defectes superficials.
La geometria de defecte superficial de les línies OT es divideix en forma d'U, forma de V, forma d'Y i forma de T.El tipus Y i el tipus T existeixen principalment en els defectes superficials de les matèries primeres, i els defectes de tipus U i V es produeixen a causa de la manipulació descuidada de les eines en el procés de laminació en fred.Pel que fa a la geometria dels defectes superficials de les matèries primeres, els defectes en forma d'U derivats de la deformació plàstica no uniforme durant la laminació en calent es deformen en defectes de costura en forma de V, Y i T sota estirament multipass8, 10.
A més, els defectes en forma de V, en forma d'Y i en forma de T amb inclinacions pronunciades de l'osca a la superfície estaran sotmesos a una gran concentració d'esforços durant el funcionament de la molla.Els molls de la vàlvula es dobleguen durant el rodatge en fred i es giren durant el funcionament.Es van comparar les concentracions de tensió de defectes en forma de V i en forma d'Y amb concentracions més altes de tensió mitjançant l'anàlisi d'elements finits, ABAQUS - programari comercial d'anàlisi d'elements finits.La relació tensió-deformació es mostra a la figura 1 i l'equació 1. (1) Aquesta simulació utilitza un element rectangular de quatre nodes bidimensional (2D) i la longitud mínima del costat de l'element és de 0,01 mm.Per al model analític, es van aplicar defectes en forma de V i Y amb una profunditat de 0, 5 mm i un pendent del defecte de 2 ° a un model 2D d'un cable amb un diàmetre de 2, 5 mm i una longitud de 7, 5 mm.
A la fig.La figura 7a mostra la concentració de tensió de flexió a la punta de cada defecte quan s'aplica un moment de flexió de 1500 Nmm als dos extrems de cada cable.Els resultats de l'anàlisi mostren que les tensions màximes de 1038,7 i 1025,8 MPa es produeixen a la part superior dels defectes en forma de V i en forma d'Y, respectivament.A la fig.La figura 7b mostra la concentració d'esforços a la part superior de cada defecte causat per la torsió.Quan el costat esquerre està restringit i s'aplica un parell de 1500 N∙mm al costat dret, es produeix la mateixa tensió màxima de 1099 MPa a les puntes dels defectes en forma de V i en forma d'Y.Aquests resultats mostren que els defectes de tipus V presenten un esforç de flexió més elevat que els defectes de tipus Y quan tenen la mateixa profunditat i pendent del defecte, però experimenten el mateix esforç de torsió.Per tant, els defectes superficials en forma de V i en forma d'Y amb la mateixa profunditat i pendent del defecte es poden normalitzar a altres en forma de V amb una tensió màxima més alta causada per la concentració d'estrès.La relació de mida del defecte de tipus V es defineix com α = w/h utilitzant la profunditat (h) i l'amplada (w) dels defectes de tipus V i T;per tant, un defecte de tipus T (α ≈ 0) en canvi, la geometria es pot definir per l'estructura geomètrica d'un defecte de tipus V.Per tant, els defectes de tipus Y i T es poden normalitzar mitjançant defectes de tipus V.Utilitzant la profunditat (h) i la longitud (l), la relació de longitud es defineix d'una altra manera com β = l/h.
Com es mostra a la figura 811, les direccions dels defectes superficials dels cables OT es divideixen en direccions longitudinals, transversals i obliqües, tal com es mostra a la figura 811. Anàlisi de la influència de l'orientació dels defectes superficials sobre la força de la molla per part de l'element finit mètode.
