Compoñente químico de tubo de bobina de aceiro inoxidable 310, Efecto dos defectos superficiais do fío de aceiro endurecido ao aceite na vida útil dos resortes de válvulas en motores de automoción

Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Control deslizante que mostra tres artigos por diapositiva.Usa os botóns atrás e seguinte para moverte polas diapositivas ou os botóns do controlador de diapositivas ao final para moverte por cada diapositiva.

Tubos en espiral de aceiro inoxidable 310/tubo enroladoComposición Químicae composición

A seguinte táboa mostra a composición química do aceiro inoxidable 310S.

10*1mm 9,25*1,24 mm 310 provedores de tubos enrolados capilares de aceiro inoxidable

Propiedades físicas

As propiedades físicas do aceiro inoxidable 310S móstranse na seguinte táboa.

Propiedades mecánicas

A seguinte táboa describe as propiedades mecánicas do aceiro inoxidable 310S.

Propiedades térmicas

As propiedades térmicas do aceiro inoxidable 310S están indicadas na seguinte táboa.

Outras Denominacións

Outras designacións equivalentes ao aceiro inoxidable 310S están listadas na seguinte táboa.

O propósito deste estudo é avaliar a vida á fatiga dun resorte de válvulas dun motor de automóbil ao aplicar microdefectos a un fío endurecido por aceite de grao 2300 MPa (fío OT) cunha profundidade de defecto crítica de 2,5 mm de diámetro.En primeiro lugar, a deformación dos defectos da superficie do fío OT durante a fabricación do resorte da válvula obtívose mediante análise de elementos finitos mediante métodos de subsimulación, e mediuse a tensión residual do resorte acabado e aplicouse ao modelo de análise da tensión do resorte.En segundo lugar, analice a forza do resorte da válvula, comprobe a tensión residual e compare o nivel de tensión aplicada coas imperfeccións da superficie.En terceiro lugar, avaliouse o efecto dos microdefectos na vida de fatiga do resorte aplicando a tensión nos defectos superficiais obtidos da análise da resistencia do resorte ás curvas SN obtidas da proba de fatiga por flexión durante a rotación do fío OT.Unha profundidade de defecto de 40 µm é o estándar actual para xestionar defectos de superficie sen comprometer a vida útil á fatiga.
A industria do automóbil ten unha forte demanda de compoñentes lixeiros para mellorar a eficiencia do combustible dos vehículos.Así, o uso de aceiro avanzado de alta resistencia (AHSS) foi aumentando nos últimos anos.Os resortes de válvulas do motor de automóbiles consisten principalmente en fíos de aceiro endurecido ao aceite (fíos OT) resistentes á calor, resistentes ao desgaste e que non se flanquean.
Debido á súa alta resistencia á tracción (1900–2100 MPa), os fíos OT utilizados actualmente permiten reducir o tamaño e a masa dos resortes das válvulas do motor, mellorar a eficiencia do combustible reducindo a fricción coas pezas circundantes1.Debido a estas vantaxes, o uso de arame de alta tensión está aumentando rapidamente e un arame de alta resistencia de clase 2300MPa aparece un tras outro.Os resortes de válvulas dos motores de automóbiles requiren unha longa vida útil porque operan baixo cargas cíclicas elevadas.Para cumprir este requisito, os fabricantes adoitan considerar a vida á fatiga superior a 5,5 × 107 ciclos cando deseñan resortes de válvulas e aplican tensión residual á superficie do resorte da válvula mediante procesos de granallado e encollemento térmico para mellorar a vida útil2.
Realizáronse bastantes estudos sobre a vida útil dos resortes helicoidais en vehículos en condicións normais de funcionamento.Gzal et al.Preséntanse análises analíticas, experimentais e de elementos finitos (FE) de resortes helicoidais elípticos con pequenos ángulos de hélice baixo carga estática.Este estudo proporciona unha expresión explícita e sinxela para a localización do esforzo cortante máximo fronte á relación de aspecto e o índice de rixidez, e tamén proporciona unha visión analítica do esforzo cortante máximo, un parámetro crítico nos deseños prácticos3.Pastorcic et al.Descríbense os resultados da análise da destrución e fatiga dun resorte helicoidal retirado dun coche privado tras unha falla de funcionamento.Usando métodos experimentais, examinouse un resorte roto e os resultados suxiren que este é un exemplo de falla por fatiga por corrosión4.burato, etc. Desenvolvéronse varios modelos de regresión lineal de vida útil dos resortes para avaliar a vida á fatiga dos resortes helicoidais de automóbiles.Putra e outros.Debido ao desnivel da superficie da estrada, determínase a vida útil do resorte helicoidal do coche.Porén, pouca investigación se realizou sobre como os defectos de superficie que se producen durante o proceso de fabricación afectan á vida útil dos resortes helicoidais dos automóbiles.
