Хімічний компонент змійової труби з нержавіючої сталі 310. Вплив поверхневих дефектів сталевого дроту, загартованого маслом, на довговічність пружин клапанів в автомобільних двигунах.

Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Повзунки, що показують три статті на слайді.Використовуйте кнопки «Назад» і «Далі» для переходу між слайдами або кнопки керування слайдами в кінці для переходу між слайдами.

Колтюбінги з нержавіючої сталі 310Хімічний складі склад

У наступній таблиці показано хімічний склад нержавіючої сталі марки 310S.

10 * 1 мм 9,25 * 1,24 мм 310 капілярна спіральна трубка з нержавіючої сталі постачальники

Фізичні властивості

Фізичні властивості нержавіючої сталі марки 310S наведено в наступній таблиці.

Механічні властивості

У наступній таблиці наведено механічні властивості нержавіючої сталі марки 310S.

Теплові властивості

Теплові властивості нержавіючої сталі марки 310S наведені в наступній таблиці.

Інші позначення

Інші позначення, еквівалентні нержавіючій сталі марки 310S, перераховані в наступній таблиці.

Метою даної роботи є оцінка втомної довговічності клапанної пружини автомобільного двигуна при нанесенні мікродефектів на масляногартований дріт марки 2300 МПа (дрот ОТ) з критичною глибиною дефекту діаметром 2,5 мм.По-перше, деформація поверхневих дефектів дроту OT під час виготовлення пружини клапана була отримана за допомогою кінцево-елементного аналізу з використанням методів субсимуляції, а залишкова напруга готової пружини була виміряна та застосована до моделі аналізу напруги пружини.По-друге, проаналізуйте міцність пружини клапана, перевірте наявність залишкової напруги та порівняйте рівень прикладеної напруги з дефектами поверхні.По-третє, вплив мікродефектів на втомну довговічність пружини оцінювали шляхом застосування напруги до поверхневих дефектів, отриманого в результаті аналізу міцності пружини, до кривих SN, отриманих у результаті випробування на втому на згин під час обертання дроту OT.Глибина дефекту 40 мкм є поточним стандартом для управління поверхневими дефектами без шкоди для довговічності.
Автомобільна промисловість має високий попит на легкі автомобільні компоненти для підвищення паливної ефективності транспортних засобів.Таким чином, використання сучасної високоміцної сталі (AHSS) зростає в останні роки.Пружини клапанів автомобільних двигунів в основному складаються з жароміцних, зносостійких сталевих дротів, що не провисають, загартованих в маслі (OT).
Завдяки високій міцності на розрив (1900–2100 МПа) використовувані нині дроти ОТ дають змогу зменшити розміри та масу пружин клапанів двигуна, підвищити паливну ефективність за рахунок зменшення тертя об навколишні деталі1.Завдяки цим перевагам використання високовольтної катанки стрімко зростає, і одна за одною з'являється надвисокоміцна катанка класу 2300 МПа.Пружини клапанів в автомобільних двигунах вимагають тривалого терміну служби, оскільки вони працюють під високими циклічними навантаженнями.Щоб виконати цю вимогу, виробники зазвичай розглядають довговічність, що перевищує 5,5 × 107 циклів, коли проектують пружини клапанів, і застосовують залишкове напруження до поверхні пружини клапана за допомогою процесів дробеструйної обробки та термоусадки для підвищення довговічності2.
Було проведено чимало досліджень довговічності гвинтових пружин транспортних засобів у нормальних умовах експлуатації.Гзаль та ін.Наведено аналітичний, експериментальний та кінцево-елементний аналізи еліптичних гвинтових пружин із малими кутами нахилу спіралі за статичного навантаження.Це дослідження надає чіткий і простий вираз для розташування максимального напруження зсуву в порівнянні з співвідношенням сторін та індексом жорсткості, а також забезпечує аналітичне розуміння максимального напруження зсуву, критичного параметра в практичних конструкціях3.Pastorcic та ін.Описано результати аналізу руйнування та втоми гвинтової ресори, знятої з приватного автомобіля після відмови в експлуатації.Використовуючи експериментальні методи, було досліджено зламану пружину, і результати свідчать про те, що це приклад руйнування від корозії втоми4.отвір тощо. Для оцінки довговічності автомобільних гвинтових пружин було розроблено кілька моделей лінійної регресії.Путра та ін.Через нерівності дорожнього покриття визначається термін служби гвинтової ресори автомобіля.Проте було проведено мало досліджень щодо того, як дефекти поверхні, які виникають під час виробничого процесу, впливають на термін служби автомобільних гвинтових пружин.
