Хімічны кампанент спіральнай трубы з нержавеючай сталі 310, уплыў паверхневых дэфектаў сталёвага дроту, загартаванага ў алеі, на тэрмін службы клапанных спружын у аўтамабільных рухавіках.

Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Паўзункі, якія паказваюць тры артыкулы на слайдзе.Для перамяшчэння па слайдах выкарыстоўвайце кнопкі "Назад" і "Далей" або кнопкі кантролера слайдаў у канцы для перамяшчэння па кожным слайдзе.

Спіральныя трубы з нержавеючай сталі 310 / спіральныя трубыХімічны складі склад

У наступнай табліцы паказаны хімічны склад нержавеючай сталі маркі 310S.

10*1 мм 9,25*1,24 мм 310 капілярная спіральная трубка з нержавеючай сталі

Фізічныя ўласцівасці

Фізічныя ўласцівасці нержавеючай сталі маркі 310S паказаны ў наступнай табліцы.

Механічныя ўласцівасці

У наступнай табліцы прыведзены механічныя ўласцівасці нержавеючай сталі маркі 310S.

Цеплавыя ўласцівасці

Цеплавыя ўласцівасці нержавеючай сталі маркі 310S прыведзены ў наступнай табліцы.

Іншыя абазначэнні

Іншыя абазначэнні, эквівалентныя нержавеючай сталі маркі 310S, пералічаны ў наступнай табліцы.

Мэтай дадзенага даследавання з'яўляецца ацэнка даўгавечнасці затамкавай спружыны аўтамабільнага рухавіка пры нанясенні мікрадэфектаў на загартаваны ў алеі дрот маркі 2300 МПа (дрот ОТ) з крытычнай глыбінёй дэфекту 2,5 мм у дыяметры.Па-першае, дэфармацыя дэфектаў паверхні дроту OT падчас вырабу спружыны клапана была атрымана з дапамогай аналізу канечных элементаў з выкарыстаннем метадаў субсімуляцыі, а рэшткавае напружанне гатовай спружыны было вымерана і прыменена да мадэлі аналізу напружання спружыны.Па-другое, прааналізуйце трываласць спружыны клапана, праверце наяўнасць рэшткавага напружання і параўнайце ўзровень прыкладзенага напружання з дэфектамі паверхні.Па-трэцяе, уплыў мікрадэфектаў на ўсталостную даўгавечнасць спружыны быў ацэнены шляхам прымянення нагрузкі на паверхневыя дэфекты, атрыманай з аналізу трываласці спружыны, да крывых SN, атрыманых у выніку выпрабаванняў на стомленасць на выгіб падчас кручэння дроту OT.Глыбіня дэфектаў 40 мкм з'яўляецца сучасным стандартам для кіравання дэфектамі паверхні без пагаршэння тэрміну службы ўсталасці.
Аўтамабільная прамысловасць мае вялікі попыт на лёгкія аўтамабільныя кампаненты для павышэння паліўнай эфектыўнасці аўтамабіляў.Такім чынам, выкарыстанне сучаснай высокатрывалай сталі (AHSS) расце ў апошнія гады.Спружыны клапанаў аўтамабільных рухавікоў у асноўным складаюцца з тэрмаўстойлівых, зносаўстойлівых і не правісаючых загартаваных у алеі сталёвых дротаў (правад OT).
Дзякуючы высокай трываласці на расцяжэнне (1900–2100 Мпа) якія выкарыстоўваюцца ў цяперашні час драты ОТ дазваляюць паменшыць габарыты і масу спружын клапанаў рухавіка, павысіць паліўную эфектыўнасць за кошт зніжэння трэння аб навакольныя дэталі1.Дзякуючы гэтым перавагам выкарыстанне высакавольтнай катанкі хутка расце, і адна за адной з'яўляецца катанка звышвысокай трываласці класа 2300 МПа.Клапанныя спружыны ў аўтамабільных рухавіках патрабуюць працяглага тэрміну службы, таму што яны працуюць пры высокіх цыклічных нагрузках.Каб задаволіць гэтае патрабаванне, вытворцы звычайна ўлічваюць усталостную даўгавечнасць больш за 5,5 × 107 цыклаў пры распрацоўцы спружын клапана і прымяняюць рэшткавае напружанне да паверхні спружыны клапана праз дробеструйную апрацоўку і працэсы тэрмаўсадкі для павышэння даўгавечнасці2.
Было праведзена нямала даследаванняў па даўгавечнасці вінтавых спружын у транспартных сродках пры нармальных умовах эксплуатацыі.Гзаль і інш.Прадстаўлены аналітычны, эксперыментальны і канечнаэлементны (FE) аналіз эліптычных вінтавых спружын з малымі вугламі спіралі пры статычнай нагрузцы.Гэта даследаванне забяспечвае выразнае і простае выражэнне для размяшчэння максімальнага напружання зруху ў залежнасці ад суадносін бакоў і індэкса калянасці, а таксама дае аналітычную інфармацыю аб максімальным напружанні зруху, найважнейшым параметры ў практычных праектах3.Пастарчыч і інш.Апісаны вынікі аналізу разбурэння і стомленасці вінтавой рысоры, знятай з асабістага аўтамабіля пасля адмовы ў эксплуатацыі.З дапамогай эксперыментальных метадаў была даследавана зламаная спружына, і вынікі сведчаць аб тым, што гэта з'яўляецца прыкладам каразійнай стомленасці4.адтуліну і г. д. Некалькі мадэляў лінейнай рэгрэсіі былі распрацаваны для ацэнкі даўгавечнасці аўтамабільных вінтавых спружын.Путра і інш.З-за няроўнасцяў дарожнага пакрыцця вызначаецца тэрмін службы вінтавой рысоры аўтамабіля.Аднак было праведзена мала даследаванняў таго, як дэфекты паверхні, якія ўзнікаюць у працэсе вытворчасці, уплываюць на тэрмін службы аўтамабільных спіральных спружын.