Os defectos na superficie que se producen durante o proceso de fabricación poden provocar unha concentración local de tensión nos resortes de válvulas, o que reduce significativamente a súa vida útil á fatiga.Os defectos na superficie dos resortes de válvulas son causados ​​por varios factores, como defectos na superficie das materias primas utilizadas, defectos nas ferramentas, manipulación ruda durante o laminado en frío7.Os defectos da superficie da materia prima teñen forma de V pronunciada debido á laminación en quente e ao debuxo de varias pasadas, mentres que os defectos causados ​​pola ferramenta de conformación e a manipulación descoidada teñen forma de U con pendentes suaves8,9,10,11.Os defectos en forma de V provocan concentracións de tensión máis altas que os defectos en forma de U, polo que adoitan aplicarse criterios estritos de xestión de defectos ao material de partida.
Os estándares actuais de xestión de defectos de superficie para cables OT inclúen ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 e KS D 3580. A DIN EN 10270-2 especifica que a profundidade dun defecto superficial en diámetros de fíos de 0,5– 10 mm son menos do 0,5-1% do diámetro do fío.Ademais, JIS G 3561 e KS D 3580 esixen que a profundidade dos defectos de superficie no arame cun diámetro de 0,5-8 mm sexa inferior ao 0,5% do diámetro do fío.En ASTM A877/A877M-10, o fabricante e o comprador deben acordar a profundidade permitida dos defectos de superficie.Para medir a profundidade dun defecto na superficie dun fío, o fío adoita ser gravado con ácido clorhídrico e, a continuación, a profundidade do defecto mídese cun micrómetro.Non obstante, este método só pode medir defectos en determinadas áreas e non en toda a superficie do produto final.Polo tanto, os fabricantes usan probas de corrente de Foucault durante o proceso de trefilado para medir os defectos de superficie nos cables producidos continuamente;estas probas poden medir a profundidade dos defectos de superficie ata 40 µm.O fío de aceiro de grao 2300MPa en desenvolvemento ten maior resistencia á tracción e menor alongamento que o fío de aceiro de grao 1900-2200MPa existente, polo que se considera que a vida útil do resorte da chave é moi sensible aos defectos da superficie.Polo tanto, é necesario comprobar a seguridade da aplicación dos estándares existentes para controlar a profundidade dos defectos de superficie para o fío de aceiro de grao 1900-2200 MPa ata o de fío de aceiro de grao 2300 MPa.
O propósito deste estudo é avaliar a vida á fatiga dun resorte de válvulas de motor de automóbil cando a profundidade mínima de falla medible mediante probas de corrente de Foucault (é dicir, 40 µm) se aplica a un fío OT de grao 2300 MPa (diámetro: 2,5 mm): defecto crítico profundidade .A contribución e a metodoloxía deste estudo son as seguintes.
Como defecto inicial do fío OT, utilizouse un defecto en forma de V, que afecta gravemente a vida á fatiga, na dirección transversal con respecto ao eixe do fío.Considere a relación entre as dimensións (α) e a lonxitude (β) dun defecto superficial para ver o efecto da súa profundidade (h), ancho (w) e lonxitude (l).Os defectos na superficie prodúcense dentro do resorte, onde se produce primeiro o fallo.
Para predicir a deformación dos defectos iniciais no fío OT durante o bobinado en frío, utilizouse un enfoque de subsimulación, que tivo en conta o tempo de análise e o tamaño dos defectos de superficie, xa que os defectos son moi pequenos en comparación co fío OT.modelo global.
