Химический компонент спиральной трубки из нержавеющей стали 310, Влияние поверхностных дефектов закаленной в масле стальной проволоки на усталостную долговечность клапанных пружин в автомобильных двигателях

Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Слайдеры, показывающие по три статьи на слайде.Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перемещения по слайдам или кнопки контроллера слайдов в конце для перемещения по каждому слайду.

Гибкие трубы из нержавеющей стали 310/гибкие трубыХимический состави состав

В следующей таблице показан химический состав нержавеющей стали марки 310S.

10*1 мм 9,25*1,24 мм 310 Поставщики капиллярных спиральных трубок из нержавеющей стали

Физические свойства

Физические свойства нержавеющей стали марки 310S представлены в следующей таблице.

Механические свойства

В следующей таблице представлены механические свойства нержавеющей стали марки 310S.

Тепловые свойства

Термические свойства нержавеющей стали марки 310S приведены в следующей таблице.

Другие обозначения

Другие обозначения, эквивалентные нержавеющей стали марки 310S, перечислены в следующей таблице.

Целью настоящего исследования является оценка усталостной долговечности клапанной пружины автомобильного двигателя при нанесении микродефектов на маслозакаленную проволоку марки 2300 МПа (проволока ОТ) с критической глубиной дефекта диаметром 2,5 мм.Сначала с помощью метода конечных элементов с использованием методов субсимуляции была получена деформация поверхностных дефектов проволоки ОТ во время изготовления пружины клапана, а также измерено остаточное напряжение готовой пружины и применено к модели анализа напряжения пружины.Во-вторых, проанализируйте прочность пружины клапана, проверьте наличие остаточного напряжения и сравните уровень приложенного напряжения с дефектами поверхности.В-третьих, влияние микродефектов на усталостную долговечность пружины оценивали путем приложения нагрузки на поверхностные дефекты, полученные в результате анализа прочности пружины, к кривым SN, полученным в результате испытания на усталость при изгибе при вращении проволоки ОТ.Глубина дефектов 40 мкм является текущим стандартом для устранения поверхностных дефектов без ущерба для усталостной долговечности.
Автомобильная промышленность испытывает большой спрос на легкие автомобильные компоненты для повышения топливной эффективности транспортных средств.Таким образом, в последние годы растет использование современной высокопрочной стали (AHSS).Пружины клапанов автомобильных двигателей в основном состоят из термостойких, износостойких и непровисающих стальных проволок, закаленных в масле (проволока ОТ).
Используемые в настоящее время провода ОТ благодаря высокой прочности на разрыв (1900–2100 МПа) позволяют уменьшить размеры и массу клапанных пружин двигателя, повысить топливную экономичность за счет снижения трения с окружающими деталями1.Благодаря этим преимуществам применение высоковольтной катанки быстро увеличивается, и одна за другой появляется сверхвысокопрочная катанка класса 2300МПа.Клапанные пружины в автомобильных двигателях требуют длительного срока службы, поскольку работают в условиях высоких циклических нагрузок.Чтобы удовлетворить этому требованию, при проектировании клапанных пружин производители обычно учитывают усталостную долговечность, превышающую 5,5×107 циклов, и применяют остаточное напряжение к поверхности клапанной пружины посредством процессов дробеструйной обработки и термоусадки для увеличения усталостного срока службы2.
Исследования усталостной долговечности винтовых пружин автомобилей в нормальных условиях эксплуатации проведено немало.Гзал и др.Представлены аналитический, экспериментальный анализ и анализ методом конечных элементов (FE) эллиптических винтовых пружин с малыми углами винтовой линии под действием статической нагрузки.Это исследование дает явное и простое выражение для определения местоположения максимального напряжения сдвига в зависимости от соотношения сторон и индекса жесткости, а также дает аналитическое представление о максимальном напряжении сдвига, важнейшем параметре в практических проектах3.Пасторчич и др.Описаны результаты анализа разрушения и усталости винтовой рессоры, снятой с частного автомобиля после отказа в эксплуатации.Используя экспериментальные методы, была исследована сломанная пружина, и результаты позволяют предположить, что это пример разрушения из-за коррозионной усталости4.отверстие и т. д. Для оценки усталостной долговечности автомобильных винтовых пружин было разработано несколько моделей срока службы пружин с линейной регрессией.Путра и другие.Из-за неровностей дорожного покрытия определяется срок службы винтовой рессоры автомобиля.Однако мало исследований было проведено о том, как дефекты поверхности, возникающие в процессе производства, влияют на срок службы автомобильных винтовых пружин.
