Kemična komponenta vijačne cevi iz nerjavečega jekla 310, Vpliv površinskih napak v jekleni žici, utrjeni z oljem, na življenjsko dobo ob utrujenosti vzmeti ventilov v avtomobilskih motorjih

Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Drsniki, ki prikazujejo tri članke na diapozitiv.Uporabite gumba za nazaj in naprej, da se premikate po diapozitivih, ali pa gumbe za krmiljenje diapozitivov na koncu, da se premikate po vsakem diapozitivu.

Zvite cevi iz nerjavečega jekla 310 / zvite ceviKemična sestavain sestava

Naslednja tabela prikazuje kemično sestavo nerjavečega jekla razreda 310S.

10 * 1 mm 9,25 * 1,24 mm 310 dobavitelji kapilarne navite cevi iz nerjavečega jekla

Fizične lastnosti

Fizikalne lastnosti nerjavečega jekla razreda 310S so prikazane v naslednji tabeli.

Mehanske lastnosti

Naslednja tabela opisuje mehanske lastnosti nerjavečega jekla razreda 310S.

Toplotne lastnosti

Toplotne lastnosti nerjavečega jekla razreda 310S so podane v naslednji tabeli.

Druge oznake

Druge oznake, ki ustrezajo nerjavnemu jeklu razreda 310S, so navedene v naslednji tabeli.

