310 Roostevabast terasest spiraaltoru keemiline komponent, õliga karastatud terastraadi pinnadefektide mõju automootorite klapivedrude väsimuse kestusele

Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Liugurid, mis näitavad kolme artiklit slaidi kohta.Kasutage slaidide vahel liikumiseks nuppu Tagasi ja Järgmine või igal slaidil liikumiseks lõpus olevaid slaidijuhtnuppe.

Roostevabast terasest 310 spiraaltorud / spiraaltorudKeemiline koostisja koostis

Järgmine tabel näitab klassi 310S roostevaba terase keemilist koostist.

10 * 1 mm 9,25 * 1,24 mm 310 Roostevabast terasest kapillaarspiraaltoru tarnijad

Füüsikalised omadused

Klassi 310S roostevaba terase füüsikalised omadused on toodud järgmises tabelis.

Mehaanilised omadused

Järgmises tabelis on toodud klassi 310S roostevaba terase mehaanilised omadused.

Termilised omadused

Klassi 310S roostevaba terase soojuslikud omadused on toodud järgmises tabelis.

Muud nimetused

Teised tähistused, mis on samaväärsed klassi 310S roostevaba terasega, on loetletud järgmises tabelis.

Selle uuringu eesmärk on hinnata automootori klapivedru väsimuse kestust, kui 2300 MPa klassi õliga karastatud traadile (OT-traat) kriitilise defekti sügavusega 2,5 mm läbimõõduga mikrodefekte rakendatakse.Esmalt saadi lõplike elementide analüüsiga, kasutades subsimulatsioonimeetodeid, klapivedru valmistamisel tekkinud OT-traadi pinnadefektide deformatsioon ning mõõdeti valmis vedru jääkpinge ja rakendati seda vedru pingeanalüüsi mudelile.Teiseks analüüsige klapi vedru tugevust, kontrollige jääkpinget ja võrrelge rakendatud pinge taset pinna ebatäiuslikkusega.Kolmandaks hinnati mikrodefektide mõju vedru väsimuse elueale, rakendades vedru tugevusanalüüsist saadud pinnadefektide pinget SN-kõveratele, mis saadi paindeväsimustestist traadi OT pöörlemise ajal.Defektide sügavus 40 µm on praegune standard pinnadefektide haldamiseks ilma väsimuseaega kahjustamata.
Autotööstuses on suur nõudlus kergete autokomponentide järele, et parandada sõidukite kütusesäästlikkust.Seega on kõrgtugeva terase (AHSS) kasutamine viimastel aastatel kasvanud.Automootorite klapivedrud koosnevad peamiselt kuumakindlatest, kulumiskindlatest ja mittevajuvatest õliga karastatud terastraatidest (OT-traadid).
Tänu oma suurele tõmbetugevusele (1900–2100 MPa) võimaldavad praegu kasutatavad OT-traadid vähendada mootori klapivedrude suurust ja massi, parandada kütusesäästlikkust, vähendades hõõrdumist ümbritsevate osadega1.Tänu nendele eelistele kasvab kõrgepinge valtstraadi kasutamine kiiresti ja üksteise järel ilmub ülitugev 2300 MPa klassi valtstraat.Automootorite klapivedrud nõuavad pikka kasutusiga, kuna need töötavad suure tsüklilise koormuse korral.Selle nõude täitmiseks arvestavad tootjad tavaliselt ventiilivedrude projekteerimisel väsimuse eluiga üle 5,5 × 107 tsüklit ja rakendavad ventiili vedrude pinnale jääkpinget löögi ja termokahanemise protsesside abil, et pikendada väsimust2.
Sõidukite spiraalvedrude väsimuse kohta tavalistes töötingimustes on tehtud üsna palju uuringuid.Gzal et al.Esitatakse väikeste spiraalnurkadega elliptiliste spiraalvedrude analüütilised, eksperimentaalsed ja lõplike elementide (FE) analüüsid staatilisel koormusel.See uuring annab selge ja lihtsa väljendi maksimaalse nihkepinge asukoha ja kuvasuhte ja jäikuse indeksi asukoha kohta ning annab ka analüütilise ülevaate maksimaalsest nihkepingest, mis on praktiliste disainide kriitiline parameeter3.Pastorcic et al.Kirjeldatakse eraautost pärast ekspluatatsiooni tõrget eemaldatud spiraalvedru purunemise ja väsimise analüüsi tulemusi.Eksperimentaalsete meetodite abil uuriti purunenud vedru ja tulemused viitavad sellele, et see on näide korrosiooniväsimuse purunemisest4.auk jne. Autotööstuse spiraalvedrude väsimuse hindamiseks on välja töötatud mitu lineaarse regressiooni vedru eluea mudelit.Putra ja teised.Teekatte ebatasasuste tõttu määratakse auto spiraalvedru kasutusiga.Siiski on vähe uuritud, kuidas tootmisprotsessis tekkivad pinnadefektid mõjutavad autotööstuse spiraalvedrude eluiga.