Поверхностные дефекты, возникающие в процессе изготовления, могут привести к локальной концентрации напряжений в клапанных пружинах, что существенно снижает их усталостную долговечность.Поверхностные дефекты клапанных пружин вызваны различными факторами, такими как дефекты поверхности используемого сырья, дефекты инструмента, грубое обращение при холодной прокатке7.Поверхностные дефекты сырья имеют круто V-образную форму вследствие горячей прокатки и многопроходной волочения, а дефекты, вызванные формовочным инструментом и неосторожным обращением, имеют U-образную форму с пологими уклонами8,9,10,11.V-образные дефекты вызывают более высокие концентрации напряжений, чем U-образные, поэтому к исходному материалу обычно применяются строгие критерии управления дефектами.
Текущие стандарты управления дефектами поверхности для проводов OT включают ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 и KS D 3580. DIN EN 10270-2 определяет, что глубина поверхностного дефекта для проволоки диаметром 0,5– 10 мм составляет менее 0,5–1% диаметра проволоки.Кроме того, JIS G 3561 и KS D 3580 требуют, чтобы глубина поверхностных дефектов катанки диаметром 0,5–8 мм была менее 0,5 % диаметра проволоки.В соответствии с ASTM A877/A877M-10 производитель и покупатель должны согласовать допустимую глубину поверхностных дефектов.Для измерения глубины дефекта на поверхности проволоки проволоку обычно травят соляной кислотой, а затем измеряют глубину дефекта с помощью микрометра.Однако этот метод позволяет измерить дефекты только на определенных участках, а не на всей поверхности конечного продукта.Поэтому производители используют вихретоковые испытания в процессе волочения проволоки для измерения поверхностных дефектов проволоки, производимой непрерывно;эти тесты позволяют измерить глубину поверхностных дефектов до 40 мкм.Разрабатываемая стальная проволока марки 2300 МПа имеет более высокую прочность на разрыв и меньшее удлинение, чем существующая стальная проволока марки 1900-2200 МПа, поэтому усталостная долговечность клапанной пружины считается очень чувствительной к поверхностным дефектам.Поэтому необходимо проверить безопасность применения существующих норм контроля глубины поверхностных дефектов для стальной проволоки марки 1900-2200 МПа к стальной проволоке марки 2300 МПа.
Целью данного исследования является оценка усталостного ресурса клапанной пружины автомобильного двигателя, когда минимальная глубина дефекта, измеряемая вихретоковым испытанием (т. е. 40 мкм), применяется к проволоке OT класса 2300 МПа (диаметр: 2,5 мм): критический дефект глубина .Вклад и методология данного исследования заключаются в следующем.
В качестве исходного дефекта в проволоке ОТ использовался V-образный дефект, серьезно влияющий на усталостную долговечность, в поперечном направлении относительно оси проволоки.Рассмотрим соотношение размеров (α) и длины (β) поверхностного дефекта, чтобы увидеть влияние его глубины (h), ширины (w) и длины (l).Поверхностные дефекты возникают внутри пружины, где в первую очередь происходит разрушение.
Для прогнозирования деформации исходных дефектов проволоки ОТ при холодной намотке использовался субмоделирующий подход, учитывающий время анализа и размер поверхностных дефектов, поскольку дефекты очень малы по сравнению с проволокой ОТ.глобальная модель.
Остаточные сжимающие напряжения в пружине после двухэтапной дробеструйной обработки рассчитывались методом конечных элементов, результаты сравнивались с измерениями после дробеструйной обработки для подтверждения аналитической модели.Кроме того, были измерены остаточные напряжения в клапанных пружинах всех производственных процессов и использованы для анализа прочности пружины.