As tensións de compresión residuais na primavera despois do granallado en dúas etapas calculáronse polo método de elementos finitos, os resultados comparáronse coas medicións despois do granallado para confirmar o modelo analítico.Ademais, medironse as tensións residuais en resortes de válvulas de todos os procesos de fabricación e aplicáronse á análise da resistencia dos resortes.
Os esforzos nos defectos superficiais predínse analizando a resistencia do resorte, tendo en conta a deformación do defecto durante a laminación en frío e o esforzo de compresión residual no resorte acabado.
A proba de fatiga por flexión en rotación realizouse utilizando un fío OT feito do mesmo material que o resorte da válvula.Co fin de correlacionar a tensión residual e as características de rugosidade superficial dos resortes de válvula fabricados coas liñas OT, obtivéronse curvas SN mediante probas de fatiga por flexión rotatoria despois de aplicar granallado e torsión en dúas etapas como procesos de pretratamento.
Os resultados da análise da resistencia do resorte aplícanse á ecuación de Goodman e á curva SN para predecir a vida á fatiga do resorte da válvula, e tamén se avalía o efecto da profundidade do defecto superficial sobre a vida á fatiga.
Neste estudo, utilizouse un fío de calidade OT de 2300 MPa cun diámetro de 2,5 mm para avaliar a vida á fatiga dun resorte de válvulas de motor de automóbil.En primeiro lugar, realizouse unha proba de tracción do fío para obter o seu modelo de fractura dúctil.
As propiedades mecánicas do fío OT obtivéronse a partir de ensaios de tracción previos á análise de elementos finitos do proceso de enrolamento en frío e da resistencia do resorte.A curva tensión-deformación do material determinouse mediante os resultados de ensaios de tracción a unha taxa de deformación de 0,001 s-1, como se mostra na fig.1. Emprégase o fío SWONB-V e a súa resistencia á fluencia, resistencia á tracción, módulo elástico e relación de Poisson son 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa e 0,3 respectivamente.A dependencia da tensión sobre a tensión do fluxo obtense do seguinte xeito:
Arroz.2 ilustra o proceso de fractura dúctil.O material sofre deformación elastoplástica durante a deformación, e o material estréitase cando a tensión no material alcanza a súa resistencia á tracción.Posteriormente, a creación, crecemento e asociación de baleiros dentro do material conducen á destrución do material.
O modelo de fractura dúctil utiliza un modelo de deformación crítica modificada pola tensión que ten en conta o efecto da tensión, e a fractura posterior ao pescozo utiliza o método de acumulación de danos.Aquí, a iniciación do dano exprésase como unha función da tensión, a triaxialidade do esforzo e a taxa de tensión.A triaxialidade de tensión defínese como o valor medio obtido ao dividir o esforzo hidrostático causado pola deformación do material ata a formación do pescozo polo esforzo efectivo.No método de acumulación de danos, a destrución ocorre cando o valor da dano chega a 1, e a enerxía necesaria para alcanzar o valor de dano de 1 defínese como a enerxía de destrución (Gf).A enerxía de fractura corresponde á rexión da verdadeira curva de esforzo-desprazamento do material desde o pescozo ata o tempo de fractura.
No caso dos aceiros convencionais, dependendo do modo de tensión, prodúcese a fractura dúctil, a fractura por cizalla ou a fractura en modo mixto debido á ductilidade e á fractura por cizallamento, como se mostra na figura 3. A deformación de fractura e a triaxialidade de tensión mostraron diferentes valores para o patrón de fractura.
A falla plástica prodúcese nunha rexión correspondente a unha triaxialidade de esforzos de máis de 1/3 (zona I), e a deformación de fractura e a triaxialidade de esforzos pódense deducir dos ensaios de tracción en mostras con defectos de superficie e muescas.Na área correspondente á triaxialidade de esforzos de 0 ~ 1/3 (zona II), prodúcese unha combinación de fractura dúctil e falla por cizallamento (é dicir, mediante un ensaio de torsión. Na área correspondente á triaxialidade de esforzos de -1/3 a 0). (III), a falla por cizallamento causada pola compresión e a deformación de fractura e a triaxialidade de tensión pódense obter mediante proba de revolta.