Поверхневі дефекти, які виникають у процесі виготовлення, можуть призводити до локальної концентрації напруг у клапанних пружинах, що значно знижує їхню втомну довговічність.Дефекти поверхні клапанних пружин спричинені різними факторами, такими як дефекти поверхні використовуваної сировини, дефекти інструментів, грубе поводження під час холодної прокатки7.Поверхневі дефекти сировини мають круту V-подібну форму внаслідок гарячої прокатки та багатопрохідного витягування, тоді як дефекти, спричинені формувальним інструментом та необережним поводженням, мають U-подібну форму з пологими нахилами8,9,10,11.V-подібні дефекти викликають вищу концентрацію напруги, ніж U-подібні дефекти, тому до вихідного матеріалу зазвичай застосовуються суворі критерії управління дефектами.
Поточні стандарти управління поверхневими дефектами для проводів OT включають ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 і KS D 3580. DIN EN 10270-2 визначає, що глибина поверхневого дефекту на дроті діаметром 0,5– 10 мм становить менше 0,5–1% діаметра дроту.Крім того, стандарти JIS G 3561 і KS D 3580 вимагають, щоб глибина поверхневих дефектів катанки діаметром 0,5–8 мм становила менше 0,5% діаметра дроту.У ASTM A877/A877M-10 виробник і покупець повинні домовитися про допустиму глибину поверхневих дефектів.Щоб виміряти глибину дефекту на поверхні дроту, дріт зазвичай травлять соляною кислотою, а потім за допомогою мікрометра вимірюють глибину дефекту.Однак цей метод може виміряти дефекти лише в певних областях, а не на всій поверхні кінцевого продукту.Тому виробники використовують випробування вихровими струмами під час процесу волочіння дроту для вимірювання поверхневих дефектів у безперервному виробництві дроту;ці тести можуть вимірювати глибину поверхневих дефектів до 40 мкм.Сталевий дріт марки 2300 МПа, що розробляється, має більш високу міцність на розрив і нижче подовження, ніж існуючий сталевий дріт марки 1900-2200 МПа, тому термін служби клапанної пружини вважається дуже чутливим до дефектів поверхні.Тому необхідно перевірити безпечність застосування існуючих стандартів контролю глибини поверхневих дефектів для сталевого дроту марки 1900-2200 МПа до сталевого дроту марки 2300 МПа.
Метою цього дослідження є оцінка довговічності пружини клапана автомобільного двигуна, коли мінімальна глибина дефекту, яку можна виміряти методом вихрового струму (тобто 40 мкм), застосовується до дроту OT класу 2300 МПа (діаметр: 2,5 мм): критичний дефект глибина .Внесок і методологія цього дослідження такі.
В якості початкового дефекту дроту OT використовувався V-подібний дефект, який серйозно впливає на довговічність у поперечному напрямку відносно осі дроту.Розглянемо співвідношення розмірів (α) і довжини (β) поверхневого дефекту, щоб побачити вплив його глибини (h), ширини (w) і довжини (l).Поверхневі дефекти виникають всередині пружини, де руйнування відбувається в першу чергу.
Щоб передбачити деформацію початкових дефектів дроту OT під час холодної намотування, був використаний підхід субмоделювання, який враховував час аналізу та розмір поверхневих дефектів, оскільки дефекти дуже малі порівняно з дротом OT.глобальна модель.
Залишкові напруги стиску в пружині після двоступеневої дробеструйної обробки розраховані методом скінченних елементів, результати порівняні з вимірюваннями після дробеструйної обробки для підтвердження аналітичної моделі.Крім того, були виміряні залишкові напруги в пружинах клапанів у всіх виробничих процесах і застосовані для аналізу міцності пружин.