Напряжения в поверхностных дефектах прогнозируются путем анализа прочности пружины с учетом деформации дефекта при холодной прокатке и остаточных сжимающих напряжений в готовой пружине.
Испытание на усталость при вращательном изгибе проводилось с использованием проволоки ОТ, изготовленной из того же материала, что и пружина клапана.Чтобы соотнести характеристики остаточного напряжения и шероховатости поверхности изготовленных клапанных пружин с линиями ОТ, кривые SN были получены путем испытаний на усталость при вращательном изгибе после применения двухэтапной дробеструйной обработки и кручения в качестве процессов предварительной обработки.
Результаты анализа прочности пружины применяются к уравнению Гудмана и кривой SN для прогнозирования усталостной долговечности клапанной пружины, а также оценивается влияние глубины поверхностных дефектов на усталостную долговечность.
В этом исследовании проволока марки ОТ 2300 МПа диаметром 2,5 мм использовалась для оценки усталостной долговечности клапанной пружины автомобильного двигателя.Сначала было проведено испытание проволоки на растяжение для получения ее модели пластичного разрушения.
Механические свойства проволоки OT были получены в результате испытаний на растяжение перед анализом методом конечных элементов процесса холодной намотки и прочности пружины.Кривую растяжения материала определяли по результатам испытаний на растяжение при скорости деформации 0,001 с-1, как показано на рис.1. Используется проволока SWONB-V, ее предел текучести, предел прочности, модуль упругости и коэффициент Пуассона составляют 2001,2 МПа, 2316 МПа, 206 ГПа и 0,3 соответственно.Зависимость напряжения от деформации течения получается следующим образом:
Рис.2 иллюстрирует процесс пластического разрушения.Материал подвергается упругопластической деформации во время деформации, и материал сужается, когда напряжение в материале достигает предела прочности.Впоследствии создание, рост и объединение пустот внутри материала приводят к разрушению материала.
Модель вязкого разрушения использует модифицированную под напряжением модель критической деформации, которая учитывает влияние напряжения, а разрушение после образования шейки использует метод накопления повреждений.Здесь инициирование повреждения выражается как функция деформации, трехосности напряжения и скорости деформации.Трехосность напряжений определяется как среднее значение, полученное путем деления гидростатического напряжения, вызванного деформацией материала до образования шейки, на эффективное напряжение.В методе накопления повреждений разрушение происходит, когда значение повреждения достигает 1, а энергия, необходимая для достижения значения повреждения 1, определяется как энергия разрушения (Gf).Энергия разрушения соответствует участку истинной кривой смещения напряжения материала от образования шейки до времени разрушения.
В случае обычных сталей, в зависимости от режима напряжения, пластическое разрушение, сдвиговое разрушение или смешанное разрушение происходит из-за пластичности и сдвигового разрушения, как показано на рисунке 3. Деформация разрушения и трехосность напряжения показали разные значения для картина перелома.
Пластическое разрушение происходит в области, соответствующей трехосности напряжений более 1/3 (зона I), а деформацию разрушения и трехосность напряжений можно определить из испытаний на растяжение образцов с поверхностными дефектами и надрезами.В области, соответствующей трехосности напряжений 0 ~ 1/3 (зона II), происходит сочетание вязкого разрушения и разрушения при сдвиге (т.е. при испытании на кручение. В области, соответствующей трехосности напряжений от -1/3 до 0 (III), разрушение при сдвиге, вызванное сжатием, а также трехосность деформации разрушения и напряжения можно получить путем испытания на осадку.
Для проволок ОТ, используемых при изготовлении клапанных пружин двигателей, необходимо учитывать изломы, вызванные различными условиями нагружения в процессе изготовления и условиями применения.Поэтому были проведены испытания на растяжение и кручение, чтобы применить критерий деформации разрушения, было рассмотрено влияние трехосности напряжения на каждый режим напряжения, а также выполнен упругопластический анализ методом конечных элементов при больших деформациях для количественной оценки изменения трехосности напряжения.Режим сжатия не рассматривался из-за ограничения обработки образца, а именно диаметр проволоки ОТ составляет всего 2,5 мм.В таблице 1 перечислены условия испытаний на растяжение и кручение, а также трехосность напряжений и деформацию разрушения, полученные с помощью анализа методом конечных элементов.