A la fig.La figura 9a mostra el model d'anàlisi de la tensió de la molla de la vàlvula del motor.Com a condició d'anàlisi, la molla es va comprimir des d'una alçada lliure de 50, 5 mm a una alçada dura de 21, 8 mm, es va generar una tensió màxima de 1086 MPa dins de la molla, tal com es mostra a la figura 9b.Com que la fallada dels molls de la vàlvula del motor es produeix principalment dins de la molla, s'espera que la presència de defectes de la superfície interna afecti seriosament la vida útil de la molla.Per tant, els defectes superficials en les direccions longitudinal, transversal i obliqua s'apliquen a l'interior dels molls de les vàlvules del motor mitjançant tècniques de submodelatge.La taula 2 mostra les dimensions dels defectes superficials i la tensió màxima en cada direcció del defecte a la màxima compressió de molla.Les tensions més altes es van observar en la direcció transversal i la relació entre les tensions en les direccions longitudinal i obliqua i la direcció transversal es va estimar en 0,934-0,996.La relació de tensions es pot determinar simplement dividint aquest valor per l'esforç transversal màxim.La tensió màxima a la primavera es produeix a la part superior de cada defecte superficial, tal com es mostra a la figura 9s.Els valors de tensió observats en les direccions longitudinal, transversal i obliqua són 2045, 2085 i 2049 MPa, respectivament.Els resultats d'aquestes anàlisis mostren que els defectes superficials transversals tenen l'efecte més directe sobre la vida a fatiga dels ressorts de les vàlvules del motor.
Es va escollir un defecte en forma de V, que se suposa que afecta de manera més directa la vida útil de la molla de la vàlvula del motor, com a defecte inicial del cable OT i es va triar la direcció transversal com a direcció del defecte.Aquest defecte es produeix no només a l'exterior, on es va trencar la molla de la vàlvula del motor durant la fabricació, sinó també a l'interior, on es produeix la major tensió a causa de la concentració d'estrès durant el funcionament.La profunditat màxima del defecte s'estableix en 40 µm, que es pot detectar mitjançant la detecció de defecte de corrent de Foucault, i la profunditat mínima s'estableix a una profunditat corresponent al 0,1% del diàmetre del cable de 2,5 mm.Per tant, la profunditat del defecte és de 2,5 a 40 µm.La profunditat, la longitud i l'amplada dels defectes amb una relació de longitud de 0,1 ~ 1 i una relació de longitud de 5 ~ 15 es van utilitzar com a variables i es va avaluar el seu efecte sobre la resistència a la fatiga de la molla.La taula 3 enumera les condicions analítiques determinades mitjançant la metodologia de superfície de resposta.
Els ressorts de vàlvules del motor d'automoció es fabriquen mitjançant bobinat en fred, temperat, granallat i configuració de calor de filferro OT.S'han de tenir en compte els canvis en els defectes superficials durant la fabricació de la molla per avaluar l'efecte dels defectes superficials inicials dels cables OT sobre la vida a fatiga de les molles de la vàlvula del motor.Per tant, en aquesta secció, s'utilitza l'anàlisi d'elements finits per predir la deformació dels defectes de la superfície del fil OT durant la fabricació de cada molla.
A la fig.La figura 10 mostra el procés de bobinat en fred.Durant aquest procés, el cable OT s'introdueix a la guia de filferro pel corró d'alimentació.La guia de filferro alimenta i suporta el cable per evitar la flexió durant el procés de conformació.El filferro que passa per la guia de filferro es doblega per la primera i la segona vareta per formar una molla helicoïdal amb el diàmetre interior desitjat.El pas de la molla es produeix movent l'eina de pas després d'una revolució.
A la fig.La figura 11a mostra un model d'elements finits utilitzat per avaluar el canvi en la geometria dels defectes superficials durant la laminació en fred.La formació del cable es completa principalment amb el passador de bobina.Com que la capa d'òxid a la superfície del cable actua com a lubricant, l'efecte de fricció del corró d'alimentació és insignificant.Per tant, en el model de càlcul, el corró d'alimentació i la guia de filferro es simplifiquen com a casquillo.El coeficient de fricció entre el cable OT i l'eina de conformació es va establir a 0,05.El pla del cos rígid 2D i les condicions de fixació s'apliquen a l'extrem esquerre de la línia de manera que es pugui alimentar en la direcció X a la mateixa velocitat que el corró d'alimentació (0,6 m/s).A la fig.La figura 11b mostra el mètode de subsimulació utilitzat per aplicar petits defectes als cables.Per tenir en compte la mida dels defectes superficials, el submodel s'aplica dues vegades per a defectes superficials amb una profunditat de 20 µm o més i tres vegades per a defectes superficials amb una profunditat inferior a 20 µm.Els defectes superficials s'apliquen a zones formades amb passos iguals.En el model general de la molla, la longitud de la peça recta de filferro és de 100 mm.Per al primer submodel, apliqueu el submodel 1 amb una longitud de 3 mm a una posició longitudinal de 75 mm del model global.Aquesta simulació va utilitzar un element hexagonal de vuit nodes tridimensional (3D).En el model global i el submodel 1, la longitud lateral mínima de cada element és de 0,5 i 0,2 mm, respectivament.Després de l'anàlisi del submodel 1, els defectes superficials s'apliquen al submodel 2, i la longitud i l'amplada del submodel 2 són 3 vegades la longitud del defecte superficial per eliminar la influència de les condicions de límit del submodel, en A més, el 50% de la longitud i l'amplada s'utilitza com a profunditat del submodel.En el submodel 2, la longitud lateral mínima de cada element és de 0,005 mm.Es van aplicar certs defectes superficials a l'anàlisi d'elements finits tal com es mostra a la taula 3.