Напруження в поверхневих дефектах прогнозують шляхом аналізу міцності пружини з урахуванням деформації дефекту під час холодної прокатки та залишкової напруги стиску в готовій пружині.
Випробування на втому при обертальному згині було проведено з використанням дроту OT, виготовленого з того самого матеріалу, що й пружина клапана.Для того, щоб співвіднести залишкову напругу та характеристики шорсткості поверхні виготовлених клапанних пружин з лініями OT, криві SN були отримані шляхом обертових випробувань на втому при вигині після застосування двоступеневої дробеструйної обробки та кручення як процесів попередньої обробки.
Результати аналізу міцності пружини застосовуються до рівняння Гудмена та кривої SN для прогнозування втомної довговічності пружини клапана, а також оцінюється вплив глибини поверхневого дефекту на втомну довговічність.
У цьому дослідженні для оцінки довговічності пружини клапана автомобільного двигуна використовувався дріт марки OT 2300 МПа діаметром 2,5 мм.Спочатку було проведено випробування дроту на розтяг, щоб отримати модель пластичного руйнування.
Механічні властивості дроту OT були отримані в результаті випробувань на розтяг перед аналізом кінцевих елементів процесу холодного намотування та міцності пружини.Криву напруження-деформації матеріалу визначали за результатами випробувань на розтяг при швидкості деформації 0,001 с-1, як показано на рис.1. Використовується дріт SWONB-V, її межа текучості, міцність на розтяг, модуль пружності та коефіцієнт Пуассона становлять 2001,2 МПа, 2316 МПа, 206 ГПа та 0,3 відповідно.Залежність напруги від деформації течії отримуємо так:
Рис.2 ілюструє процес пластичного руйнування.Матеріал піддається пружнопластичній деформації під час деформації, і матеріал звужується, коли напруга в матеріалі досягає своєї міцності на розрив.Згодом утворення, зростання та об’єднання пустот у матеріалі призводять до руйнування матеріалу.
Модель пластичного руйнування використовує модифіковану напругою модель критичної деформації, яка враховує вплив напруги, а руйнування після шийки використовує метод накопичення пошкоджень.Тут початок пошкодження виражається як функція деформації, тривісності напруги та швидкості деформації.Тривісність напруги визначається як середнє значення, отримане шляхом ділення гідростатичного напруження, викликаного деформацією матеріалу до утворення шийки, на ефективне напруження.У методі накопичення пошкоджень руйнування відбувається, коли значення пошкодження досягає 1, а енергія, необхідна для досягнення значення пошкодження 1, визначається як енергія руйнування (Gf).Енергія руйнування відповідає ділянці істинної кривої напруження-зміщення матеріалу від часу перешийку до часу руйнування.
У випадку звичайних сталей, залежно від режиму напруги, пластичний руйнування, руйнування зсуву або змішаний руйнування відбувається через пластичність і руйнування зсуву, як показано на малюнку 3. Деформація руйнування та тривісність напруги показали різні значення для візерунок зламу.
Пластичне руйнування відбувається в області, що відповідає тривісності напруги більше 1/3 (зона I), а деформацію руйнування та тривісність напруги можна визначити за допомогою випробувань на розтягнення зразків з поверхневими дефектами та надрізами.У зоні, що відповідає тривісності напруги 0 ~ 1/3 (зона II), відбувається комбінація пластичного руйнування та руйнування на зсув (тобто через випробування на кручення. У зоні, що відповідає тривісності напруги від -1/3 до 0 (III), руйнування на зсув, спричинене стисненням, і тривісність деформації руйнування та напруги можна отримати за допомогою випробування на висадку.
Для дротів OT, які використовуються у виробництві пружин клапанів двигуна, необхідно брати до уваги розриви, спричинені різними умовами навантаження під час виробничого процесу та умов застосування.Таким чином, були проведені випробування на розтяг і кручення для застосування критерію деформації руйнування, було розглянуто вплив тривісності напруги на кожну форму напруги, а також виконано пружнопластичний кінцевий елементний аналіз при великих деформаціях для кількісної оцінки зміни тривісності напруги.Режим стиснення не розглядався через обмеження обробки зразка, а саме діаметр дроту ОТ становить лише 2,5 мм.У таблиці 1 наведено умови випробування на розтяг і кручення, а також тривісність напруги та деформацію руйнування, отримані за допомогою кінцево-елементного аналізу.