Para os fíos OT utilizados na fabricación de resortes de válvulas do motor, é necesario ter en conta as fracturas causadas por varias condicións de carga durante o proceso de fabricación e as condicións de aplicación.Polo tanto, realizáronse ensaios de tracción e torsión para aplicar o criterio de deformación por rotura, considerouse o efecto da triaxialidade de tensión en cada modo de tensión e realizouse a análise de elementos finitos elastoplásticos a grandes deformacións para cuantificar o cambio na triaxialidade de tensión.Non se considerou o modo de compresión debido á limitación do procesamento da mostra, é dicir, o diámetro do fío OT é de só 2,5 mm.Na Táboa 1 recóllense as condicións de ensaio para a tracción e torsión, así como a triaxialidade de esforzos e a deformación de fractura, obtidas mediante a análise de elementos finitos.
A deformación de fractura dos aceiros triaxiais convencionais baixo tensión pódese predicir mediante a seguinte ecuación.
onde C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) corte limpo (η = 0) e C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tensión uniaxial (η = η0 = 1/3).
As liñas de tendencia para cada modo de tensión obtéñense aplicando os valores de tensión de fractura C1 e C2 na ecuación.(2);C1 e C2 obtéñense a partir de ensaios de tracción e torsión en mostras sen defectos na superficie.A figura 4 mostra a triaxialidade de esforzos e a deformación de fractura obtidas dos ensaios e as liñas de tendencia previstas pola ecuación.(2) A liña de tendencia obtida a partir da proba e a relación entre a triaxialidade do esforzo e a deformación da fractura mostran unha tendencia similar.Utilizáronse como criterios para a fractura dúctil a deformación de fractura e a triaxialidade de esforzos para cada modo de tensión, obtidas da aplicación de liñas de tendencia.
A enerxía de rotura utilízase como propiedade do material para determinar o tempo de rotura despois do pescozo e pódese obter mediante ensaios de tracción.A enerxía de fractura depende da presenza ou ausencia de gretas na superficie do material, xa que o tempo de fractura depende da concentración de esforzos locais.As figuras 5a-c mostran as enerxías de fractura de mostras sen defectos de superficie e mostras con muescas R0,4 ou R0,8 de ensaios de tracción e análise de elementos finitos.A enerxía de fractura corresponde á área da verdadeira curva de desprazamento de tensión desde o pescozo ata o tempo de fractura.
A enerxía de fractura dun fío OT con defectos de superficie fino foi prevista mediante a realización de probas de tracción nun fío OT cunha profundidade de defecto superior a 40 µm, como se mostra na figura 5d.Nos ensaios de tracción utilizáronse dez exemplares con defectos e a enerxía media de fractura estimouse en 29,12 mJ/mm2.
O defecto de superficie normalizado defínese como a relación entre a profundidade do defecto e o diámetro do fío do resorte da chave, independentemente da xeometría do defecto superficial do fío OT utilizado na fabricación de resortes de chave de automóbiles.Os defectos do fío OT pódense clasificar en función da orientación, xeometría e lonxitude.Mesmo coa mesma profundidade do defecto, o nivel de tensión que actúa sobre un defecto superficial nun resorte varía dependendo da xeometría e orientación do defecto, polo que a xeometría e a orientación do defecto poden afectar á resistencia á fatiga.Polo tanto, cómpre ter en conta a xeometría e a orientación dos defectos que máis inciden na vida a fatiga dun resorte para aplicar criterios estritos para a xestión dos defectos superficiais.Debido á estrutura de gran fino do fío OT, a súa vida útil é moi sensible ás muescas.Polo tanto, o defecto que presenta a maior concentración de tensión segundo a xeometría e a orientación do defecto debería establecerse como defecto inicial mediante a análise de elementos finitos.Sobre a fig.A figura 6 mostra os resortes de válvulas de automoción de clase 2300 MPa de ultra alta resistencia utilizados neste estudo.
Os defectos de superficie do fío OT divídense en defectos internos e defectos externos segundo o eixe do resorte.Debido á flexión durante a laminación en frío, a tensión de compresión e a tensión de tracción actúan no interior e no exterior do resorte, respectivamente.A ruptura pode ser causada por defectos da superficie que aparecen desde o exterior debido ás tensións de tracción durante o laminado en frío.