Namen te študije je oceniti življenjsko dobo ventilske vzmeti avtomobilskega motorja pri nanosu mikrodefektov na v olju utrjeno žico stopnje 2300 MPa (žica OT) s kritično globino napake 2,5 mm v premeru.Najprej je bila deformacija površinskih napak žice OT med izdelavo vzmeti ventila pridobljena z analizo končnih elementov z uporabo metod subsimulacije, preostala napetost končne vzmeti pa je bila izmerjena in uporabljena v modelu analize napetosti vzmeti.Drugič, analizirajte moč vzmeti ventila, preverite preostalo napetost in primerjajte stopnjo uporabljene napetosti s površinskimi nepopolnostmi.Tretjič, učinek mikronapak na vzdržljivost vzmeti je bil ovrednoten z uporabo napetosti na površinskih napakah, dobljene z analizo trdnosti vzmeti, na krivulje SN, dobljene iz preskusa upogibne utrujenosti med vrtenjem žice OT.Globina napake 40 µm je trenutni standard za obvladovanje površinskih napak brez ogrožanja življenjske dobe zaradi utrujenosti.
Avtomobilska industrija ima veliko povpraševanje po lahkih avtomobilskih komponentah za izboljšanje učinkovitosti goriva vozil.Tako se v zadnjih letih povečuje uporaba naprednega jekla visoke trdnosti (AHSS).Ventilske vzmeti avtomobilskih motorjev so večinoma sestavljene iz jeklenih žic, ki so odporne na vročino, obrabo in ne povešene, utrjene v olju (žice OT).
Zaradi visoke natezne trdnosti (1900–2100 MPa) trenutno uporabljene žice OT omogočajo zmanjšanje velikosti in mase vzmeti ventilov motorja, izboljšanje učinkovitosti goriva z zmanjšanjem trenja z okoliškimi deli1.Zaradi teh prednosti se uporaba visokonapetostne žične palice hitro povečuje in ena za drugo se pojavljajo ultra visoke trdnosti žične palice razreda 2300 MPa.Vzmeti ventilov v avtomobilskih motorjih zahtevajo dolgo življenjsko dobo, ker delujejo pod visokimi cikličnimi obremenitvami.Da bi izpolnili to zahtevo, proizvajalci pri načrtovanju vzmeti ventila običajno upoštevajo življenjsko dobo ob utrujenosti, ki je večja od 5,5 × 107 ciklov, in uporabijo preostalo napetost na površino vzmeti ventila s postopki strjevanja in toplotnega krčenja, da izboljšajo življenjsko dobo ob utrujenosti2.
Izvedenih je bilo kar nekaj študij o življenjski dobi vijačnih vzmeti v vozilih v normalnih pogojih delovanja.Gzal et al.Predstavljene so analitične, eksperimentalne in metode končnih elementov (FE) analize eliptičnih vijačnih vzmeti z majhnimi koti vijačnice pod statično obremenitvijo.Ta študija zagotavlja ekspliciten in preprost izraz za lokacijo največje strižne napetosti glede na razmerje stranic in indeks togosti ter zagotavlja tudi analitični vpogled v največjo strižno napetost, kritični parameter v praktičnih načrtih3.Pastorčič idr.Opisani so rezultati analize uničenja in utrujenosti spiralne vzmeti, odstranjene iz osebnega avtomobila po okvari v delovanju.Z eksperimentalnimi metodami smo preiskali zlomljeno vzmet in rezultati kažejo, da gre za primer porušitve zaradi korozijske utrujenosti4.luknja, itd. Več modelov življenjske dobe vzmeti z linearno regresijo je bilo razvitih za oceno življenjske dobe avtomobilskih vijačnih vzmeti ob utrujenosti.Putra in drugi.Zaradi neravnin na cestišču je določena življenjska doba vijačne vzmeti avtomobila.Vendar pa je bilo malo raziskav o tem, kako površinske napake, ki se pojavijo med proizvodnim procesom, vplivajo na življenjsko dobo avtomobilskih vijačnih vzmeti.
Površinske napake, ki se pojavijo med proizvodnim procesom, lahko privedejo do lokalne koncentracije napetosti v vzmetih ventilov, kar znatno zmanjša njihovo življenjsko dobo ob utrujanju.Površinske napake vzmeti ventilov povzročajo različni dejavniki, kot so površinske napake uporabljenih surovin, napake v orodjih, grobo ravnanje med hladnim valjanjem7.Površinske napake surovine so strme v obliki črke V zaradi vročega valjanja in večkratnega vlečenja, medtem ko so napake, ki nastanejo zaradi orodja za preoblikovanje in neprevidnega ravnanja, v obliki črke U z blagimi nagibi8,9,10,11.Napake v obliki črke V povzročajo višje koncentracije napetosti kot napake v obliki črke U, zato se za začetni material običajno uporabljajo stroga merila za obvladovanje napak.