Деформацію руйнування звичайних тривісних сталей під напругою можна передбачити за допомогою наступного рівняння.
де C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) чистий розріз (η = 0) і C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Одноосьовий натяг (η = η0 = 1/3).
Лінії тренду для кожного режиму напруги отримують шляхом застосування значень деформації руйнування C1 і C2 в рівнянні.(2);C1 і C2 отримані в результаті випробувань на розтяг і кручення зразків без поверхневих дефектів.На малюнку 4 показано тривісність напруги та деформацію руйнування, отримані в результаті випробувань, і лінії тренду, передбачені рівнянням.(2) Лінія тренду, отримана в результаті випробування, і співвідношення між тривісністю напруги та деформацією руйнування показують подібну тенденцію.Деформація руйнування та тривісність напруги для кожного режиму напруги, отримані із застосування ліній тренду, використовувалися як критерії пластичного руйнування.
Енергія розриву використовується як властивість матеріалу для визначення часу до розриву після утворення горловини та може бути отримана з випробувань на розтяг.Енергія руйнування залежить від наявності або відсутності тріщин на поверхні матеріалу, оскільки час до руйнування залежить від концентрації локальних напружень.На рисунках 5a-c показано енергію руйнування зразків без поверхневих дефектів і зразків з надрізами R0.4 або R0.8 за результатами випробувань на розтягування та аналізу кінцевих елементів.Енергія руйнування відповідає площі істинної кривої напруга-зміщення від перешийка до часу руйнування.
Енергія руйнування дроту OT з дрібними поверхневими дефектами була передбачена шляхом проведення випробувань на розтяг дроту OT з глибиною дефекту понад 40 мкм, як показано на рис. 5d.У випробуваннях на розтяг було використано десять зразків з дефектами, середня енергія руйнування була оцінена в 29,12 мДж/мм2.
Стандартизований поверхневий дефект визначається як відношення глибини дефекту до діаметра дроту клапанної пружини, незалежно від геометрії поверхневого дефекту дроту OT, який використовується у виробництві автомобільних клапанних пружин.Дефекти дроту OT можна класифікувати на основі орієнтації, геометрії та довжини.Навіть при однаковій глибині дефекту рівень напруги, що діє на поверхневий дефект пружини, змінюється залежно від геометрії та орієнтації дефекту, тому геометрія та орієнтація дефекту можуть впливати на втомну міцність.Тому необхідно брати до уваги геометрію та орієнтацію дефектів, які мають найбільший вплив на довговічність пружини від втоми, щоб застосувати суворі критерії для управління поверхневими дефектами.Завдяки дрібнозернистій структурі дроту OT її довговічність дуже чутлива до надрізів.Таким чином, дефект, який демонструє найвищу концентрацію напруги відповідно до геометрії та орієнтації дефекту, повинен бути встановлений як початковий дефект за допомогою аналізу кінцевих елементів.На рис.6 показані надвисокоміцні пружини автомобільних клапанів класу 2300 МПа, які використовувалися в цьому дослідженні.
Поверхневі дефекти дроту OT поділяються на внутрішні дефекти та зовнішні дефекти відповідно до осі пружини.Внаслідок вигину під час холодної прокатки напруження стиску та напруження розтягу діють відповідно на внутрішню та зовнішню сторони пружини.Причиною руйнування можуть бути дефекти поверхні, які з'являються ззовні внаслідок розтягуючих напруг під час холодної прокатки.
На практиці пружина піддається періодичному стисненню і розслабленню.Під час стиснення пружини сталевий дріт скручується, і внаслідок концентрації напружень напруга зсуву всередині пружини є вищою, ніж напруга зсуву навколо неї7.Тому, якщо всередині пружини є поверхневі дефекти, ймовірність поломки пружини найбільша.Таким чином, зовнішня сторона пружини (місце, де очікується поломка під час виготовлення пружини) і внутрішня сторона (де напруга найбільша під час фактичного застосування) встановлюються як місця дефектів поверхні.