Na práctica, o resorte está sometido a compresión e relaxación periódicas.Durante a compresión do resorte, o fío de aceiro retorce e, debido á concentración de esforzos, o esforzo cortante dentro do resorte é maior que o esforzo cortante circundante7.Polo tanto, se hai defectos na superficie dentro do resorte, a probabilidade de que se rompa é maior.Así, o lado exterior do resorte (o lugar onde se espera falla durante a fabricación do resorte) e o lado interior (onde a tensión é maior na aplicación real) fíxanse como localizacións dos defectos da superficie.
A xeometría de defectos de superficie das liñas OT divídese en forma de U, forma de V, forma de Y e forma de T.O tipo Y e o tipo T existen principalmente nos defectos de superficie das materias primas, e os defectos de tipo U e V ocorren debido ao manexo descoidado das ferramentas no proceso de laminación en frío.No que se refire á xeometría dos defectos superficiais das materias primas, os defectos en forma de U derivados da deformación plástica non uniforme durante a laminación en quente defórmanse en defectos de costura en forma de V, Y e T baixo estiramento de varias pasadas8, 10.
Ademais, os defectos en forma de V, Y e T con inclinacións pronunciadas da muesca na superficie estarán sometidos a unha alta concentración de tensión durante o funcionamento do resorte.Os resortes das válvulas dóbranse durante a laminación en frío e tórdense durante o funcionamento.Comparáronse as concentracións de tensión de defectos en forma de V e Y con concentracións de tensión máis altas mediante análise de elementos finitos, ABAQUS - software comercial de análise de elementos finitos.A relación tensión-deformación móstrase na Figura 1 e na Ecuación 1. (1) Esta simulación usa un elemento rectangular bidimensional (2D) de catro nós, e a lonxitude mínima do lado do elemento é de 0,01 mm.Para o modelo analítico, aplicáronse defectos en forma de V e Y cunha profundidade de 0,5 mm e unha inclinación do defecto de 2 ° a un modelo 2D dun fío cun diámetro de 2,5 mm e unha lonxitude de 7,5 mm.
Sobre a fig.A figura 7a mostra a concentración de tensión de flexión na punta de cada defecto cando se aplica un momento de flexión de 1500 Nmm a ambos os dous extremos de cada fío.Os resultados da análise mostran que as tensións máximas de 1038,7 e 1025,8 MPa ocorren na parte superior dos defectos en forma de V e Y, respectivamente.Sobre a fig.A figura 7b mostra a concentración de esforzos na parte superior de cada defecto causado pola torsión.Cando o lado esquerdo está restrinxido e se aplica un par de torsión de 1500 N∙mm ao lado dereito, a mesma tensión máxima de 1099 MPa ocorre nas puntas dos defectos en forma de V e Y.Estes resultados mostran que os defectos de tipo V presentan un esforzo de flexión maior que os defectos de tipo Y cando teñen a mesma profundidade e pendente do defecto, pero experimentan o mesmo esforzo de torsión.Polo tanto, os defectos superficiais en forma de V e en forma de Y coa mesma profundidade e inclinación do defecto pódense normalizar a outros en forma de V cun maior esforzo máximo causado pola concentración de tensión.A relación de tamaño do defecto tipo V defínese como α = w/h utilizando a profundidade (h) e o ancho (w) dos defectos do tipo V e do tipo T;así, un defecto de tipo T (α ≈ 0) en cambio, a xeometría pódese definir pola estrutura xeométrica dun defecto de tipo V.Polo tanto, os defectos de tipo Y e de tipo T pódense normalizar mediante defectos de tipo V.Usando profundidade (h) e lonxitude (l), a relación de lonxitude defínese doutro xeito como β = l/h.
Como se mostra na Figura 811, as direccións dos defectos de superficie dos fíos OT divídense en direccións lonxitudinais, transversais e oblicuas, como se mostra na Figura 811. Análise da influencia da orientación dos defectos de superficie na forza do resorte por parte do elemento finito método.