Деформацию разрушения обычных трехосных сталей под напряжением можно спрогнозировать с помощью следующего уравнения.
где C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) чистый разрез (η = 0) и C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Одноосное растяжение (η = η0 = 1/3).
Линии тренда для каждого режима напряжения получаются путем применения значений деформации разрушения C1 и C2 в уравнении.(2);C1 и C2 получены в результате испытаний на растяжение и кручение образцов без поверхностных дефектов.На рисунке 4 показаны трехосность напряжения и деформация разрушения, полученные в результате испытаний, а также линии тренда, предсказанные уравнением.(2) Линия тренда, полученная в результате испытания, и взаимосвязь между трехосностью напряжения и деформацией разрушения демонстрируют аналогичную тенденцию.Деформация разрушения и трехосность напряжений для каждого режима напряжения, полученные с помощью линий тренда, использовались в качестве критериев вязкого разрушения.
Энергия разрыва используется как свойство материала для определения времени разрушения после образования шейки и может быть получена в результате испытаний на растяжение.Энергия разрушения зависит от наличия или отсутствия трещин на поверхности материала, так как время разрушения зависит от концентрации местных напряжений.На рисунках 5а-в показаны энергии разрушения образцов без поверхностных дефектов и образцов с надрезами R0,4 или R0,8 по результатам испытаний на растяжение и анализа методом конечных элементов.Энергия разрушения соответствует площади истинной кривой напряжения-перемещения от шейки до времени разрушения.
Энергия разрушения проволоки ОТ с мелкими поверхностными дефектами была предсказана путем проведения испытаний на растяжение проволоки ОТ с глубиной дефекта более 40 мкм, как показано на рис. 5d.При испытаниях на растяжение использовали десять образцов с дефектами, средняя энергия разрушения была оценена в 29,12 мДж/мм2.
Нормируемый поверхностный дефект определяется как отношение глубины дефекта к диаметру проволоки клапанной пружины независимо от геометрии поверхностного дефекта проволоки ОТ, используемой при изготовлении автомобильных клапанных пружин.Дефекты проводов ОТ можно классифицировать по ориентации, геометрии и длине.Даже при одинаковой глубине дефекта уровень напряжений, действующих на поверхностный дефект пружины, варьируется в зависимости от геометрии и ориентации дефекта, поэтому геометрия и ориентация дефекта могут влиять на усталостную прочность.Следовательно, необходимо учитывать геометрию и ориентацию дефектов, которые оказывают наибольшее влияние на усталостную долговечность пружины, чтобы применять строгие критерии управления поверхностными дефектами.Из-за мелкозернистой структуры проволоки OT ее усталостная долговечность очень чувствительна к надрезам.Следовательно, дефект, который демонстрирует наибольшую концентрацию напряжений в зависимости от геометрии и ориентации дефекта, должен быть установлен в качестве исходного дефекта с использованием анализа методом конечных элементов.На рис.6 показаны сверхвысокопрочные автомобильные клапанные пружины класса 2300 МПа, использованные в этом исследовании.
Поверхностные дефекты проволоки ОТ разделяют на внутренние и внешние дефекты в зависимости от оси пружины.Из-за изгиба при холодной прокатке на внутреннюю и внешнюю часть пружины действуют сжимающее напряжение и растягивающее напряжение соответственно.Причиной разрушения могут быть поверхностные дефекты, возникающие снаружи вследствие растягивающих напряжений при холодной прокатке.
На практике пружина подвергается периодическому сжатию и расслаблению.При сжатии пружины стальная проволока скручивается, и из-за концентрации напряжений напряжение сдвига внутри пружины превышает окружающее напряжение сдвига7.Поэтому при наличии поверхностных дефектов внутри пружины вероятность поломки пружины наибольшая.Таким образом, наружная сторона пружины (место, где ожидается разрушение при изготовлении пружины) и внутренняя сторона (где напряжение наибольшее при реальном применении) устанавливаются как места поверхностных дефектов.