Геометрія поверхневих дефектів ліній OT поділяється на U-подібну, V-подібну, Y-подібну та Т-подібну форми.Y-тип і T-тип в основному існують у дефектах поверхні сировини, а дефекти U-типу та V-типу виникають через необережне поводження з інструментами в процесі холодної прокатки.Що стосується геометрії поверхневих дефектів сировини, U-подібні дефекти, що виникають внаслідок нерівномірної пластичної деформації під час гарячої прокатки, деформуються у V-подібні, Y-подібні та Т-подібні дефекти швів під час багатоходового розтягування8, 10.
Крім того, V-подібні, Y-подібні та Т-подібні дефекти з крутими нахилами виїмки на поверхні будуть піддаватися високій концентрації напруг під час роботи пружини.Пружини клапанів під час холодної прокатки згинаються, а під час роботи скручуються.Концентрації напруг V-подібних і Y-подібних дефектів з більш високими концентраціями напруг порівнювали за допомогою кінцево-елементного аналізу, ABAQUS – комерційного програмного забезпечення для кінцево-елементного аналізу.Співвідношення напруга-деформація показано на малюнку 1 і в рівнянні 1. (1) У цьому моделюванні використовується двовимірний (2D) прямокутний елемент із чотирма вузлами, а мінімальна довжина сторони елемента становить 0,01 мм.Для аналітичної моделі V-подібні та Y-подібні дефекти глибиною 0,5 мм і кутом нахилу дефекту 2° наносили на 2D модель дроту діаметром 2,5 мм і довжиною 7,5 мм.
На рис.7а показує концентрацію напруги вигину на кінчику кожного дефекту, коли згинальний момент 1500 Нмм прикладається до обох кінців кожного дроту.Результати аналізу показують, що максимальні напруження 1038,7 і 1025,8 МПа виникають у вершинах V-подібних і Y-подібних дефектів відповідно.На рис.7b показано концентрацію напруги у верхній частині кожного дефекту, спричиненого крученням.Коли ліва сторона обмежена і крутний момент 1500 Н∙мм прикладається до правої сторони, таке ж максимальне напруження 1099 МПа виникає на вершинах V-подібних і Y-подібних дефектів.Ці результати показують, що дефекти V-типу виявляють вищу напругу вигину, ніж дефекти Y-типу, коли вони мають однакову глибину та нахил дефекту, але відчувають однакову напругу кручення.Таким чином, V-подібні та Y-подібні поверхневі дефекти з однаковою глибиною та нахилом дефекту можуть бути нормовані до V-подібних з більш високим максимальним напруженням, викликаним концентрацією напружень.Відношення розміру дефекту V-типу визначається як α = w/h з використанням глибини (h) і ширини (w) дефектів V-типу та T-типу;таким чином, замість дефекту Т-типу (α ≈ 0) геометрія може бути визначена геометричною структурою дефекту V-типу.Отже, дефекти типу Y і T можуть бути нормалізовані дефектами типу V.Використовуючи глибину (h) і довжину (l), співвідношення довжини інакше визначається як β = l/h.
Як показано на малюнку 811, напрямки поверхневих дефектів дротів ОТ поділяються на поздовжні, поперечні та косі напрямки, як показано на малюнку 811. Аналіз впливу орієнтації поверхневих дефектів на міцність пружини методом кінцевого елемента метод.