Tootmisprotsessi käigus ilmnevad pinnadefektid võivad põhjustada klapivedrudes lokaalse pinge kontsentratsiooni, mis vähendab oluliselt nende väsimuseaega.Klapivedrude pinnadefektid on põhjustatud erinevatest teguritest, nagu kasutatud tooraine pinnadefektid, tööriistade defektid, konarlik käsitsemine külmvaltsimisel7.Tooraine pinnadefektid on kuumvaltsimise ja mitmekäigulise tõmbe tõttu järsult V-kujulised, vormimistööriistast ja hooletust käsitsemisest tulenevad vead aga U-kujulised õrnade kaldega8,9,10,11.V-kujulised defektid põhjustavad suuremat pingekontsentratsiooni kui U-kujulised defektid, seetõttu rakendatakse lähtematerjalile tavaliselt rangeid defektide haldamise kriteeriume.
Praegused OT-juhtmete pinnadefektide haldamise standardid hõlmavad ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 ja KS D 3580. DIN EN 10270-2 määrab, et pinnadefekti sügavus traadi läbimõõduga 0,5– 10 mm on vähem kui 0,5–1% traadi läbimõõdust.Lisaks nõuavad JIS G 3561 ja KS D 3580, et 0,5–8 mm läbimõõduga valtstraadi pinnadefektide sügavus oleks väiksem kui 0,5% traadi läbimõõdust.ASTM A877/A877M-10 puhul peavad tootja ja ostja kokku leppima pinnadefektide lubatud sügavuse.Defekti sügavuse mõõtmiseks traadi pinnal söövitatakse traat tavaliselt vesinikkloriidhappega ja seejärel mõõdetakse defekti sügavust mikromeetriga.Selle meetodi abil saab aga mõõta defekte ainult teatud piirkondades, mitte aga kogu lõpptoote pinnal.Seetõttu kasutavad tootjad traadi tõmbamise käigus pöörisvoolutesti, et mõõta pidevalt toodetud traadi pinnadefekte;nende testidega saab mõõta pinnadefektide sügavust kuni 40 µm.Väljatöötamisel oleval 2300 MPa klassi terastraadil on suurem tõmbetugevus ja väiksem pikenemine kui olemasoleval 1900–2200 MPa klassi terastraadil, seega peetakse ventiili vedru väsimuse kestust pinnadefektide suhtes väga tundlikuks.Seetõttu on vaja kontrollida olemasolevate standardite kohaldamise ohutust terastraadi klassi 1900–2200 MPa ja 2300 MPa terastraadi pinnadefektide sügavuse kontrollimiseks.
Selle uuringu eesmärk on hinnata automootori klapivedru väsimuse kestust, kui 2300 MPa OT-juhtmele (läbimõõt: 2,5 mm) rakendatakse pöörisvoolutestiga mõõdetavat minimaalset vea sügavust (st 40 µm): kriitiline viga. sügavus .Selle uuringu panus ja metoodika on järgmised.
OT-traadi esialgse defektina kasutati V-kujulist defekti, mis mõjutab tõsiselt väsimuse eluiga, traadi telje suhtes põikisuunas.Kaaluge pinnadefekti mõõtmete (α) ja pikkuse (β) suhet, et näha selle sügavuse (h), laiuse (w) ja pikkuse (l) mõju.Pinnadefektid tekivad vedru sees, kus tõrge tekib esimesena.
OT-traadi esialgsete defektide deformeerumise ennustamiseks külma mähise ajal kasutati alamsimulatsiooni meetodit, mis võttis arvesse analüüsi aega ja pinnadefektide suurust, kuna defektid on OT-traadiga võrreldes väga väikesed.globaalne mudel.
Lõplike elementide meetodil arvutati jääksurvepinged kevadel pärast kaheastmelist haavlilõikamist, analüütilise mudeli kinnitamiseks võrreldi tulemusi haavli järgsete mõõtmistega.Lisaks mõõdeti kõigi tootmisprotsesside käigus tekkinud klapivedrude jääkpingeid ja rakendati neid vedrude tugevuse analüüsis.