Геометрия поверхностных дефектов линий ОТ делится на U-образную, V-образную, Y-образную и Т-образную форму.Y-тип и Т-тип в основном встречаются в поверхностных дефектах сырья, а дефекты U-типа и V-типа возникают из-за неосторожного обращения с инструментами в процессе холодной прокатки.Что касается геометрии поверхностных дефектов сырья, то П-образные дефекты, возникающие в результате неравномерной пластической деформации при горячей прокатке, при многопроходной вытяжке деформируются в V-образные, Y-образные и Т-образные шовные дефекты8, 10.
Кроме того, V-образные, Y-образные и Т-образные дефекты с крутыми наклонами насечки на поверхности будут подвергаться высокой концентрации напряжений в процессе работы пружины.Клапанные пружины изгибаются при холодной прокатке и скручиваются в процессе эксплуатации.Концентрации напряжений V-образных и Y-образных дефектов с более высокими концентрациями напряжений сравнивались с использованием анализа методом конечных элементов, ABAQUS – коммерческого программного обеспечения для анализа методом конечных элементов.Соотношение напряжение-деформация показано на рисунке 1 и в уравнении 1. (1) В этом моделировании используется двумерный (2D) прямоугольный четырехузловой элемент, а минимальная длина стороны элемента составляет 0,01 мм.Для аналитической модели на 2D-модель проволоки диаметром 2,5 мм и длиной 7,5 мм были нанесены V-образные и Y-образные дефекты глубиной 0,5 мм и наклоном дефекта 2°.
На рис.7а показана концентрация изгибающего напряжения на кончике каждого дефекта, когда к обоим концам каждой проволоки приложен изгибающий момент 1500 Нмм.Результаты анализа показывают, что максимальные напряжения 1038,7 и 1025,8 МПа возникают в вершинах V-образных и Y-образных дефектов соответственно.На рис.7б показана концентрация напряжений в верхней части каждого дефекта, вызванного кручением.Когда левая сторона защемлена и к правой стороне приложен крутящий момент 1500 Н∙мм, то же самое максимальное напряжение 1099 МПа возникает на вершинах V-образных и Y-образных дефектов.Эти результаты показывают, что дефекты V-типа демонстрируют более высокое напряжение изгиба, чем дефекты Y-типа, когда они имеют одинаковую глубину и наклон дефекта, но испытывают одинаковое напряжение скручивания.Следовательно, V-образные и Y-образные поверхностные дефекты с одинаковой глубиной и наклоном дефекта могут быть нормированы на V-образные с более высоким максимальным напряжением, вызванным концентрацией напряжений.Соотношение размеров дефектов V-типа определяется как α = w/h с использованием глубины (h) и ширины (w) дефектов V-типа и Т-типа;таким образом, вместо дефекта Т-типа (α ≈ 0) геометрия может определяться геометрической структурой дефекта V-типа.Следовательно, дефекты Y-типа и Т-типа могут быть нормализованы дефектами V-типа.Используя глубину (h) и длину (l), соотношение длин в противном случае определяется как β = l/h.
Как показано на рисунке 811, направления поверхностных дефектов проводов ОТ делятся на продольные, поперечные и косые направления, как показано на рисунке 811. Анализ влияния ориентации поверхностных дефектов на прочность пружины методом конечных элементов метод.