A la fig.La figura 12 mostra la distribució de la tensió a les esquerdes superficials després del treball en fred d'una bobina.El model general i el submodel 1 mostren gairebé les mateixes tensions de 1076 i 1079 MPa al mateix lloc, la qual cosa confirma la correcció del mètode de submodelado.Les concentracions locals de tensió es produeixen a les vores límit del submodel.Aparentment, això es deu a les condicions de límit del submodel.A causa de la concentració d'estrès, el submodel 2 amb defectes superficials aplicats mostra una tensió de 2449 MPa a la punta del defecte durant la laminació en fred.Com es mostra a la taula 3, els defectes superficials identificats pel mètode de la superfície de resposta es van aplicar a l'interior de la molla.Els resultats de l'anàlisi d'elements finits van mostrar que cap dels 13 casos de defectes superficials va fallar.
Durant el procés de bobinat en tots els processos tecnològics, la profunditat dels defectes superficials dins de la molla va augmentar en 0,1-2,62 µm (Fig. 13a) i l'amplada va disminuir en 1,8-35,79 µm (Fig. 13b), mentre que la longitud va augmentar en 0,72 –34,47 µm (Fig. 13c).Com que el defecte transversal en forma de V es tanca d'amplada mitjançant la flexió durant el procés de laminació en fred, es deforma en un defecte en forma de V amb un pendent més pronunciat que el defecte original.
Deformació en profunditat, amplada i longitud dels defectes superficials del fil OT en el procés de fabricació.
Apliqueu defectes superficials a l'exterior de la molla i prediu la probabilitat de trencament durant el laminatge en fred mitjançant l'anàlisi d'elements finits.En les condicions enumerades a la taula.3, no hi ha probabilitat de destrucció de defectes a la superfície exterior.En altres paraules, no es va produir cap destrucció a la profunditat dels defectes superficials de 2,5 a 40 µm.
Per predir defectes superficials crítics, es van investigar les fractures externes durant la laminació en fred augmentant la profunditat del defecte de 40 µm a 5 µm.A la fig.La figura 14 mostra fractures al llarg de defectes superficials.La fractura es produeix en condicions de profunditat (55 µm), amplada (2 µm) i longitud (733 µm).La profunditat crítica d'un defecte superficial fora de la primavera va resultar ser de 55 μm.
El procés de granallament suprimeix el creixement de les esquerdes i augmenta la vida a la fatiga creant una tensió de compressió residual a una certa profunditat des de la superfície de la molla;no obstant això, indueix la concentració de tensions augmentant la rugositat superficial de la molla, reduint així la resistència a la fatiga de la molla.Per tant, la tecnologia de granallada secundària s'utilitza per produir molles d'alta resistència per compensar la reducció de la vida a la fatiga causada per l'augment de la rugositat de la superfície causada pel granallat.El granallat en dues etapes pot millorar la rugositat de la superfície, la tensió residual de compressió màxima i la tensió residual de compressió superficial perquè el segon granallat es realitza després del primer granallat12,13,14.