Pindefektide pingeid ennustatakse vedru tugevust analüüsides, võttes arvesse defekti deformatsiooni külmvaltsimisel ja jääksurvepinget valmis vedrus.
Pöörlemispainde väsimuskatse viidi läbi OT-traadiga, mis oli valmistatud samast materjalist kui ventiili vedru.Valmistatud klapivedrude jääkpinge ja pinnakareduse karakteristikute korreleerimiseks OT-joontega saadi SN-kõverad pöörlevate paindeväsimustestide abil pärast kaheastmelise haavli ja torsiooni rakendamist eeltöötlusprotsessidena.
Vedrutugevuse analüüsi tulemusi rakendatakse Goodmani võrrandile ja SN-kõverale, et ennustada ventiili vedru väsimuse eluiga, ning hinnatakse ka pinnadefektide sügavuse mõju väsimuse elueale.
Selles uuringus kasutati 2300 MPa OT-klassi traati läbimõõduga 2,5 mm, et hinnata automootori ventiili vedru väsimust.Esiteks viidi läbi traadi tõmbekatse, et saada selle plastilise purunemise mudel.
OT-traadi mehaanilised omadused saadi tõmbekatsetest enne külmmähkimisprotsessi ja vedru tugevuse lõplike elementide analüüsi.Materjali pinge-deformatsiooni kõver määrati tõmbekatsete tulemuste põhjal deformatsioonikiirusel 0,001 s-1, nagu on näidatud joonisel fig.1. Kasutatakse SWONB-V traati, mille voolavuspiir, tõmbetugevus, elastsusmoodul ja Poissoni suhe on vastavalt 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa ja 0,3.Pinge sõltuvus voolu pingest saadakse järgmiselt:
Riis.2 illustreerib plastilise murdumise protsessi.Materjal läbib deformatsiooni käigus elastoplastilist deformatsiooni ja materjal kitseneb, kui pinge materjalis saavutab tõmbetugevuse.Seejärel põhjustab materjalis tühimike tekkimine, kasv ja ühendamine materjali hävimise.
Plastilise murdumise mudelis kasutatakse pingega modifitseeritud kriitilise deformatsiooni mudelit, mis arvestab pinge mõju, ja kaelamurdmise järgses kahjustuse akumulatsiooni meetodil.Siin väljendatakse kahjustuse teket pinge, pinge kolmeteljelisuse ja deformatsioonikiiruse funktsioonina.Pinge kolmeteljelisus on defineeritud kui keskmine väärtus, mis saadakse materjali deformatsioonist kuni kaela moodustumiseni põhjustatud hüdrostaatilise pinge jagamisel efektiivse pingega.Kahjude akumulatsiooni meetodi puhul toimub hävimine siis, kui kahjustuse väärtus jõuab 1-ni ja kahjustuse väärtuse 1 saavutamiseks vajalik energia on defineeritud hävimisenergiana (Gf).Murdeenergia vastab materjali tegeliku pinge-nihke kõvera piirkonnale kaelusest murdumiseni.
Tavaliste teraste puhul tekib sõltuvalt pingerežiimist plastiline murd, nihkemurd või segamoodi murd, mis on tingitud plastilisusest ja nihkemurdest, nagu on näidatud joonisel 3. Murde deformatsioon ja pinge kolmeteljelisus näitasid erinevaid väärtusi. murru muster.
Plastiline purunemine toimub piirkonnas, mis vastab pinge kolmeteljelisusele, mis on suurem kui 1/3 (tsoon I), ning murde deformatsiooni ja pinge kolmeteljelisuse saab tuletada pinnadefektide ja sälkudega proovikehade tõmbekatsetest.Pinge kolmeteljelisusele 0 ~ 1/3 vastavas piirkonnas (II tsoon) tekib plastilise murdumise ja nihkekahjustuse kombinatsioon (st läbi väändekatse. Pinge kolmeteljelisusele vastavas piirkonnas -1/3 kuni 0 (III), kokkusurumisest põhjustatud nihkerikke ning murde deformatsiooni ja pinge kolmeteljelisust saab saada pöördetestiga.