Дэфекты паверхні, якія ўзнікаюць у працэсе вытворчасці, могуць прывесці да лакальнай канцэнтрацыі напружання ў спружынах клапана, што істотна зніжае іх усталостную даўгавечнасць.Дэфекты паверхні затамкавых спружын выкліканыя рознымі фактарамі, такімі як дэфекты паверхні сыравіны, якая выкарыстоўваецца, дэфекты інструментаў, грубае абыходжанне падчас халоднай пракаткі7.Павярхоўныя дэфекты сыравіны маюць крутую V-вобразную форму з-за гарачай пракаткі і шматпраходнай выцяжкі, у той час як дэфекты, выкліканыя фармовачным інструментам і неасцярожным абыходжаннем, маюць U-вобразную форму з спадзістымі схіламі8,9,10,11.V-вобразныя дэфекты выклікаюць больш высокую канцэнтрацыю напружання, чым U-вобразныя дэфекты, таму да зыходнага матэрыялу звычайна прымяняюцца строгія крытэрыі кіравання дэфектамі.
Бягучыя стандарты кіравання дэфектамі паверхні для правадоў OT ўключаюць ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 і KS D 3580. DIN EN 10270-2 вызначае, што глыбіня дэфектаў паверхні на дроце дыяметрам 0,5– 10 мм складае менш за 0,5–1% дыяметра дроту.Акрамя таго, стандарты JIS G 3561 і KS D 3580 патрабуюць, каб глыбіня паверхневых дэфектаў катанкі дыяметрам 0,5–8 мм была менш за 0,5% ад дыяметра дроту.У ASTM A877/A877M-10 вытворца і пакупнік павінны дамовіцца аб дапушчальнай глыбіні дэфектаў паверхні.Каб вымераць глыбіню дэфекту на паверхні дроту, дрот звычайна тручаць салянай кіслатой, а затым вымяраюць глыбіню дэфекту з дапамогай мікраметра.Аднак гэты метад дазваляе вымераць дэфекты толькі ў пэўных галінах, а не на ўсёй паверхні канчатковага прадукту.Такім чынам, вытворцы выкарыстоўваюць тэставанне віхравым токам падчас працэсу валачэння дроту для вымярэння дэфектаў паверхні ў дроце, які пастаянна вырабляецца;гэтыя тэсты могуць вымераць глыбіню дэфектаў паверхні да 40 мкм.Сталёвы дрот маркі 2300 МПа, які распрацоўваецца, мае больш высокую трываласць на разрыў і меншае падаўжэнне, чым існуючы сталёвы дрот маркі 1900-2200 МПа, таму тэрмін службы спружыны клапана лічыцца вельмі адчувальным да дэфектаў паверхні.Такім чынам, неабходна праверыць бяспеку прымянення існуючых стандартаў кантролю глыбіні паверхневых дэфектаў для стальнога дроту маркі 1900-2200 МПа да стальнога дроту маркі 2300 МПа.
Мэтай гэтага даследавання з'яўляецца ацэнка даўгавечнасці спружыны клапана аўтамабільнага рухавіка, калі мінімальная глыбіня дэфекту, якую можна вымераць з дапамогай віхравых токаў (г.зн. 40 мкм), прымяняецца да дроту OT класа 2300 МПа (дыяметр: 2,5 мм): крытычны дэфект глыбіня .Уклад і метадалогія гэтага даследавання наступныя.
У якасці першапачатковага дэфекту ў дроце OT быў выкарыстаны V-вобразны дэфект, які сур'ёзна ўплывае на ўсталостную даўгавечнасць, у папярочным кірунку адносна восі дроту.Разгледзьце суадносіны памераў (α) і даўжыні (β) дэфекту паверхні, каб убачыць уплыў яго глыбіні (h), шырыні (w) і даўжыні (l).Павярхоўныя дэфекты ўзнікаюць унутры спружыны, дзе разбурэнне адбываецца ў першую чаргу.
Для прагназавання дэфармацыі пачатковых дэфектаў у дроце OT падчас халоднай намоткі быў выкарыстаны падыход субмадэлявання, які ўлічваў час аналізу і памер дэфектаў паверхні, паколькі дэфекты вельмі малыя ў параўнанні з дротам OT.глабальная мадэль.
Метадам канечных элементаў разлічаны рэшткавыя напружанні сціску ў спружыне пасля двухступенчатай дробеструйной апрацоўкі, для пацверджання аналітычнай мадэлі вынікі параўнаны з вымярэннямі пасля дробеструйной апрацоўкі.Акрамя таго, рэшткавыя напружання ў затамкавых спружынах ва ўсіх вытворчых працэсах былі вымераны і прыменены для аналізу трываласці спружыны.