На рис.9а показана модель анализа напряжения пружины клапана двигателя.В качестве условия анализа пружина была сжата от свободной высоты 50,5 мм до жесткой высоты 21,8 мм, внутри пружины создавалось максимальное напряжение 1086 МПа, как показано на рис. 9б.Поскольку выход из строя реальных клапанных пружин двигателя в основном происходит внутри пружины, ожидается, что наличие дефектов внутренней поверхности серьезно повлияет на усталостный срок службы пружины.Поэтому поверхностные дефекты в продольном, поперечном и наклонном направлениях наносятся на внутреннюю часть клапанных пружин двигателя с использованием методов субмоделирования.В таблице 2 приведены размеры поверхностных дефектов и максимальные напряжения в каждом направлении дефекта при максимальном сжатии пружины.Наибольшие напряжения наблюдались в поперечном направлении, а отношение напряжений в продольном и косом направлениях к поперечному направлению оценивалось как 0,934–0,996.Коэффициент напряжений можно определить, просто разделив это значение на максимальное поперечное напряжение.Максимальное напряжение в пружине возникает в верхней части каждого поверхностного дефекта, как показано на рис. 9с.Значения напряжений, наблюдаемые в продольном, поперечном и косом направлениях, составляют 2045, 2085 и 2049 МПа соответственно.Результаты этих анализов показывают, что поперечные дефекты поверхности оказывают самое непосредственное влияние на усталостную долговечность клапанных пружин двигателя.
В качестве исходного дефекта проволоки ОТ был выбран V-образный дефект, который, как предполагается, самым непосредственным образом влияет на усталостную долговечность клапанной пружины двигателя, а в качестве направления дефекта выбрано поперечное направление.Этот дефект возникает не только снаружи, где при изготовлении сломалась клапанная пружина двигателя, но и внутри, где возникают наибольшие напряжения из-за концентрации напряжений в процессе эксплуатации.Максимальная глубина дефекта установлена ​​на уровне 40 мкм, что может быть обнаружено с помощью вихретоковой дефектоскопии, а минимальная глубина установлена ​​на глубину, соответствующую 0,1% от диаметра проволоки 2,5 мм.Поэтому глубина дефекта составляет от 2,5 до 40 мкм.Глубина, длина и ширина дефектов с соотношением длин 0,1–1 и соотношением длин 5–15 использовались в качестве переменных и оценивалось их влияние на усталостную прочность пружины.В таблице 3 перечислены аналитические условия, определенные с использованием методологии поверхности отклика.
Пружины клапанов автомобильных двигателей изготавливаются методом холодной намотки, отпуска, дробеструйной обработки и термофиксации проволоки ОТ.Изменение дефектов поверхности при изготовлении пружин необходимо учитывать для оценки влияния начальных дефектов поверхности проводов ОТ на усталостную долговечность клапанных пружин двигателя.Поэтому в этом разделе анализ методом конечных элементов используется для прогнозирования деформации дефектов поверхности проволоки ОТ во время изготовления каждой пружины.
На рис.10 показан процесс холодной намотки.Во время этого процесса проволока OT подается в направляющую с помощью подающего ролика.Направляющая проволоки подает и поддерживает проволоку, предотвращая ее изгиб в процессе формовки.Проволока, проходящая через направляющую, сгибается первым и вторым стержнями, образуя винтовую пружину с желаемым внутренним диаметром.Шаг пружины производится перемещением шагового инструмента после одного оборота.
На рис.11а показана конечно-элементная модель, используемая для оценки изменения геометрии поверхностных дефектов во время холодной прокатки.Формирование провода в основном завершается намоточным штифтом.Поскольку оксидный слой на поверхности проволоки действует как смазка, влияние трения подающего ролика незначительно.Поэтому в расчетной модели подающий ролик и направляющая проволоки упрощены в виде втулки.Коэффициент трения между проволокой ОТ и формующим инструментом был установлен равным 0,05.К левому концу линии применяются двумерная плоскость твердого тела и условия фиксации, чтобы ее можно было подавать в направлении X с той же скоростью, что и подающий ролик (0,6 м/с).На рис.11b показан метод субмоделирования, используемый для нанесения небольших дефектов на провода.Для учета размера поверхностных дефектов подмодель применяется дважды для поверхностных дефектов глубиной 20 мкм и более и трижды для поверхностных дефектов глубиной менее 20 мкм.Дефекты поверхности наносятся на участки, образованные с равным шагом.В общей модели пружины длина прямого отрезка проволоки составляет 100 мм.Для первой подмодели примените подмодель 1 длиной 3 мм к продольному положению 75 мм от глобальной модели.В этом моделировании использовался трехмерный (3D) шестиугольный восьмиузловой элемент.В глобальной модели и подмодели 1 минимальная длина стороны каждого элемента составляет 0,5 и 0,2 мм соответственно.После анализа подмодели 1 поверхностные дефекты применяются к подмодели 2, а длина и ширина подмодели 2 в 3 раза превышает длину поверхностного дефекта, чтобы устранить влияние граничных условий подмодели, в Кроме того, 50 % длины и ширины используется в качестве глубины подмодели.В подмодели 2 минимальная длина стороны каждого элемента составляет 0,005 мм.Определенные поверхностные дефекты были применены к анализу методом конечных элементов, как показано в Таблице 3.