На рис.9а показана модель аналізу напруги пружини клапана двигуна.Як умова аналізу, пружина була стиснута від вільної висоти 50,5 мм до твердої висоти 21,8 мм, максимальне напруження 1086 МПа було створено всередині пружини, як показано на рис. 9b.Оскільки поломка фактичних пружин клапанів двигуна відбувається в основному всередині пружини, очікується, що наявність дефектів внутрішньої поверхні серйозно вплине на термін служби пружини від втоми.Таким чином, поверхневі дефекти в поздовжньому, поперечному та похилому напрямках наносяться на внутрішню частину пружин клапанів двигуна за допомогою методів субмоделювання.У таблиці 2 наведені розміри поверхневих дефектів і максимальне напруження в кожному напрямку дефекту при максимальному стисненні пружини.Найбільші напруження спостерігалися в поперечному напрямку, а відношення напружень у поздовжньому та косому напрямках до поперечного оцінювалося як 0,934–0,996.Коефіцієнт напруги можна визначити, просто поділивши це значення на максимальне поперечне напруження.Максимальна напруга в пружині виникає у верхній частині кожного поверхневого дефекту, як показано на рис. 9s.Значення напружень, що спостерігаються в поздовжньому, поперечному та похилому напрямках, складають відповідно 2045, 2085 та 2049 МПа.Результати цих аналізів показують, що поперечні дефекти поверхні мають найбільш прямий вплив на втомний ресурс пружин клапанів двигуна.
В якості початкового дефекту дроту ОТ було обрано V-подібний дефект, який, як передбачається, найбільш безпосередньо впливає на довговічність пружини клапана двигуна, а напрямок дефекту – поперечний напрямок.Цей дефект зустрічається не тільки зовні, де при виготовленні зламалася пружина клапана двигуна, але і всередині, де виникає найбільше напруження через концентрацію напруг під час роботи.Максимальна глибина дефекту встановлена ​​на рівні 40 мкм, яка може бути виявлена ​​за допомогою вихрострумової дефектоскопії, а мінімальна глибина встановлена ​​на глибину, що відповідає 0,1% діаметра дроту 2,5 мм.Отже, глибина дефекту становить від 2,5 до 40 мкм.Глибина, довжина та ширина дефектів із відношенням довжини 0,1~1 та відношенням довжини 5~15 використовувалися як змінні та оцінювали їх вплив на втомну міцність пружини.У таблиці 3 наведено аналітичні умови, визначені за допомогою методології поверхні відгуку.
Пружини клапанів автомобільних двигунів виготовляються шляхом холодного намотування, гарту, дробеструйної обробки та термофіксації дроту OT.Зміни поверхневих дефектів під час виготовлення пружин необхідно враховувати, щоб оцінити вплив початкових поверхневих дефектів проводів OT на втомний ресурс пружин клапанів двигуна.Тому в цьому розділі аналіз кінцевих елементів використовується для прогнозування деформації поверхневих дефектів дроту OT під час виготовлення кожної пружини.
На рис.10 показаний процес холодного намотування.Під час цього процесу дріт OT подається в направляючу дроту роликом подачі.Направляюча дроту подає та підтримує дріт, щоб запобігти вигину під час процесу формування.Дріт, що проходить через дротяну направляючу, згинається першим і другим стрижнями для формування спіральної пружини з бажаним внутрішнім діаметром.Крок пружини створюється переміщенням крокового інструменту після одного оберту.
На рис.11а показана модель кінцевих елементів, яка використовується для оцінки зміни геометрії поверхневих дефектів під час холодної прокатки.Формування дроту в основному завершується намотуванням.Оскільки оксидний шар на поверхні дроту діє як мастило, ефект тертя подаючого ролика незначний.Тому в розрахунковій моделі ролик подачі та дротова напрямна спрощені як втулка.Коефіцієнт тертя між дротом OT і формувальним інструментом був встановлений на 0,05.Двовимірна площина твердого тіла та умови фіксації застосовуються до лівого кінця лінії, щоб її можна було подавати в напрямку X з тією ж швидкістю, що й ролик подачі (0,6 м/с).На рис.11b показує метод субмоделювання, який використовується для нанесення невеликих дефектів на дроти.Щоб врахувати розмір поверхневих дефектів, субмодель застосовується двічі для поверхневих дефектів глибиною 20 мкм або більше і тричі для поверхневих дефектів глибиною менше 20 мкм.Поверхневі дефекти наносяться на ділянки, утворені з рівним кроком.У загальній моделі пружини довжина прямого шматка дроту становить 100 мм.Для першої субмоделі застосуйте субмодель 1 довжиною 3 мм до поздовжньої позиції 75 мм від глобальної моделі.У цій симуляції використовувався тривимірний (3D) шестикутний елемент із вісьмома вузлами.У глобальній моделі та підмоделі 1 мінімальна довжина сторони кожного елемента становить 0,5 та 0,2 мм відповідно.Після аналізу підмоделі 1 поверхневі дефекти застосовуються до підмоделі 2, а довжина та ширина підмоделі 2 у 3 рази перевищують довжину поверхневого дефекту, щоб усунути вплив граничних умов підмоделі, в крім того, 50% довжини та ширини використовується як глибина підмоделі.У підмоделі 2 мінімальна довжина сторони кожного елемента становить 0,005 мм.Деякі поверхневі дефекти були застосовані до аналізу кінцевих елементів, як показано в таблиці 3.