Mootori klapivedrude valmistamisel kasutatavate OT-juhtmete puhul on vaja arvestada tootmisprotsessi käigus tekkivate erinevatest koormustingimustest ja kasutustingimustest tingitud murdudega.Seetõttu viidi läbi rikke deformatsiooni kriteeriumi rakendamiseks tõmbe- ja väändekatsed, vaadeldi pinge triaksiaalsuse mõju igale pingerežiimile ning teostati elastoplastiliste lõplike elementide analüüs suurte deformatsioonide korral, et kvantifitseerida pinge kolmeteljelisuse muutust.Kompressioonirežiimi ei arvestatud proovi töötlemise piirangu tõttu, nimelt on OT-traadi läbimõõt vaid 2,5 mm.Tabelis 1 on loetletud lõplike elementide analüüsi abil saadud tõmbe- ja väändekatse, samuti pinge kolmeteljelisuse ja murde deformatsiooni katsetingimused.
Tavapäraste kolmeteljeliste teraste purunemise pinget saab ennustada järgmise võrrandi abil.
kus C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) puhas lõige (η = 0) ja C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Üheteljeline pinge (η = η0 = 1/3).
Iga pingerežiimi trendijooned saadakse, rakendades võrrandis murru deformatsiooni väärtusi C1 ja C2.(2);C1 ja C2 saadakse pinnadefektideta proovide tõmbe- ja väändekatsetest.Joonisel 4 on näidatud testide põhjal saadud pinge kolmeteljelisus ja murdepinge ning võrrandiga ennustatud trendijooned.(2) Testiga saadud trendijoon ning pinge triaksiaalsuse ja murdepinge seos näitavad sarnast trendi.Plastilise murdumise kriteeriumina kasutati iga pingerežiimi murde deformatsiooni ja pinge triaksiaalsust, mis saadi trendijoonte rakendamisel.
Katkestusenergiat kasutatakse materjali omadusena, et määrata pärast kaelust purunemise aega ja seda saab saada tõmbekatsetest.Murdeenergia sõltub pragude olemasolust või puudumisest materjali pinnal, kuna purunemiseni kuluv aeg sõltub kohalike pingete kontsentratsioonist.Joonistel 5a-c on näidatud pinnadefektideta ja R0,4 või R0,8 sälkudega proovide murdumisenergiad tõmbekatsetest ja lõplike elementide analüüsist.Murdeenergia vastab tegeliku pinge-nihke kõvera pindalale kaelusest murdumiseni.
Peente pinnadefektidega OT-traadi murdumisenergia ennustati tõmbekatsete läbiviimisel OT-traadiga, mille defekti sügavus oli suurem kui 40 µm, nagu on näidatud joonisel 5d.Tõmbekatsetes kasutati kümmet defektidega katsekeha ja keskmiseks murdeenergiaks hinnati 29,12 mJ/mm2.
Standardiseeritud pinnadefekt on defineeritud kui defekti sügavuse ja klapi vedrutraadi läbimõõdu suhe, olenemata autode klapivedrude valmistamisel kasutatava OT-traadi pinnadefekti geomeetriast.OT-traadi defekte saab klassifitseerida orientatsiooni, geomeetria ja pikkuse alusel.Isegi sama defekti sügavuse korral varieerub vedru pinnadefektile mõjuv pinge tase sõltuvalt defekti geomeetriast ja orientatsioonist, seega võib defekti geomeetria ja orientatsioon mõjutada väsimustugevust.Seetõttu on vaja võtta arvesse vedru väsimuseale kõige enam mõju avaldavate defektide geomeetriat ja orientatsiooni, et rakendada pinnadefektide haldamisel rangeid kriteeriume.OT-traadi peeneteralise struktuuri tõttu on selle väsimuse kestus väga tundlik sälkumise suhtes.Seetõttu tuleks lõplike elementide analüüsi abil esialgse defektina tuvastada defekt, millel on suurim pingekontsentratsioon vastavalt defekti geomeetriale ja orientatsioonile.Joonisel fig.6 näitab selles uuringus kasutatud ülikõrge tugevusega 2300 MPa klassi autode klapivedrusid.
OT-traadi pinnadefektid jaotatakse vedrutelje järgi sise- ja välisdefektideks.Külmvaltsimisel tekkinud painde tõttu mõjuvad survepinged ja tõmbepinged vastavalt vedru sise- ja välisküljele.Murdumise põhjuseks võivad olla pinnadefektid, mis ilmnevad väljastpoolt külmvaltsimisel tekkinud tõmbepingete tõttu.