Напружання ў дэфектах паверхні прагназуюцца шляхам аналізу трываласці спружыны з улікам дэфармацыі дэфекту падчас халоднай пракаткі і рэшткавага напружання сціску ў гатовай спружыне.
Тэст на стомленасць пры выгібе пры вярчэнні праводзіўся з выкарыстаннем дроту OT, зробленага з таго ж матэрыялу, што і спружына клапана.Каб суаднесці характарыстыкі рэшткавага напружання і шурпатасці паверхні вырабленых затамкавых спружын з лініямі OT, крывыя SN былі атрыманы шляхам выпрабаванняў на стомленасць на выгіб пры кручэнні пасля прымянення двухступенчатай дробеструйной апрацоўкі і кручэння ў якасці працэсаў папярэдняй апрацоўкі.
Вынікі аналізу трываласці спружыны прымяняюцца да ўраўнення Гудмана і крывой SN для прагназавання даўгавечнасці спружыны клапана, а таксама ацэньваецца ўплыў глыбіні дэфектаў паверхні на даўгавечнасць усталасці.
У гэтым даследаванні для ацэнкі даўгавечнасці клапаннай спружыны аўтамабільнага рухавіка выкарыстоўваўся дрот маркі OT 2300 МПа дыяметрам 2,5 мм.Спачатку было праведзена выпрабаванне дроту на расцяжэнне, каб атрымаць мадэль пластычнага разбурэння.
Механічныя ўласцівасці дроту OT былі атрыманы ў выніку выпрабаванняў на расцяжэнне да аналізу метадам канечных элементаў працэсу халоднай намоткі і трываласці спружыны.Крывую напружання-дэфармацыі матэрыялу вызначалі па выніках выпрабаванняў на расцяжэнне пры хуткасці дэфармацыі 0,001 с-1, як паказана на мал.1. Выкарыстоўваецца дрот SWONB-V, мяжа цякучасці, трываласць на разрыў, модуль пругкасці і каэфіцыент Пуасона складаюць 2001,2 МПа, 2316 МПа, 206 ГПа і 0,3 адпаведна.Залежнасць напружання ад дэфармацыі цячэння атрымліваецца наступным чынам:
Рыс.2 ілюструе працэс пластычнага разбурэння.Матэрыял падвяргаецца пругкапластычнай дэфармацыі падчас дэфармацыі, і матэрыял звужаецца, калі напружанне ў матэрыяле дасягае трываласці на разрыў.У далейшым стварэнне, рост і аб'яднанне пустэч у матэрыяле прыводзяць да разбурэння матэрыялу.
Мадэль пластычнага разбурэння выкарыстоўвае мадэль крытычнай дэфармацыі з мадыфікацыяй напружання, якая ўлічвае ўплыў напружання, а разлом пасля шыйкі выкарыстоўвае метад назапашвання пашкоджанняў.Тут пачатак пашкоджання выяўляецца як функцыя дэфармацыі, трохвосевасці напружання і хуткасці дэфармацыі.Трохвосевасць напружання вызначаецца як сярэдняе значэнне, атрыманае дзяленнем гідрастатычнага напружання, выкліканага дэфармацыяй матэрыялу да адукацыі шыйкі, на эфектыўнае напружанне.У метадзе назапашвання шкоды разбурэнне адбываецца, калі значэнне шкоды дасягае 1, а энергія, неабходная для дасягнення значэння шкоды 1, вызначаецца як энергія разбурэння (Gf).Энергія разбурэння адпавядае вобласці сапраўднай крывой напружання-зрушэння матэрыялу ад шыйкі да часу разбурэння.
У выпадку звычайных сталей, у залежнасці ад рэжыму напружання, з-за пластычнасці і зруху адбываецца пластычнае разбурэнне, разбурэнне пры зруху або змешанае разбурэнне, як паказана на малюнку 3. Дэфармацыя разбурэння і трохвосевасць напружання паказалі розныя значэнні для малюнак пералому.
Пластычнае разбурэнне адбываецца ў вобласці, якая адпавядае трохвосевасці напружання больш за 1/3 (зона I), а дэфармацыю разбурэння і трохвосевасць напружання можна вызначыць з дапамогай выпрабаванняў на расцяжэнне ўзораў з дэфектамі паверхні і выемкамі.У вобласці, якая адпавядае трохвосевасці напружання 0 ~ 1/3 (зона II), адбываецца спалучэнне пластычнага разбурэння і разбурэння пры зруху (г.зн. праз выпрабаванне на кручэнне. У вобласці, якая адпавядае трохвосевасці напружання ад -1/3 да 0 (III), разбурэнне пры зруху, выкліканае сцісканнем, і дэфармацыя пералому і трохвосевае напружанне могуць быць атрыманы з дапамогай тэсту на асадку.