Sobre a fig.A figura 9a mostra o modelo de análise da tensión do resorte da válvula do motor.Como condición de análise, o resorte foi comprimido desde unha altura libre de 50,5 mm ata unha altura dura de 21,8 mm, xerando unha tensión máxima de 1086 MPa dentro do resorte, como se mostra na figura 9b.Dado que a falla dos resortes da válvula do motor realízase principalmente dentro do resorte, espérase que a presenza de defectos na superficie interna afecte seriamente á vida útil do resorte.Polo tanto, os defectos de superficie nas direccións lonxitudinais, transversais e oblicuas aplícanse ao interior dos resortes das válvulas do motor mediante técnicas de submodelación.A táboa 2 mostra as dimensións dos defectos de superficie e a tensión máxima en cada dirección do defecto na máxima compresión do resorte.Os esforzos máis altos observáronse na dirección transversal, e a relación de esforzos nas direccións lonxitudinal e oblicua coa dirección transversal estimouse en 0,934-0,996.A relación de tensión pódese determinar simplemente dividindo este valor polo esforzo transversal máximo.A tensión máxima no resorte prodúcese na parte superior de cada defecto superficial, como se mostra na figura 9s.Os valores de tensión observados nas direccións lonxitudinal, transversal e oblicua son 2045, 2085 e 2049 MPa, respectivamente.Os resultados destas análises mostran que os defectos transversais da superficie teñen o efecto máis directo sobre a vida útil dos resortes das válvulas do motor.
Como defecto inicial do fío OT escolleuse un defecto en forma de V, que se supón que afecta máis directamente a vida á fatiga do resorte da válvula do motor, e escolleuse a dirección transversal como a dirección do defecto.Este defecto ocorre non só no exterior, onde o resorte da válvula do motor rompeu durante a fabricación, senón tamén no interior, onde se produce o maior estrés debido á concentración de tensión durante a operación.A profundidade máxima do defecto está definida en 40 µm, que se pode detectar mediante a detección de fallos por corrente de Foucault, e a profundidade mínima establécese nunha profundidade correspondente ao 0,1 % do diámetro do fío de 2,5 mm.Polo tanto, a profundidade do defecto é de 2,5 a 40 µm.Utilizáronse como variables a profundidade, lonxitude e ancho dos defectos cunha relación de lonxitude de 0,1 ~ 1 e unha relación de lonxitude de 5 ~ 15, e avaliouse o seu efecto sobre a resistencia á fatiga do resorte.A táboa 3 recolle as condicións analíticas determinadas mediante a metodoloxía da superficie de resposta.
Os resortes de válvulas do motor de automóbiles están fabricados mediante bobinado en frío, temperado, granallado e axuste de calor do fío OT.Os cambios nos defectos de superficie durante a fabricación de resortes deben terse en conta para avaliar o efecto dos defectos de superficie iniciais nos fíos OT sobre a vida útil dos resortes das válvulas do motor.Polo tanto, nesta sección utilízase a análise de elementos finitos para predicir a deformación dos defectos da superficie do fío OT durante a fabricación de cada resorte.
Sobre a fig.A figura 10 mostra o proceso de enrolamento en frío.Durante este proceso, o fío OT introdúcese na guía de fío polo rolo de alimentación.A guía de fío alimenta e soporta o fío para evitar que se dobra durante o proceso de conformación.O fío que pasa pola guía do fío é dobrado pola primeira e segunda varillas para formar un resorte helicoidal co diámetro interior desexado.O paso do resorte prodúcese movendo a ferramenta de paso despois dunha revolución.
Sobre a fig.A figura 11a mostra un modelo de elementos finitos usado para avaliar o cambio na xeometría dos defectos superficiais durante a laminación en frío.A formación do fío complétase principalmente polo pasador de enrolamento.Dado que a capa de óxido na superficie do fío actúa como lubricante, o efecto de fricción do rolo de alimentación é insignificante.Polo tanto, no modelo de cálculo, o rolo de alimentación e a guía do fío simplifícanse como un casquillo.O coeficiente de fricción entre o fío OT e a ferramenta de conformación estableceuse en 0,05.O plano do corpo ríxido 2D e as condicións de fixación aplícanse ao extremo esquerdo da liña para que poida alimentarse na dirección X á mesma velocidade que o rolo de alimentación (0,6 m/s).Sobre a fig.A figura 11b mostra o método de subsimulación empregado para aplicar pequenos defectos aos fíos.Para ter en conta o tamaño dos defectos de superficie, o submodelo aplícase dúas veces para defectos de superficie cunha profundidade de 20 µm ou máis e tres veces para defectos de superficie cunha profundidade inferior a 20 µm.Os defectos de superficie aplícanse a áreas formadas con pasos iguais.No modelo xeral do resorte, a lonxitude do fío recto é de 100 mm.Para o primeiro submodelo, aplique o submodelo 1 cunha lonxitude de 3 mm nunha posición lonxitudinal de 75 mm do modelo global.Esta simulación utilizou un elemento tridimensional (3D) hexagonal de oito nós.No modelo global e no submodelo 1, a lonxitude mínima dos lados de cada elemento é de 0,5 e 0,2 mm, respectivamente.Despois da análise do submodelo 1, os defectos de superficie aplícanse ao submodelo 2, e a lonxitude e ancho do submodelo 2 é 3 veces a lonxitude do defecto de superficie para eliminar a influencia das condicións de contorno do submodelo, en Ademais, o 50% da lonxitude e do ancho utilízase como profundidade do submodelo.No submodelo 2, a lonxitude mínima do lado de cada elemento é de 0,005 mm.Aplicáronse certos defectos de superficie á análise de elementos finitos como se mostra na táboa 3.