Praktikas surutakse vedru perioodiliselt kokku ja lõdvestatakse.Vedru kokkusurumisel terastraat väändub ja pingete kontsentratsiooni tõttu on vedru sees olev nihkepinge suurem kui ümbritsev nihkepinge7.Seega, kui vedru sees on pinnadefekte, on vedru purunemise tõenäosus suurim.Seega on pinnadefektide asukohaks seatud vedru välimine külg (koht, kus vedru valmistamisel on oodata rikkeid) ja sisemine külg (kus tegeliku rakendamise korral on pinge suurim).
OT-joonte pinnadefektide geomeetria jaguneb U-kujuliseks, V-kujuliseks, Y-kujuliseks ja T-kujuliseks.Y-tüüpi ja T-tüüpi esinevad peamiselt toormaterjalide pinnadefektid ning U-tüüpi ja V-tüüpi defektid tekivad külmvaltsimise protsessis tööriistade hooletu käsitsemise tõttu.Mis puudutab toormaterjalide pinnadefektide geomeetriat, siis kuumvaltsimisel ebaühtlasest plastilisest deformatsioonist tekkivad U-kujulised defektid deformeeruvad mitmekäigulise venitamise käigus V-kujulisteks, Y-kujulisteks ja T-kujulisteks õmblusdefektideks8, 10.
Lisaks alluvad V-kujulised, Y-kujulised ja T-kujulised defektid, millel on pinnas oleva sälgu järsk kaldenurk, vedru töötamise ajal suure pingekontsentratsiooniga.Klapi vedrud painduvad külmvaltsimisel ja väänavad töötamise ajal.Kõrgema pingekontsentratsiooniga V- ja Y-kujuliste defektide pingekontsentratsioone võrreldi lõplike elementide analüüsiga, ABAQUS – kaubandusliku lõplike elementide analüüsi tarkvaraga.Pinge-deformatsiooni suhe on näidatud joonisel 1 ja võrrandis 1. (1) Selles simulatsioonis kasutatakse kahemõõtmelist (2D) ristkülikukujulist neljasõlmelist elementi ja elemendi minimaalne külje pikkus on 0,01 mm.Analüütilise mudeli jaoks kanti 2,5 mm läbimõõduga ja 7,5 mm pikkuse traadi 2D mudelile V-kujulised ja Y-kujulised defektid sügavusega 0,5 mm ja defekti kaldega 2°.
Joonisel fig.7a on näidatud paindepinge kontsentratsioon iga defekti tipus, kui iga juhtme mõlemale otsale rakendatakse paindemomenti 1500 Nmm.Analüüsi tulemused näitavad, et maksimaalsed pinged 1038,7 ja 1025,8 MPa esinevad vastavalt V- ja Y-kujuliste defektide tippudes.Joonisel fig.7b on näidatud pinge kontsentratsioon iga väändest põhjustatud defekti ülaosas.Kui vasak pool on piiratud ja paremale küljele rakendatakse pöördemomenti 1500 N∙mm, tekib V-kujuliste ja Y-kujuliste defektide otstes sama maksimaalne pinge 1099 MPa.Need tulemused näitavad, et V-tüüpi defektidel on suurem paindepinge kui Y-tüüpi defektidel, kui neil on defekti sügavus ja kalle sama, kuid neil on sama väändepinge.Seetõttu saab defekti sama sügavuse ja kaldega V-kujulised ja Y-kujulised pinnadefektid normaliseerida V-kujulisteks, millel on pingekontsentratsioonist tingitud suurem maksimaalne pinge.V-tüüpi defektide suuruse suhe on määratletud kui α = w/h, kasutades V-tüüpi ja T-tüüpi defektide sügavust (h) ja laiust (w);seega T-tüüpi defekt (α ≈ 0), selle asemel saab geomeetriat määratleda V-tüüpi defekti geomeetrilise struktuuriga.Seetõttu saab Y-tüüpi ja T-tüüpi defekte normaliseerida V-tüüpi defektidega.Kasutades sügavust (h) ja pikkust (l), on pikkuse suhe muidu määratletud kui β = l/h.
Nagu on näidatud joonisel 811, on OT-juhtmete pinnadefektide suunad jagatud piki-, põiki- ja kaldsuunaks, nagu on näidatud joonisel 811. Pindefektide orientatsiooni mõju analüüs lõpliku elemendi poolt vedru tugevusele meetod.