На рис.12 показано розподіл напруги в поверхневих тріщинах після холодної обробки рулону.Загальна модель і субмодель 1 демонструють майже однакові напруги 1076 і 1079 МПа в одному місці, що підтверджує правильність методу субмоделювання.Локальні концентрації напруг виникають на граничних краях підмоделі.Мабуть, це пов'язано з граничними умовами підмоделі.Через концентрацію напруг підмодель 2 із нанесеними поверхневими дефектами демонструє напругу 2449 МПа на вершині дефекту під час холодної прокатки.Як показано в таблиці 3, поверхневі дефекти, виявлені методом поверхні відгуку, були нанесені на внутрішню частину пружини.Результати кінцево-елементного аналізу показали, що жоден із 13 випадків поверхневих дефектів не вийшов з ладу.
Під час намотування в усіх технологічних процесах глибина поверхневих дефектів усередині пружини збільшувалася на 0,1–2,62 мкм (рис. 13а), а ширина зменшувалася на 1,8–35,79 мкм (рис. 13б), а довжина збільшувалася на 0,72. –34,47 мкм (рис. 13в).Оскільки поперечний V-подібний дефект закритий по ширині шляхом згинання під час процесу холодної прокатки, він деформується в V-подібний дефект з більш крутим нахилом, ніж вихідний дефект.
Деформація глибини, ширини та довжини дефектів поверхні дроту OT у процесі виробництва.
Нанесіть поверхневі дефекти на зовнішню сторону пружини та передбачте ймовірність поломки під час холодної прокатки за допомогою аналізу кінцевих елементів.За умов, наведених у табл.3, відсутня ймовірність руйнування дефектів зовнішньої поверхні.Тобто на глибині поверхневих дефектів від 2,5 до 40 мкм руйнування не відбувалося.
Щоб передбачити критичні поверхневі дефекти, досліджували зовнішні руйнування під час холодної прокатки шляхом збільшення глибини дефекту з 40 мкм до 5 мкм.На рис.14 показані злами вздовж поверхневих дефектів.Злам відбувається за умов глибини (55 мкм), ширини (2 мкм) і довжини (733 мкм).Критична глибина поверхневого дефекту поза пружиною виявилася 55 мкм.
Процес дробеструйної обробки пригнічує ріст тріщин і збільшує довговічність за рахунок створення залишкової напруги стиску на певній глибині від поверхні пружини;однак він викликає концентрацію напруги, збільшуючи шорсткість поверхні пружини, таким чином зменшуючи опір втоми пружини.Таким чином, технологія вторинного дробеструйного ущільнення використовується для виробництва високоміцних пружин, щоб компенсувати скорочення втомного ресурсу, спричинене збільшенням шорсткості поверхні, спричиненим дробеструйним ущільненням.Двоступінчаста дробеструйна обробка може покращити шорсткість поверхні, максимальну залишкову напругу при стиску та поверхневу залишкову напругу при стиску, оскільки друга дробеструйна обробка виконується після першої дробеструйної обробки12,13,14.