На рис.12 показано распределение напряжений в поверхностных трещинах после холодной обработки рулона.Общая модель и подмодель 1 показывают практически одинаковые напряжения 1076 и 1079 МПа в одном и том же месте, что подтверждает корректность метода подмоделирования.Локальные концентрации напряжений возникают на граничных краях подмодели.По-видимому, это связано с граничными условиями подмодели.Из-за концентрации напряжений подмодель 2 с нанесенными поверхностными дефектами показывает напряжение 2449 МПа на вершине дефекта во время холодной прокатки.Как показано в Таблице 3, поверхностные дефекты, выявленные методом поверхности отклика, были нанесены на внутреннюю часть пружины.Результаты конечно-элементного анализа показали, что ни один из 13 случаев дефектов поверхности не вышел из строя.
В процессе навивки во всех технологических процессах глубина поверхностных дефектов внутри пружины увеличилась на 0,1–2,62 мкм (рис. 13а), а ширина уменьшилась на 1,8–35,79 мкм (рис. 13б), а длина увеличилась на 0,72 мкм. –34,47 мкм (рис. 13в).Поскольку поперечный V-образный дефект закрывается по ширине за счет изгиба в процессе холодной прокатки, он деформируется в V-образный дефект с более крутым наклоном, чем исходный дефект.
Деформация по глубине, ширине и длине дефектов поверхности проволоки ОТ в производственном процессе.
Примените поверхностные дефекты к внешней стороне пружины и спрогнозируйте вероятность поломки во время холодной прокатки с помощью анализа методом конечных элементов.В условиях, перечисленных в табл.3, вероятность разрушения дефектов внешней поверхности отсутствует.Другими словами, разрушения не произошло при глубине поверхностных дефектов от 2,5 до 40 мкм.
Для прогнозирования критических поверхностных дефектов исследовались внешние изломы при холодной прокатке путем увеличения глубины дефектов с 40 мкм до 5 мкм.На рис.14 показаны изломы по поверхностным дефектам.Разрушение происходит по глубине (55 мкм), ширине (2 мкм) и длине (733 мкм).Критическая глубина поверхностного дефекта вне пружины оказалась равной 55 мкм.
Процесс дробеструйной обработки подавляет рост трещин и увеличивает усталостную долговечность за счет создания остаточного сжимающего напряжения на определенной глубине от поверхности пружины;однако это вызывает концентрацию напряжений за счет увеличения шероховатости поверхности пружины, тем самым снижая усталостную прочность пружины.Поэтому технология вторичной дробеструйной обработки используется для производства высокопрочных пружин, чтобы компенсировать снижение усталостной долговечности, вызванное увеличением шероховатости поверхности, вызванной дробеструйной обработкой.Двухэтапная дробеструйная обработка может улучшить шероховатость поверхности, максимальное остаточное напряжение сжатия и поверхностное остаточное напряжение сжатия, поскольку вторая дробеструйная обработка выполняется после первой дробеструйной обработки12,13,14.