Joonisel fig.9a näitab mootori klapi vedru pingeanalüüsi mudelit.Analüüsi tingimusena suruti vedru vabalt kõrguselt 50,5 mm kõva kõrgusele 21,8 mm, vedru sees tekitati maksimaalne pinge 1086 MPa, nagu on näidatud joonisel 9b.Kuna tegelike mootori klapivedrude rike esineb peamiselt vedru sees, mõjutavad sisemised pinnadefektid eeldatavasti tõsiselt vedru tööiga.Seetõttu kantakse alammodelleerimise tehnikat kasutades mootori klapivedrude sisemusse piki-, põiki- ja kaldsuunalised pinnadefektid.Tabelis 2 on näidatud pinnadefektide mõõtmed ja maksimaalne pinge igas defekti suunas vedru maksimaalse kokkusurumise korral.Suurimaid pingeid täheldati põikisuunas ning piki- ja kaldsuunaliste pingete suhteks põiki hinnati 0,934–0,996.Pingete suhte saab määrata, jagades selle väärtuse lihtsalt maksimaalse põikpingega.Maksimaalne vedru pinge tekib iga pinnadefekti ülaosas, nagu on näidatud joonisel 9s.Täheldatud pingeväärtused piki-, põiki- ja kaldsuunas on vastavalt 2045, 2085 ja 2049 MPa.Nende analüüside tulemused näitavad, et põikpinna defektid mõjutavad kõige otsesemalt mootori klapivedrude väsimuse eluiga.
OT-juhtme algdefektiks valiti V-kujuline defekt, mis eeldatavasti kõige otsesemalt mõjutab mootori klapivedru väsimuse eluiga, ning defekti suunaks põikisuund.See defekt ei esine mitte ainult väljas, kus mootori ventiili vedru purunes valmistamise ajal, vaid ka sees, kus töötamise ajal tekib kõige suurem pinge pinge kontsentratsiooni tõttu.Maksimaalne vea sügavus on seatud 40 µm, mida saab tuvastada pöörisvoolu veatuvastusega, ja minimaalne sügavus on seatud sügavusele, mis vastab 0,1% traadi 2,5 mm läbimõõdust.Seetõttu on defekti sügavus 2,5 kuni 40 µm.Muutujatena kasutati defektide sügavust, pikkust ja laiust pikkuse suhtega 0,1–1 ja pikkuse suhtega 5–15 ning hinnati nende mõju vedru väsimustugevusele.Tabelis 3 on loetletud reaktsioonipinna metoodika abil määratud analüütilised tingimused.
Automootori klapivedrud valmistatakse OT-traadi külmmähkimise, karastamise, haavlipuhastuse ja kuumuse reguleerimise teel.Pindefektide muutusi vedrude valmistamisel tuleb arvesse võtta, et hinnata OT-juhtmete esialgsete pinnadefektide mõju mootori klapivedrude väsimuse kestusele.Seetõttu kasutatakse selles jaotises lõplike elementide analüüsi, et ennustada OT-traadi pinnadefektide deformatsiooni iga vedru valmistamise ajal.
Joonisel fig.10 kujutab külma kerimisprotsessi.Selle protsessi käigus juhitakse OT-traat etteanderulli abil traadijuhikusse.Traadijuhik toidab ja toetab traati, et vältida paindumist vormimisprotsessi ajal.Traadijuhikut läbiv traat painutatakse esimese ja teise varda abil, et moodustada soovitud siseläbimõõduga spiraalvedru.Vedru samm tekib astmelise tööriista liigutamisega ühe pöörde järel.
Joonisel fig.11a on kujutatud lõplike elementide mudelit, mida kasutatakse pinnadefektide geomeetria muutumise hindamiseks külmvaltsimise ajal.Traadi vormimise lõpetab peamiselt mähistihvt.Kuna traadi pinnal olev oksiidikiht toimib määrdeainena, on etteanderulli hõõrdeefekt tühine.Seetõttu on arvutusmudelis etteanderull ja traadijuhik puksina lihtsustatud.Hõõrdetegur OT-traadi ja vormimistööriista vahel määrati väärtusele 0,05.2D jäik kere tasapind ja fikseerimistingimused rakendatakse liini vasakusse otsa, et seda saaks etteanderulliga sama kiirusega (0,6 m/s) X-suunas ette anda.Joonisel fig.11b on näidatud alamsimulatsiooni meetod, mida kasutatakse juhtmetele väikeste defektide rakendamiseks.Pindefektide suuruse arvessevõtmiseks rakendatakse alammudelit 20 µm või enama sügavusega pinnadefektide puhul kaks korda ja alla 20 µm sügavuste pinnadefektide puhul kolm korda.Pinnadefektid kantakse võrdsete sammudega moodustatud aladele.Vedru üldmudelis on sirge traadijupi pikkus 100 mm.Esimese alammudeli puhul rakendage alammudelit 1 pikkusega 3 mm 75 mm pikiasendisse globaalsest mudelist.See simulatsioon kasutas kolmemõõtmelist (3D) kuusnurkset kaheksa sõlme elementi.Globaalses mudelis ja alammudelis 1 on iga elemendi minimaalne külje pikkus vastavalt 0,5 ja 0,2 mm.Pärast alammudeli 1 analüüsi rakendatakse alammudelile 2 pinnadefektid ning alammudeli 2 pikkus ja laius on 3 korda pinnadefekti pikkusest, et välistada alammudeli piirtingimuste mõju. Lisaks kasutatakse alammudeli sügavusena 50% pikkusest ja laiusest.Alammudelis 2 on iga elemendi minimaalne külje pikkus 0,005 mm.Lõplike elementide analüüsis rakendati teatud pinnadefekte, nagu on näidatud tabelis 3.