Для правадоў OT, якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці спружын клапанаў рухавікоў, неабходна ўлічваць разломы, выкліканыя рознымі ўмовамі нагрузкі ў працэсе вытворчасці і ўмовамі прымянення.Такім чынам, былі праведзены выпрабаванні на расцяжэнне і скручванне, каб прымяніць крытэрый дэфармацыі разбурэння, быў улічаны ўплыў трохвосевасці напружання на кожны рэжым напружання, а таксама быў праведзены пругкапластычны аналіз канечных элементаў пры вялікіх дэфармацыях для колькаснай ацэнкі змены трохвосевасці напружання.Рэжым сціску не разглядаўся ў сувязі з абмежаваннем апрацоўкі ўзору, а менавіта дыяметр дроту ОТ складае ўсяго 2,5 мм.У табліцы 1 пералічаны ўмовы выпрабаванняў на расцяжэнне і кручэнне, а таксама на трохвосевасць напружання і дэфармацыю разбурэння, атрыманыя з дапамогай аналізу канчатковых элементаў.
Дэфармацыю разбурэння звычайных трохвосевых сталей пад напругай можна прадказаць з дапамогай наступнага ўраўнення.
дзе C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) чысты зрэз (η = 0) і C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Аднавосевае нацяжэнне (η = η0 = 1/3).
Лініі трэнду для кожнага рэжыму напружання атрыманы шляхам прымянення значэнняў дэфармацыі разбурэння C1 і C2 ва раўнанні.(2);C1 і C2 атрыманы ў выніку выпрабаванняў на расцяжэнне і скручванне ўзораў без дэфектаў паверхні.На малюнку 4 паказаны трохвосевае напружанне і дэфармацыя разбурэння, атрыманыя ў выніку выпрабаванняў, і лініі трэнду, прадказаныя раўнаннем.(2) Лінія трэнду, атрыманая ў выніку тэсту, і ўзаемасувязь паміж трохвосевасцю напружання і дэфармацыяй разбурэння паказваюць падобную тэндэнцыю.Дэфармацыя разбурэння і трохвосевасць напружання для кожнага рэжыму напружання, атрыманыя з прымянення ліній трэнду, выкарыстоўваліся ў якасці крытэрыяў пластычнага разбурэння.
Энергія разрыву выкарыстоўваецца ў якасці ўласцівасці матэрыялу для вызначэння часу разрыву пасля згортвання і можа быць атрымана ў выніку выпрабаванняў на расцяжэнне.Энергія разбурэння залежыць ад наяўнасці або адсутнасці расколін на паверхні матэрыялу, так як час разбурэння залежыць ад канцэнтрацыі мясцовых напружанняў.На малюнках 5a-c паказаны энергіі разбурэння ўзораў без дэфектаў паверхні і ўзораў з надрэзамі R0,4 або R0,8 у выніку выпрабаванняў на расцяжэнне і аналізу канечных элементаў.Энергія разбурэння адпавядае плошчы сапраўднай крывой напружання-зрушэння ад шыйкі да часу разбурэння.
Энергія разбурэння дроту OT з дробнымі дэфектамі паверхні была прадказана шляхам правядзення выпрабаванняў на расцяжэнне дроту OT з глыбінёй дэфекту больш за 40 мкм, як паказана на мал. 5d.Дзесяць узораў з дэфектамі былі выкарыстаны ў выпрабаваннях на расцяжэнне, а сярэдняя энергія разбурэння была ацэненая ў 29,12 мДж/мм2.
Стандартызаваны дэфект паверхні вызначаецца як стаўленне глыбіні дэфекту да дыяметра дроту клапаннай спружыны, незалежна ад геаметрыі дэфекту паверхні дроту OT, які выкарыстоўваецца ў вытворчасці аўтамабільных спружын клапана.Дэфекты дроту OT можна класіфікаваць на аснове арыентацыі, геаметрыі і даўжыні.Нават пры аднолькавай глыбіні дэфекту ўзровень напружання, які дзейнічае на павярхоўны дэфект спружыны, вар'іруецца ў залежнасці ад геаметрыі і арыентацыі дэфекту, таму геаметрыя і арыентацыя дэфекту могуць уплываць на ўсталостную трываласць.Такім чынам, неабходна ўлічваць геаметрыю і арыентацыю дэфектаў, якія аказваюць найбольшы ўплыў на даўгавечнасць спружыны, каб прымяняць строгія крытэрыі для кіравання дэфектамі паверхні.З-за дробназярністай структуры дроту OT яго даўгавечнасць вельмі адчувальная да насякання.Такім чынам, дэфект, які дэманструе найбольшую канцэнтрацыю напружання ў адпаведнасці з геаметрыяй і арыентацыяй дэфекту, павінен быць усталяваны ў якасці пачатковага дэфекту з дапамогай аналізу канчатковых элементаў.На мал.На малюнку 6 паказаны аўтамабільныя клапанныя спружыны звышвысокай трываласці класа 2300 МПа, якія выкарыстоўваюцца ў гэтым даследаванні.
Павярхоўныя дэфекты дроту OT дзеляцца на ўнутраныя дэфекты і знешнія дэфекты ў залежнасці ад восі спружыны.З-за выгібу падчас халоднай пракаткі напружанне сціску і напружанне расцяжэння дзейнічаюць на ўнутраную і знешнюю частку спружыны адпаведна.Прычынай разбурэння могуць быць дэфекты паверхні, якія з'яўляюцца звонку з-за расцягваючых напружанняў пры халоднай пракатцы.