A la fig.La figura 15 mostra un model analític del procés de granallat.Es va crear un model de plàstic elàstic en el qual es van deixar caure 25 boles de tir a l'àrea local objectiu de la línia OT per al granat.En el model d'anàlisi de granallada, es van utilitzar com a defectes inicials els defectes superficials del cable OT deformat durant l'enrotllament en fred.Eliminació de les tensions residuals derivades del procés de laminació en fred per tremp abans del procés de granallat.Es van utilitzar les següents propietats de l'esfera de tir: densitat (ρ): 7800 kg/m3, mòdul elàstic (E) – 210 GPa, relació de Poisson (υ): 0,3.El coeficient de fricció entre la pilota i el material s'estableix a 0,1.Els trets amb un diàmetre de 0,6 i 0,3 mm es van expulsar a la mateixa velocitat de 30 m/s durant la primera i segona passada de forja.Després del procés de granallat (entre altres processos de fabricació que es mostren a la figura 13), la profunditat, l'amplada i la longitud dels defectes superficials dins de la molla van oscil·lar entre -6,79 i 0,28 µm, -4,24 a 1,22 µm i -2,59 a 1,69 µm, respectivament µm.A causa de la deformació plàstica del projectil expulsat perpendicularment a la superfície del material, la profunditat del defecte disminueix, en particular, l'amplada del defecte es redueix significativament.Pel que sembla, el defecte es va tancar a causa de la deformació plàstica causada pel granallat.
Durant el procés de contracció tèrmica, els efectes de la contracció en fred i el recuit a baixa temperatura poden actuar al mateix temps sobre la molla de la vàlvula del motor.Una configuració en fred maximitza el nivell de tensió de la molla comprimint-la al seu nivell més alt possible a temperatura ambient.En aquest cas, si la molla de la vàlvula del motor es carrega per sobre del límit elàstic del material, el moll de la vàlvula del motor es deforma plàsticament, augmentant la força elàstica.Després de la deformació plàstica, la molla de la vàlvula es flexiona, però l'augment de la força de fluència proporciona l'elasticitat de la molla de la vàlvula en funcionament real.El recuit a baixa temperatura millora la resistència a la calor i la deformació dels ressorts de vàlvules que funcionen a altes temperatures2.
Els defectes superficials deformats durant el granallat en l'anàlisi FE i el camp d'estrès residual mesurat amb equips de difracció de raigs X (XRD) es van aplicar al submodel 2 (Fig. 8) per inferir el canvi en els defectes durant la contracció tèrmica.La molla va ser dissenyada per funcionar en el rang elàstic i es va comprimir des de la seva alçada lliure de 50,5 mm fins a la seva alçada ferma de 21,8 mm i després es va permetre tornar a la seva alçada original de 50,5 mm com a condició d'anàlisi.Durant la contracció tèrmica, la geometria del defecte canvia de manera insignificant.Aparentment, l'esforç de compressió residual de 800 MPa i superior, creat per granallat, suprimeix la deformació dels defectes superficials.Després de la contracció tèrmica (Fig. 13), la profunditat, l'amplada i la longitud dels defectes superficials van variar de -0,13 a 0,08 µm, de -0,75 a 0 µm i de 0,01 a 2,4 µm, respectivament.
A la fig.16 compara les deformacions de defectes en forma d'U i en forma de V de la mateixa profunditat (40 µm), amplada (22 µm) i longitud (600 µm).El canvi d'amplada dels defectes en forma d'U i en forma de V és més gran que el canvi de longitud, que es produeix pel tancament en la direcció de l'amplada durant el procés de laminació en fred i granallat.En comparació amb els defectes en forma d'U, els defectes en forma de V es van formar a una profunditat relativament més gran i amb pendents més pronunciades, cosa que suggereix que es pot adoptar un enfocament conservador quan s'apliquen defectes en forma de V.
En aquesta secció es parla de la deformació del defecte inicial a la línia OT per a cada procés de fabricació de molles de vàlvula.El defecte inicial del cable OT s'aplica a l'interior de la molla de la vàlvula on s'espera una fallada a causa de les altes tensions durant el funcionament de la molla.Els defectes superficials transversals en forma de V dels cables OT van augmentar lleugerament en profunditat i longitud i van disminuir bruscament d'amplada a causa de la flexió durant l'enrotllament en fred.El tancament en la direcció de l'amplada es produeix durant el granallat amb poca o cap deformació de defecte notable durant la fixació de calor final.En el procés de laminació en fred i granallat, hi ha una gran deformació en la direcció de l'amplada a causa de la deformació plàstica.El defecte en forma de V dins de la molla de la vàlvula es transforma en un defecte en forma de T a causa del tancament d'amplada durant el procés de laminació en fred.