Joonisel fig.12 näitab pinge jaotust pinnapragudes pärast pooli külmtöötlust.Üldmudel ja alammudel 1 näitavad samas kohas peaaegu samu pingeid 1076 ja 1079 MPa, mis kinnitab alammodelleerimismeetodi õigsust.Lokaalsed pingekontsentratsioonid tekivad alammudeli piirservades.Ilmselt on see tingitud alammudeli piirtingimustest.Pingekontsentratsiooni tõttu näitab rakendatud pinnadefektidega alammudel 2 külmvaltsimisel defekti tipus pinget 2449 MPa.Nagu on näidatud tabelis 3, kanti reageerimispinna meetodil tuvastatud pinnadefektid vedru siseküljele.Lõplike elementide analüüsi tulemused näitasid, et ükski 13 pinnadefekti juhtumist ei ebaõnnestunud.
Mähkimisprotsessi käigus kõigis tehnoloogilistes protsessides suurenes vedru sees olevate pinnadefektide sügavus 0,1–2,62 µm (joonis 13a) ja laius vähenes 1,8–35,79 µm (joonis 13b), samas kui pikkus suurenes 0,72 –34,47 µm (joonis 13c).Kuna põiksuunaline V-kujuline defekt suletakse külmvaltsimise käigus painutamise teel laiuselt, siis deformeerub see algdefektist järsema kaldega V-kujuliseks defektiks.
OT-traadi pinnadefektide deformatsioon tootmisprotsessis sügavuses, laiuses ja pikkuses.
Kandke vedru välisküljele pinnadefektid ja ennustage lõplike elementide analüüsi abil külmvaltsimise ajal purunemise tõenäosust.Tabelis loetletud tingimustel.3, välispinna defektide hävimise tõenäosus puudub.Teisisõnu, pinnadefektide sügavusel 2,5 kuni 40 µm hävimist ei toimunud.
Kriitiliste pinnadefektide ennustamiseks uuriti külmvaltsimise ajal tekkinud väliseid murde, suurendades defekti sügavust 40 µm-lt 5 µm-ni.Joonisel fig.14 on kujutatud murrud piki pinnadefekte.Murdumine toimub sügavuse (55 µm), laiuse (2 µm) ja pikkuse (733 µm) tingimustes.Vedruvälise pinnadefekti kriitiliseks sügavuseks osutus 55 μm.
Haavli eemaldamise protsess pärsib pragude kasvu ja pikendab väsimuse eluiga, tekitades vedru pinnast teatud sügavusel survejääkpinge;see aga kutsub esile pinge kontsentratsiooni, suurendades vedru pinnakaredust, vähendades seega vedru väsimuskindlust.Seetõttu kasutatakse kõrgtugevate vedrude tootmiseks sekundaarset haavelpuhastustehnoloogiat, et kompenseerida haavlitöötlemisest tingitud pinnakareduse suurenemisest tingitud väsimuse vähenemist.Kaheetapiline haavlitamine võib parandada pinna karedust, maksimaalset survejääkpinget ja pinna kokkusurumise jääkpinget, sest teine ​​haavlitamine tehakse pärast esimest haavlikoore 12,13,14.