На практыцы спружына падвяргаецца перыядычнаму сціску і расслабленню.Падчас сціску спружыны сталёвы дрот скручваецца, і з-за канцэнтрацыі напружанняў напружанне зруху ўнутры спружыны вышэй, чым напружанне зруху ў навакольным асяроддзі7.Такім чынам, калі ўнутры спружыны ёсць паверхневыя дэфекты, верагоднасць паломкі спружыны найбольшая.Такім чынам, вонкавы бок спружыны (месца, дзе чакаецца адмова падчас вырабу спружыны) і ўнутраны бок (дзе напружанне найбольшае пры фактычным ужыванні) усталёўваюцца ў якасці месцаў дэфектаў паверхні.
Геаметрыя дэфектаў паверхні ліній OT дзеліцца на U-вобразную, V-вобразную, Y-вобразную і Т-вобразную формы.Y-тып і T-тып у асноўным існуюць у дэфектах паверхні сыравіны, а дэфекты U-тыпу і V-тыпу ўзнікаюць з-за неасцярожнага абыходжання з інструментамі ў працэсе халоднай пракаткі.Што тычыцца геаметрыі паверхневых дэфектаў сыравіны, U-вобразныя дэфекты, якія ўзнікаюць у выніку нераўнамернай пластычнай дэфармацыі падчас гарачай пракаткі, дэфармуюцца ў V-вобразныя, Y-вобразныя і Т-вобразныя дэфекты шва пры шматпраходным расцяжэнні8, 10.
Акрамя таго, V-вобразныя, Y-вобразныя і Т-вобразныя дэфекты з рэзкімі нахіламі выемкі на паверхні будуць падвяргацца высокай канцэнтрацыі напружання падчас працы спружыны.Клапанныя спружыны згінаюцца падчас халоднай пракаткі і скручваюцца падчас працы.Канцэнтрацыі напружання V-вобразных і Y-вобразных дэфектаў з больш высокімі канцэнтрацыямі напружання параўноўваліся з дапамогай аналізу канечных элементаў, ABAQUS - камерцыйнага праграмнага забеспячэння для аналізу канечных элементаў.Залежнасць напружанне-дэфармацыя паказана на малюнку 1 і ўраўненні 1. (1) Гэта мадэляванне выкарыстоўвае двухмерны (2D) прамавугольны элемент з чатырма вузламі, а мінімальная даўжыня боку элемента складае 0,01 мм.Для аналітычнай мадэлі V-вобразныя і Y-вобразныя дэфекты з глыбінёй 0,5 мм і нахілам дэфекту 2° былі нанесены на 2D-мадэль дроту дыяметрам 2,5 мм і даўжынёй 7,5 мм.
На мал.7a паказвае канцэнтрацыю напружання выгібу на кончыку кожнага дэфекту, калі да абодвух канцоў кожнага дроту прыкладзены выгінальны момант 1500 Нмм.Вынікі аналізу паказваюць, што максімальныя напружання 1038,7 і 1025,8 МПа ўзнікаюць у вяршынях V-вобразных і Y-вобразных дэфектаў адпаведна.На мал.7b паказвае канцэнтрацыю напружання ў верхняй частцы кожнага дэфекту, выкліканага скручваннем.Калі левы бок абмежаваны і крутоўны момант 1500 Н∙мм прыкладваецца да правага боку, такое ж максімальнае напружанне 1099 МПа ўзнікае на кончыках V-вобразных і Y-вобразных дэфектаў.Гэтыя вынікі паказваюць, што дэфекты V-тыпу дэманструюць большае напружанне выгібу, чым дэфекты Y-тыпу, калі яны маюць аднолькавую глыбіню і нахіл дэфекту, але адчуваюць аднолькавае напружанне кручэння.Такім чынам, V-вобразныя і Y-вобразныя паверхневыя дэфекты з аднолькавай глыбінёй і нахілам дэфекту можна нармалізаваць да V-вобразных з больш высокім максімальным напружаннем, выкліканым канцэнтрацыяй напружання.Каэфіцыент памераў дэфектаў V-тыпу вызначаецца як α = w/h з выкарыстаннем глыбіні (h) і шырыні (w) дэфектаў V-тыпу і Т-тыпу;такім чынам, замест дэфекту Т-тыпу (α ≈ 0) геаметрыя можа быць вызначана геаметрычнай структурай дэфекту V-тыпу.Такім чынам, дэфекты Y-тыпу і T-тыпу можна нармалізаваць дэфектамі V-тыпу.З выкарыстаннем глыбіні (h) і даўжыні (l) стаўленне даўжыні інакш вызначаецца як β = l/h.
Як паказана на малюнку 811, напрамкі паверхневых дэфектаў правадоў OT падзяляюцца на падоўжныя, папярочныя і нахільныя напрамкі, як паказана на малюнку 811. Аналіз уплыву арыентацыі паверхневых дэфектаў на трываласць спружыны канечным элементам метад.