Sobre a fig.A figura 12 mostra a distribución da tensión nas fendas superficiais despois do traballo en frío dunha bobina.O modelo xeral e o submodelo 1 mostran case as mesmas tensións de 1076 e 1079 MPa no mesmo lugar, o que confirma a corrección do método de submodelo.As concentracións locais de tensión ocorren nos bordos límite do submodelo.Ao parecer, isto débese ás condicións de contorno do submodelo.Debido á concentración de tensión, o submodelo 2 con defectos de superficie aplicados mostra unha tensión de 2449 MPa na punta do defecto durante a laminación en frío.Como se mostra na táboa 3, os defectos de superficie identificados polo método da superficie de resposta aplicáronse ao interior do resorte.Os resultados da análise de elementos finitos mostraron que ningún dos 13 casos de defectos de superficie fallou.
Durante o proceso de enrolamento en todos os procesos tecnolóxicos, a profundidade dos defectos de superficie dentro do resorte aumentou en 0,1-2,62 µm (Fig. 13a), e o ancho diminuíu en 1,8-35,79 µm (Fig. 13b), mentres que a lonxitude aumentou en 0,72 µm. –34,47 µm (Fig. 13c).Dado que o defecto transversal en forma de V péchase de ancho por flexión durante o proceso de laminación en frío, defórmase nun defecto en forma de V cunha pendente máis pronunciada que o defecto orixinal.
Deformación en profundidade, ancho e lonxitude dos defectos da superficie do fío OT no proceso de fabricación.
Aplique os defectos de superficie ao exterior do resorte e prevé a probabilidade de rotura durante a laminación en frío mediante a análise de elementos finitos.Nas condicións indicadas na táboa.3, non hai probabilidade de destrución de defectos na superficie exterior.Noutras palabras, non se produciu ningunha destrución á profundidade dos defectos superficiais de 2,5 a 40 µm.
Para predicir defectos de superficie críticos, investigáronse as fracturas externas durante a laminación en frío aumentando a profundidade do defecto de 40 µm a 5 µm.Sobre a fig.14 mostra fracturas ao longo de defectos superficiais.A fractura prodúcese en condicións de profundidade (55 µm), ancho (2 µm) e lonxitude (733 µm).A profundidade crítica dun defecto superficial fóra do resorte resultou ser de 55 μm.
O proceso de granallado suprime o crecemento de fisuras e aumenta a vida á fatiga creando un esforzo de compresión residual a certa profundidade desde a superficie do resorte;porén, induce a concentración de esforzos aumentando a rugosidade superficial do resorte, reducindo así a resistencia á fatiga do resorte.Polo tanto, a tecnoloxía de granallado secundario utilízase para producir resortes de alta resistencia para compensar a redución da vida útil pola fatiga causada polo aumento da rugosidade da superficie causada polo granallado.O granallado en dúas etapas pode mellorar a rugosidade da superficie, a tensión residual máxima de compresión e a tensión residual de compresión superficial porque o segundo granallado realízase despois do primeiro granallado12,13,14.