На рис.15 показана аналітична модель процесу дробеструйної обробки.Була створена пружно-пластична модель, в якій 25 кульок були скинуті в цільову локальну зону лінії ОТ для дробеструйної обробки.У моделі аналізу дробеструйної обробки в якості вихідних дефектів використовувалися дефекти поверхні дроту ОТ, деформованого під час холодного намотування.Усунення залишкових напруг, що виникають у процесі холодної прокатки, шляхом відпустки перед процесом дробеструйної обробки.Використано такі властивості дробової сфери: густина (ρ): 7800 кг/м3, модуль пружності (E) – 210 ГПа, коефіцієнт Пуассона (υ): 0,3.Коефіцієнт тертя між кулькою та матеріалом встановлюється рівним 0,1.Дроби діаметром 0,6 і 0,3 мм викидалися з однаковою швидкістю 30 м/с під час першого і другого проходів кування.Після процесу дробеструйної обробки (серед інших виробничих процесів, показаних на малюнку 13) глибина, ширина та довжина поверхневих дефектів усередині пружини становили від -6,79 до 0,28 мкм, від -4,24 до 1,22 мкм та від -2,59 до 1,69 мкм, відповідно мкм.За рахунок пластичної деформації снаряда, що вилітає перпендикулярно до поверхні матеріалу, глибина дефекту зменшується, зокрема, значно зменшується ширина дефекту.Мабуть, дефект був закритий за рахунок пластичної деформації, спричиненої дробеструйним очищенням.
Під час процесу термоусадки вплив холодної усадки та низькотемпературного відпалу може одночасно діяти на пружину клапана двигуна.Холодне налаштування максимізує рівень натягу пружини, стискаючи її до максимально можливого рівня за кімнатної температури.У цьому випадку, якщо пружина клапана двигуна навантажена вище межі текучості матеріалу, пружина клапана двигуна пластично деформується, збільшуючи межу текучості.Після пластичної деформації пружина клапана прогинається, але підвищена межа плинності забезпечує пружність пружини клапана в реальній роботі.Низькотемпературний відпал покращує термостійкість і стійкість до деформації клапанних пружин, що працюють при високих температурах2.
Поверхневі дефекти, деформовані під час дробеструйної обробки в аналізі FE, і поле залишкових напруг, виміряне за допомогою обладнання для рентгенівської дифракції (XRD), були застосовані до підмоделі 2 (рис. 8), щоб зробити висновок про зміну дефектів під час термічної усадки.Пружина була розроблена для роботи в пружному діапазоні, і її стискали від її вільної висоти 50,5 мм до її твердої висоти 21,8 мм, а потім дозволяли повернутися до початкової висоти 50,5 мм як умови аналізу.При термоусадці геометрія дефекту змінюється несуттєво.Мабуть, залишкова напруга стиску 800 МПа і вище, що створюється дробеструйним очищенням, пригнічує деформацію поверхневих дефектів.Після термоусадки (рис. 13) глибина, ширина та довжина поверхневих дефектів змінювалися від -0,13 до 0,08 мкм, від -0,75 до 0 мкм та від 0,01 до 2,4 мкм відповідно.
На рис.16 порівнює деформації U-подібних і V-подібних дефектів однакової глибини (40 мкм), ширини (22 мкм) і довжини (600 мкм).Зміна ширини U-подібних і V-подібних дефектів є більшою, ніж зміна довжини, яка викликана змиканням у напрямку ширини під час холодної прокатки та дробеструйного очищення.Порівняно з U-подібними дефектами, V-подібні дефекти утворилися на відносно більшій глибині та з більш крутими схилами, що свідчить про те, що при застосуванні V-подібних дефектів можна застосувати консервативний підхід.
У цьому розділі розглядається деформація початкового дефекту в лінії OT для кожного процесу виготовлення клапанної пружини.Початковий дефект дроту OT застосовується до внутрішньої сторони пружини клапана, де очікується поломка через високі напруги під час роботи пружини.Поперечні V-подібні поверхневі дефекти проводів ОТ дещо збільшувалися в глибину і довжину і різко зменшувалися в ширину внаслідок вигину при холодному намотуванні.Змикання в напрямку ширини відбувається під час дробеструйної обробки з невеликою або без помітної деформації дефекту під час остаточного термічного схоплювання.У процесі холодної прокатки та дробеструйної обробки відбувається велика деформація в напрямку ширини внаслідок пластичної деформації.V-подібний дефект всередині пружини клапана трансформується в Т-подібний дефект через закриття ширини в процесі холодної прокатки.