На мал.9а паказвае мадэль аналізу напружання спружыны клапана рухавіка.У якасці ўмовы аналізу спружына была сціснута са свабоднай вышыні 50,5 мм да цвёрдай вышыні 21,8 мм, максімальнае напружанне 1086 МПа было створана ўнутры спружыны, як паказана на мал. 9b.Паколькі адмова рэальных спружын клапанаў рухавіка ў асноўным адбываецца ўнутры спружыны, чакаецца, што наяўнасць дэфектаў унутранай паверхні сур'ёзна паўплывае на даўгавечнасць спружыны.Такім чынам, павярхоўныя дэфекты ў падоўжным, папярочным і нахіленым кірунках наносяцца на ўнутраны бок спружын клапанаў рухавіка з дапамогай метадаў субмадэлявання.У табліцы 2 паказаны памеры дэфектаў паверхні і максімальнае напружанне ў кожным кірунку дэфекту пры максімальным сціску спружыны.Найбольшыя напружанні назіраліся ў папярочным кірунку, а стаўленне напружанняў у падоўжным і нахільным напрамках да папярочнага ацанілі ў 0,934–0,996.Каэфіцыент напружання можна вызначыць, проста падзяліўшы гэта значэнне на максімальнае папярочнае напружанне.Максімальнае напружанне ў спружыне ўзнікае ў верхняй частцы кожнага дэфекту паверхні, як паказана на мал. 9s.Значэнні напружання, назіраныя ў падоўжным, папярочным і нахільным напрамках, складаюць адпаведна 2045, 2085 і 2049 МПа.Вынікі гэтых аналізаў паказваюць, што папярочныя дэфекты паверхні аказваюць самы непасрэдны ўплыў на даўгавечнасць спружын клапанаў рухавіка.
V-вобразны дэфект, які, як мяркуецца, самым непасрэдным чынам уплывае на даўгавечнасць спружыны клапана рухавіка, быў абраны ў якасці першапачатковага дэфекту дроту OT, а папярочны кірунак - у якасці напрамку дэфекту.Гэты дэфект сустракаецца не толькі звонку, дзе пры вырабе зламалася спружына клапана рухавіка, але і ўнутры, дзе адбываецца найбольшая нагрузка з-за канцэнтрацыі нагрузак падчас працы.Максімальная глыбіня дэфектаў усталявана роўнай 40 мкм, што можа быць выяўлена пры дапамозе віхратокавай дэфектаскапіі, а мінімальная глыбіня ўстаноўлена роўнай 0,1% ад дыяметра дроту 2,5 мм.Такім чынам, глыбіня дэфекту складае ад 2,5 да 40 мкм.Глыбіня, даўжыня і шырыня дэфектаў з стаўленнем даўжыні 0,1~1 і стаўленнем даўжыні 5~15 выкарыстоўваліся ў якасці зменных, і быў ацэнены іх уплыў на трываласць усталасці спружыны.У табліцы 3 пералічаны аналітычныя ўмовы, вызначаныя з дапамогай метадалогіі паверхні водгуку.
Спружыны клапанаў аўтамабільных рухавікоў вырабляюцца шляхам халоднай намоткі, загартоўкі, дробеструйной апрацоўкі і тэрмічнай фіксацыі дроту OT.Змены ў паверхневых дэфектах падчас вырабу спружыны неабходна ўлічваць, каб ацаніць уплыў першапачатковых паверхневых дэфектаў у правадах OT на стомленасць спружын клапанаў рухавіка.Такім чынам, у гэтым раздзеле аналіз канечных элементаў выкарыстоўваецца для прагназавання дэфармацыі дэфектаў паверхні дроту OT падчас вырабу кожнай спружыны.
На мал.10 паказаны працэс халоднай намоткі.Падчас гэтага працэсу дрот OT падаецца ў дротаправод з дапамогай роліка падачы.Накіроўвальнік дроту падае і падтрымлівае дрот, каб прадухіліць згінанне ў працэсе фармавання.Дрот, які праходзіць праз правадыр, згінаецца першым і другім стрыжнямі, утвараючы спіральную спружыну патрэбнага ўнутранага дыяметра.Крок спружыны вырабляецца шляхам перамяшчэння крокавага інструмента пасля аднаго абароту.
На мал.11а паказвае канечнаэлементную мадэль, якая выкарыстоўваецца для ацэнкі змены геаметрыі паверхневых дэфектаў падчас халоднай пракаткі.Фарміраванне дроту ў асноўным завяршаецца намоткай.Паколькі аксідны пласт на паверхні дроту дзейнічае як змазка, эфект трэння падаючага роліка нязначны.Такім чынам, у разліковай мадэлі ролік падачы і правадыр дроту спрошчаны як утулка.Каэфіцыент трэння паміж дротам OT і фармовачным інструментам быў усталяваны на 0,05.Двухмерная плоскасць цвёрдага цела і ўмовы фіксацыі прымяняюцца да левага канца лініі, каб яе можна было падаваць у напрамку X з той жа хуткасцю, што і падаючы ролік (0,6 м/с).На мал.11b паказаны метад субмадэлявання, які выкарыстоўваецца для нанясення невялікіх дэфектаў на правады.Каб улічыць памер паверхневых дэфектаў, субмадэль прымяняецца двойчы для паверхневых дэфектаў глыбінёй 20 мкм і больш і тройчы для паверхневых дэфектаў глыбінёй менш за 20 мкм.Дэфекты паверхні наносяцца на ўчасткі, сфармаваныя з роўным крокам.У агульнай мадэлі спружыны даўжыня прамога кавалка дроту складае 100 мм.Для першай субмадэлі прымяніце субмадэль 1 даўжынёй 3 мм у падоўжным становішчы 75 мм ад глабальнай мадэлі.Гэта мадэляванне выкарыстоўвала трохмерны (3D) шасцікутны элемент з васьмі вузлоў.У глабальнай мадэлі і падмадэлі 1 мінімальная даўжыня боку кожнага элемента складае 0,5 і 0,2 мм адпаведна.Пасля аналізу субмадэлі 1 дэфекты паверхні прымяняюцца да субмадэлі 2, а даўжыня і шырыня субмадэлі 2 у 3 разы перавышаюць даўжыню дэфекту паверхні, каб выключыць уплыў межавых умоў субмадэлі, у Акрамя таго, 50% даўжыні і шырыні выкарыстоўваецца ў якасці глыбіні падмадэлі.У падмадэлі 2 мінімальная даўжыня боку кожнага элемента складае 0,005 мм.Пэўныя дэфекты паверхні былі ўжытыя для аналізу канечных элементаў, як паказана ў табліцы 3.