Sobre a fig.A figura 15 mostra un modelo analítico do proceso de granallado.Creouse un modelo de plástico elástico no que se lanzaron 25 bolas de tiro na área local obxectivo da liña OT para o granallado.No modelo de análise de granallado utilizáronse como defectos iniciais os defectos da superficie do fío OT deformado durante o enrolamento en frío.Eliminación de tensións residuais derivadas do proceso de laminación en frío por revenido antes do proceso de granallado.Utilizáronse as seguintes propiedades da esfera de tiro: densidade (ρ): 7800 kg/m3, módulo elástico (E) – 210 GPa, relación de Poisson (υ): 0,3.O coeficiente de rozamento entre a bola e o material establécese en 0,1.Os tiros cun diámetro de 0,6 e 0,3 mm foron expulsados ​​á mesma velocidade de 30 m/s durante a primeira e segunda pasada de forxa.Despois do proceso de granallado (entre outros procesos de fabricación que se mostran na Figura 13), a profundidade, ancho e lonxitude dos defectos de superficie dentro do resorte variou de -6,79 a 0,28 µm, de -4,24 a 1,22 µm e de -2,59 a 1,69 µm. µm, respectivamente µm.Debido á deformación plástica do proxectil expulsado perpendicularmente á superficie do material, a profundidade do defecto diminúe, en particular, o ancho do defecto redúcese significativamente.Ao parecer, o defecto foi pechado debido á deformación plástica provocada polo granallado.
Durante o proceso de contracción térmica, os efectos da contracción en frío e do recocido a baixa temperatura poden actuar ao mesmo tempo sobre o resorte da válvula do motor.Unha configuración en frío maximiza o nivel de tensión do resorte comprimiéndoo ata o seu nivel máis alto posible a temperatura ambiente.Neste caso, se o resorte da chave do motor está cargado por riba do límite de fluencia do material, o resorte da chave do motor defórmase plasticamente, aumentando o límite de fluencia.Despois da deformación plástica, o resorte da chave flexiona, pero o aumento da forza de fluencia proporciona a elasticidade do resorte da chave no funcionamento real.O recocido a baixa temperatura mellora a resistencia á calor e á deformación dos resortes de válvulas que operan a altas temperaturas2.
Os defectos de superficie deformados durante o granallado na análise FE e o campo de tensión residual medido con equipos de difracción de raios X (XRD) aplicáronse ao submodelo 2 (Fig. 8) para inferir o cambio nos defectos durante a contracción térmica.O resorte foi deseñado para funcionar no rango elástico e foi comprimido desde a súa altura libre de 50,5 mm ata a súa altura firme de 21,8 mm e despois permitiu volver á súa altura orixinal de 50,5 mm como condición de análise.Durante a contracción térmica, a xeometría do defecto cambia de forma insignificante.Ao parecer, o esforzo de compresión residual de 800 MPa e superior, creado por granalla, suprime a deformación dos defectos da superficie.Despois da contracción térmica (Fig. 13), a profundidade, ancho e lonxitude dos defectos de superficie variaron de -0,13 a 0,08 µm, de -0,75 a 0 µm e de 0,01 a 2,4 µm, respectivamente.
Sobre a fig.16 compara as deformacións de defectos en forma de U e V da mesma profundidade (40 µm), ancho (22 µm) e lonxitude (600 µm).O cambio de ancho dos defectos en forma de U e V é maior que o cambio de lonxitude, que se produce polo peche na dirección do ancho durante o proceso de laminación en frío e granallado.En comparación cos defectos en forma de U, os defectos en forma de V formáronse a unha profundidade relativamente maior e con pendentes máis pronunciadas, o que suxire que se pode adoptar un enfoque conservador cando se aplican defectos en forma de V.
Esta sección analiza a deformación do defecto inicial na liña OT para cada proceso de fabricación de resortes de válvula.O defecto inicial do fío OT aplícase ao interior do resorte da válvula onde se espera un fallo debido ás altas tensións durante a operación do resorte.Os defectos transversais de superficie en forma de V dos fíos OT aumentaron lixeiramente en profundidade e lonxitude e diminuíron drasticamente en ancho debido á flexión durante o enrolamento en frío.O peche na dirección da anchura prodúcese durante o granallado con pouca ou ningunha deformación de defectos notables durante o termo final.No proceso de laminación en frío e granallado, hai unha gran deformación na dirección do ancho debido á deformación plástica.O defecto en forma de V dentro do resorte da válvula transfórmase nun defecto en forma de T debido ao peche de ancho durante o proceso de laminación en frío.