На рис.15 показана аналитическая модель процесса дробеструйной обработки.Была создана упругопластическая модель, в которой в целевой локальный участок линии ОТ для дробеструйной обработки сбрасывалось 25 дробовых шаров.В модели анализа дробеструйной обработки в качестве исходных дефектов использовались поверхностные дефекты проволоки ОТ, деформированные при холодной намотке.Снятие остаточных напряжений, возникающих в процессе холодной прокатки, путем отпуска перед дробеструйной обработкой.Использовались следующие свойства дробовой сферы: плотность (ρ): 7800 кг/м3, модуль упругости (Е) – 210 ГПа, коэффициент Пуассона (υ): 0,3.Коэффициент трения между шариком и материалом установлен равным 0,1.Дроби диаметром 0,6 и 0,3 мм выбрасывались с одинаковой скоростью 30 м/с при первом и втором проходах ковки.После процесса дробеструйной обработки (среди других производственных процессов, показанных на рисунке 13) глубина, ширина и длина поверхностных дефектов внутри пружины варьировались от -6,79 до 0,28 мкм, от -4,24 до 1,22 мкм и от -2,59 до 1,69 мкм. мкм, соответственно мкм.За счет пластической деформации снаряда, выброшенного перпендикулярно поверхности материала, глубина дефекта уменьшается, в частности, значительно уменьшается ширина дефекта.По всей видимости, дефект закрылся за счет пластической деформации, вызванной дробеструйной обработкой.
В процессе термоусадки на пружину клапана двигателя могут одновременно воздействовать эффекты холодной усадки и низкотемпературного отжига.Холодная настройка максимизирует уровень натяжения пружины, сжимая ее до максимально возможного уровня при комнатной температуре.В этом случае, если пружина клапана двигателя нагружена выше предела текучести материала, пружина клапана двигателя пластически деформируется, увеличивая предел текучести.После пластической деформации клапанная пружина прогибается, но повышенный предел текучести обеспечивает эластичность клапанной пружины в реальной эксплуатации.Низкотемпературный отжиг повышает термостойкость и устойчивость к деформации клапанных пружин, работающих при высоких температурах2.
Поверхностные дефекты, деформированные во время дробеструйной обработки при анализе FE, и поле остаточных напряжений, измеренное с помощью рентгеновского дифракционного оборудования (XRD), были применены к подмодели 2 (рис. 8), чтобы сделать вывод об изменении дефектов во время термоусадки.Пружина была спроектирована для работы в упругом диапазоне и сжималась от свободной высоты 50,5 мм до твердой высоты 21,8 мм, а затем позволяла вернуться к исходной высоте 50,5 мм в качестве условия анализа.При термоусадке геометрия дефекта меняется незначительно.По-видимому, остаточные сжимающие напряжения 800 МПа и выше, создаваемые дробеструйной обработкой, подавляют деформацию поверхностных дефектов.После термоусадки (рис. 13) глубина, ширина и длина поверхностных дефектов варьировались от -0,13 до 0,08 мкм, от -0,75 до 0 мкм и от 0,01 до 2,4 мкм соответственно.
На рис.16 сравниваются деформации U-образных и V-образных дефектов одинаковой глубины (40 мкм), ширины (22 мкм) и длины (600 мкм).Изменение ширины U-образных и V-образных дефектов больше, чем изменение длины, что вызвано смыканием в направлении ширины в процессе холодной прокатки и дробеструйной обработки.По сравнению с U-образными дефектами V-образные дефекты формируются на относительно большей глубине и с более крутыми уклонами, что позволяет предположить возможность применения консервативного подхода при применении V-образных дефектов.
В этом разделе обсуждается деформация исходного дефекта линии ОТ для каждого процесса изготовления клапанной пружины.Первоначальный дефект провода ОТ возникает на внутренней стороне пружины клапана, где ожидается выход из строя из-за высоких напряжений во время работы пружины.Поперечные V-образные поверхностные дефекты проводов ОТ незначительно увеличились в глубину и длину и резко уменьшились в ширину вследствие изгиба при холодной намотке.Смыкание в направлении ширины происходит во время дробеструйной обработки с незначительной деформацией дефекта или без нее во время окончательной термофиксации.В процессе холодной прокатки и дробеструйной обработки возникает большая деформация в направлении ширины за счет пластической деформации.V-образный дефект внутри клапанной пружины трансформируется в Т-образный дефект из-за смыкания ширины в процессе холодной прокатки.