На мал.12 паказана размеркаванне напружання ў паверхневых расколінах пасля халоднай апрацоўкі рулона.Агульная мадэль і субмадэль 1 паказваюць практычна аднолькавыя напружання 1076 і 1079 МПа ў адным месцы, што пацвярджае правільнасць метаду субмадэлявання.Лакальныя канцэнтрацыі напружання ўзнікаюць на памежных краях субмадэлі.Мабыць, гэта звязана з межавымі ўмовамі падмадэлі.З-за канцэнтрацыі напружання падмадэль 2 з нанесенымі дэфектамі паверхні паказвае напружанне 2449 МПа на кончыку дэфекту падчас халоднай пракаткі.Як паказана ў табліцы 3, дэфекты паверхні, ідэнтыфікаваныя метадам паверхні водгуку, былі нанесены на ўнутраны бок спружыны.Вынікі аналізу метадам канечных элементаў паказалі, што ні адзін з 13 выпадкаў дэфектаў паверхні не атрымаўся.
У працэсе намотвання ва ўсіх тэхналагічных працэсах глыбіня паверхневых дэфектаў ўнутры спружыны павялічвалася на 0,1-2,62 мкм (мал. 13а), а шырыня памяншалася на 1,8-35,79 мкм (мал. 13б), а даўжыня павялічвалася на 0,72 –34,47 мкм (мал. 13в).Паколькі папярочны V-вобразны дэфект закрываецца па шырыні шляхам згінання ў працэсе халоднай пракаткі, ён дэфармуецца ў V-вобразны дэфект з больш крутым нахілам, чым зыходны дэфект.
Дэфармацыя па глыбіні, шырыні і даўжыні дэфектаў паверхні дроту OT у працэсе вытворчасці.
Нанясіце дэфекты паверхні на вонкавы бок спружыны і прагназуйце верагоднасць паломкі падчас халоднай пракаткі з дапамогай аналізу канечных элементаў.Пры ўмовах, пералічаных у табл.3, няма верагоднасці разбурэння дэфектаў вонкавай паверхні.Іншымі словамі, пры глыбіні паверхневых дэфектаў ад 2,5 да 40 мкм разбурэнне не адбывалася.
Для прагназавання крытычных дэфектаў паверхні даследаваліся вонкавыя разломы падчас халоднай пракаткі шляхам павелічэння глыбіні дэфектаў з 40 мкм да 5 мкм.На мал.14 паказаны разломы ўздоўж дэфектаў паверхні.Пералом адбываецца ва ўмовах глыбіні (55 мкм), шырыні (2 мкм) і даўжыні (733 мкм).Крытычная глыбіня дэфекту паверхні за межамі спружыны апынулася роўнай 55 мкм.
Працэс дробеструйной апрацоўкі душыць рост расколін і павялічвае даўгавечнасць за кошт стварэння рэшткавага напружання сціску на пэўнай глыбіні ад паверхні спружыны;аднак, ён выклікае канцэнтрацыю напружання за кошт павелічэння шурпатасці паверхні спружыны, такім чынам зніжаючы супраціў стомленасці спружыны.Такім чынам, тэхналогія другаснай дробеструйной апрацоўкі выкарыстоўваецца для вытворчасці высокатрывалых спружын, каб кампенсаваць скарачэнне тэрміну службы ўсталасці, выкліканае павелічэннем шурпатасці паверхні, выкліканай дробеструйной апрацоўкай.Двухступеньчатая дробеструйная апрацоўка можа палепшыць шурпатасць паверхні, максімальнае рэшткавае напружанне пры сціску і рэшткавае напружанне пры сціску паверхні, таму што другая дробеструйная апрацоўка выконваецца пасля першай дробеструйной апрацоўкі12,13,14.