Joonisel fig.15 on kujutatud haavelpuhastusprotsessi analüütilist mudelit.Loodi elasts-plastiline mudel, milles 25 kuuli lasti OT-liini sihtpiirkonda haavlipuhastuseks.Haavelpuhastusanalüüsi mudelis kasutati lähtedefektidena külma mähise käigus deformeerunud OT-traadi pinnadefekte.Külmvaltsimise protsessist tekkivate jääkpingete eemaldamine karastamise teel enne haavelpuhastusprotsessi.Kasutati järgmisi haavelkera omadusi: tihedus (ρ): 7800 kg/m3, elastsusmoodul (E) – 210 GPa, Poissoni suhe (υ): 0,3.Hõõrdetegur kuuli ja materjali vahel on seatud väärtusele 0,1.Esimesel ja teisel sepistamiskäigul paisati 0,6 ja 0,3 mm läbimõõduga haavlid välja sama kiirusega 30 m/s.Pärast haavelpuhastusprotsessi (muude joonisel 13 näidatud tootmisprotsesside hulgas) oli vedru pinnadefektide sügavus, laius ja pikkus vahemikus -6,79 kuni 0,28 µm, -4,24 kuni 1,22 µm ja -2,59 kuni 1,69 µm, vastavalt µm.Materjali pinnaga risti paiskunud mürsu plastilise deformatsiooni tõttu väheneb defekti sügavus, eelkõige väheneb oluliselt defekti laius.Ilmselt oli defekt suletud haavlitest tekkinud plastilise deformatsiooni tõttu.
Kuumakahanemise protsessi ajal võivad külmkahanemise ja madala temperatuuriga lõõmutamise mõjud samaaegselt mõjutada mootori klapivedrut.Külm seadistus maksimeerib vedru pingetaset, surudes selle toatemperatuuril kokku kõrgeimale võimalikule tasemele.Sellisel juhul, kui mootori klapi vedru on koormatud üle materjali voolavuspiiri, deformeerub mootori klapi vedru plastiliselt, suurendades voolavuspiiri.Pärast plastilist deformatsiooni ventiili vedru paindub, kuid suurenenud voolavuspiir tagab ventiili vedru elastsuse tegelikus töös.Madala temperatuuriga lõõmutamine parandab kõrgetel temperatuuridel töötavate klapivedrude kuumust ja deformatsioonikindlust2.
FE analüüsis haavelpuhastamisel deformeerunud pinnadefektid ja röntgendifraktsiooni (XRD) seadmega mõõdetud jääkpingeväli rakendati alammudelile 2 (joonis 8), et järeldada defektide muutumist termokahanemise ajal.Vedru oli kavandatud töötama elastses vahemikus ja suruti selle vabalt kõrguselt 50,5 mm kokku 21,8 mm kõrgusele ja lasti seejärel analüüsi tingimusena naasta algsele kõrgusele 50,5 mm.Kuumakahanemise ajal muutub defekti geomeetria ebaoluliselt.Ilmselt pärsib haavelpuhastamisel tekkinud survejääkpinge 800 MPa ja rohkem pinnadefektide deformatsiooni.Pärast soojuskahanemist (joonis 13) varieerus pinnadefektide sügavus, laius ja pikkus vastavalt -0,13 kuni 0,08 µm, -0,75 kuni 0 µm ja 0,01 kuni 2,4 µm.
Joonisel fig.16 võrdleb sama sügavuse (40 µm), laiuse (22 µm) ja pikkusega (600 µm) U- ja V-kujuliste defektide deformatsioone.U- ja V-kujuliste defektide laiuse muutus on suurem kui pikkuse muutus, mis on põhjustatud külmvaltsimise ja haavelpuhastusprotsessi käigus laiuse suunas sulgumisest.Võrreldes U-kujuliste defektidega, tekkisid V-kujulised defektid suhteliselt sügavamal ja järsemate kaldega, mis viitab sellele, et V-kujuliste defektide rakendamisel võib läheneda konservatiivsele lähenemisele.
Selles jaotises käsitletakse OT-liini esialgse defekti deformatsiooni iga klapivedru tootmisprotsessi jaoks.Esialgne OT-traadi defekt rakendatakse klapivedru siseküljele, kus vedru töö ajal tekkivate suurte pingete tõttu on oodata rikkeid.OT-juhtmete põikisuunalised V-kujulised pinnadefektid suurenesid veidi sügavuses ja pikkuses ning kahanesid järsult laius külma mähise ajal painde tõttu.Sulgemine laiuse suunas toimub haavlite eemaldamise ajal, kusjuures lõpliku kuumuse seadistuse ajal on defektid vähe või üldse mitte.Külmvaltsimise ja haavlitöötlemise käigus on plastilise deformatsiooni tõttu suur laiusesuunaline deformatsioon.Klapivedru sees olev V-kujuline defekt muutub külmvaltsimise käigus laiuse sulgemise tõttu T-kujuliseks defektiks.