На мал.15 прадстаўлена аналітычная мадэль працэсу дробеструйной апрацоўкі.Была створана пругка-пластычная мадэль, у якой 25 кулявых шароў скідваліся ў мэтавую лакальную зону лініі ОТ для дробеструйной апрацоўкі.У мадэлі аналізу дробеструйнай апрацоўкі ў якасці пачатковых дэфектаў выкарыстоўваліся дэфекты паверхні дроту OT, дэфармаванага падчас халоднай намоткі.Зняцце рэшткавых напружанняў, якія ўзнікаюць у працэсе халоднай пракаткі, шляхам адпуску перад працэсам дробеструйной апрацоўкі.Выкарыстоўваліся наступныя ўласцівасці дробавай сферы: шчыльнасць (ρ): 7800 кг/м3, модуль пругкасці (E) – 210 ГПа, каэфіцыент Пуасона (υ): 0,3.Каэфіцыент трэння паміж шарыкам і матэрыялам усталяваны роўным 0,1.Дробы дыяметрам 0,6 і 0,3 мм выкідваліся з аднолькавай хуткасцю 30 м/с пры першым і другім праходах кавання.Пасля дробеструйной апрацоўкі (сярод іншых вытворчых працэсаў, паказаных на малюнку 13), глыбіня, шырыня і даўжыня паверхневых дэфектаў спружыны складалі ад -6,79 да 0,28 мкм, -4,24 да 1,22 мкм і -2,59 да 1,69 мкм, адпаведна мкм.За кошт пластычнай дэфармацыі снарада, які выкідваецца перпендыкулярна паверхні матэрыялу, памяншаецца глыбіня дэфекту, у прыватнасці, значна памяншаецца шырыня дэфекту.Па ўсёй бачнасці, дэфект быў закрыты за кошт пластычнай дэфармацыі, выкліканай дробеструйной апрацоўкай.
У працэсе тэрмічнай усаджвання эфекты халоднай усаджвання і нізкатэмпературнага адпалу могуць адначасова дзейнічаць на спружыну клапана рухавіка.Халодная ўстаноўка павялічвае ўзровень нацяжэння спружыны, сціскаючы яе да максімальна магчымага ўзроўню пры пакаёвай тэмпературы.У гэтым выпадку, калі спружына клапана рухавіка нагружана вышэй мяжы цякучасці матэрыялу, спружына клапана рухавіка пластычна дэфармуецца, павялічваючы мяжу цякучасці.Пасля пластычнай дэфармацыі затамкавая спружына згінаецца, але павышаны мяжа цякучасці забяспечвае пругкасць затамкавай спружыны ў рэальнай працы.Нізкотэмпературны адпал паляпшае тэрмаўстойлівасць і ўстойлівасць да дэфармацыі клапанных спружын, якія працуюць пры высокіх тэмпературах2.
Павярхоўныя дэфекты, дэфармаваныя падчас дробеструйной апрацоўкі ў аналізе FE, і поле рэшткавых напружанняў, вымеранае з дапамогай абсталявання рэнтгенаўскай дыфракцыі (XRD), былі ўжытыя да падмадэлі 2 (мал. 8), каб зрабіць выснову аб змене дэфектаў падчас тэрмічнай усаджвання.Спружына была распрацавана для працы ў дыяпазоне пругкасці і была сціснута ад яе свабоднай вышыні 50,5 мм да сваёй цвёрдай вышыні 21,8 мм, а затым дазволена вярнуцца да зыходнай вышыні 50,5 мм у якасці ўмовы аналізу.Пры тэрмічнай ўсаджванні геаметрыя дэфекту змяняецца нязначна.Па-відаць, рэшткавае напружанне сціску 800 Мпа і вышэй, якое ствараецца дробеструйной апрацоўкай, душыць дэфармацыю дэфектаў паверхні.Пасля тэрмічнай ўсаджвання (мал. 13) глыбіня, шырыня і даўжыня паверхневых дэфектаў вар'іраваліся ад -0,13 да 0,08 мкм, ад -0,75 да 0 мкм і ад 0,01 да 2,4 мкм адпаведна.
На мал.16 параўноўваюцца дэфармацыі U-вобразных і V-вобразных дэфектаў аднолькавай глыбіні (40 мкм), шырыні (22 мкм) і даўжыні (600 мкм).Змяненне шырыні U-вобразных і V-вобразных дэфектаў больш, чым змяненне даўжыні, якое выклікана змыканнем па шырыні ў працэсе халоднай пракаткі і дробеструйной апрацоўкі.У параўнанні з U-вобразнымі дэфектамі, V-вобразныя дэфекты ўтварыліся на адносна большай глыбіні і з больш стромкімі схіламі, што сведчыць аб тым, што пры нанясенні V-вобразных дэфектаў можна выкарыстоўваць кансерватыўны падыход.
У гэтым раздзеле абмяркоўваецца дэфармацыя пачатковага дэфекту ў лініі OT для кожнага працэсу вытворчасці спружыны клапана.Першапачатковы дэфект дроту OT прымяняецца да ўнутранай часткі спружыны клапана, дзе чакаецца адмова з-за высокіх напружанняў падчас працы спружыны.Папярочныя V-вобразныя паверхневыя дэфекты правадоў ОТ нязначна павялічыліся ў глыбіню і даўжыню і рэзка зменшыліся ў шырыню за кошт выгібу пры халоднай намотцы.Замыканне ў напрамку шырыні адбываецца ў працэсе дробеструйной апрацоўкі з невялікай або без прыкметнай дэфармацыі дэфектаў падчас канчатковага награвання.У працэсе халоднай пракаткі і дробеструйной апрацоўкі адбываецца вялікая дэфармацыя ў напрамку шырыні з-за пластычнай дэфармацыі.V-вобразны дэфект унутры спружыны клапана трансфармуецца ў Т-вобразны дэфект з-за замыкання па шырыні ў працэсе халоднай пракаткі.