Trenutni standardi za obvladovanje površinskih napak za žice OT vključujejo ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 in KS D 3580. DIN EN 10270-2 določa, da je globina površinske napake na premerih žice 0,5– 10 mm je manj kot 0,5–1 % premera žice.Poleg tega standarda JIS G 3561 in KS D 3580 zahtevata, da je globina površinskih napak v žičnici s premerom 0,5–8 mm manjša od 0,5 % premera žice.V ASTM A877/A877M-10 se morata proizvajalec in kupec dogovoriti o dovoljeni globini površinskih napak.Za merjenje globine napake na površini žice je žica običajno jedkana s klorovodikovo kislino, nato pa se globina napake izmeri z mikrometrom.Vendar pa lahko s to metodo merimo napake le na določenih področjih in ne na celotni površini končnega izdelka.Zato proizvajalci med postopkom vlečenja žice uporabljajo testiranje z vrtinčnimi tokovi za merjenje površinskih napak v neprekinjeno proizvedeni žici;ti testi lahko merijo globino površinskih napak do 40 µm.Jeklena žica razreda 2300 MPa, ki je v razvoju, ima višjo natezno trdnost in manjši raztezek kot obstoječa jeklena žica razreda 1900–2200 MPa, zato velja, da je življenjska doba vzmeti ventila zelo občutljiva na površinske napake.Zato je treba preveriti varnost uporabe obstoječih standardov za nadzor globine površinskih napak za jekleno žico razreda 1900-2200 MPa do jeklene žice razreda 2300 MPa.
Namen te študije je oceniti življenjsko dobo proti utrujenosti vzmeti ventila avtomobilskega motorja, ko se najmanjša globina razpoke, ki jo je mogoče izmeriti s preskušanjem z vrtinčnimi tokovi (tj. 40 µm), uporabi za OT žico razreda 2300 MPa (premer: 2,5 mm): kritična razpoka globina .Prispevek in metodologija te študije sta naslednja.
Kot začetna napaka v OT žici je bila uporabljena napaka v obliki črke V, ki resno vpliva na življenjsko dobo ob utrujenosti, v prečni smeri glede na os žice.Upoštevajte razmerje med dimenzijami (α) in dolžino (β) površinske napake, da vidite učinek njene globine (h), širine (w) in dolžine (l).Površinske napake nastanejo znotraj vzmeti, kjer najprej pride do okvare.
Za napovedovanje deformacije začetnih napak v OT žici med hladnim navijanjem je bil uporabljen subsimulacijski pristop, ki je upošteval čas analize in velikost površinskih napak, saj so napake v primerjavi z OT žico zelo majhne.globalni model.
Zaostale tlačne napetosti v vzmeti po dvostopenjskem streljanju so bile izračunane z metodo končnih elementov, rezultati pa so bili primerjani z meritvami po streljanju za potrditev analitičnega modela.Poleg tega so bile izmerjene preostale napetosti v vzmetih ventilov iz vseh proizvodnih procesov in uporabljene za analizo trdnosti vzmeti.
Napetosti v površinskih napakah so predvidene z analizo trdnosti vzmeti, pri čemer se upošteva deformacija napake pri hladnem valjanju in zaostala tlačna napetost v končani vzmeti.
Preskus rotacijske upogibne utrujenosti je bil izveden z OT žico, izdelano iz istega materiala kot vzmet ventila.Da bi korelirali značilnosti preostale napetosti in površinske hrapavosti izdelanih vzmeti ventila z OT linijami, so bile krivulje SN pridobljene z vrtljivimi preskusi utrujenosti pri upogibanju po uporabi dvostopenjskega strganja in torzije kot postopkov predhodne obdelave.
Rezultati analize trdnosti vzmeti se uporabijo za Goodmanovo enačbo in krivuljo SN za napovedovanje življenjske dobe ob utrujenosti vzmeti ventila, ovrednoten pa je tudi učinek globine površinske napake na življenjsko dobo ob utrujenosti.
V tej študiji je bila uporabljena žica razreda 2300 MPa OT s premerom 2,5 mm za oceno življenjske dobe proti utrujenosti vzmeti ventila avtomobilskega motorja.Najprej je bil izveden natezni preskus žice, da bi dobili njen model duktilnega loma.
Mehanske lastnosti žice OT so bile pridobljene z nateznimi preskusi pred analizo končnih elementov postopka hladnega navijanja in trdnosti vzmeti.Krivulja napetosti in deformacije materiala je bila določena z uporabo rezultatov nateznih preskusov pri hitrosti deformacije 0,001 s-1, kot je prikazano na sl.1. Uporabljena je žica SWONB-V, njena meja tečenja, natezna trdnost, modul elastičnosti in Poissonovo razmerje pa so 2001,2MPa, 2316MPa, 206GPa oziroma 0,3.Odvisnost napetosti od deformacije toka dobimo na naslednji način:
riž.2 prikazuje postopek duktilnega loma.Material je med deformacijo podvržen elastoplastični deformaciji, material pa se zoži, ko napetost v materialu doseže svojo natezno trdnost.Kasneje ustvarjanje, rast in povezovanje praznin v materialu povzroči uničenje materiala.
Model duktilnega loma uporablja model kritične deformacije, spremenjen s stresom, ki upošteva učinek napetosti, lom po vratu pa metodo kopičenja poškodb.Tukaj je začetek poškodbe izražen kot funkcija deformacije, triosne napetosti in stopnje deformacije.Triaksialnost napetosti je opredeljena kot povprečna vrednost, dobljena z deljenjem hidrostatične napetosti, ki jo povzroči deformacija materiala do oblikovanja vratu, z efektivno napetostjo.Pri metodi kopičenja škode pride do uničenja, ko vrednost škode doseže 1, energija, ki je potrebna za doseganje vrednosti škode 1, pa je definirana kot energija uničenja (Gf).Energija loma ustreza območju prave krivulje napetosti in premika materiala od vratu do časa loma.
V primeru običajnih jekel, odvisno od načina napetosti, pride do duktilnega loma, strižnega loma ali mešanega loma zaradi duktilnosti in strižnega loma, kot je prikazano na sliki 3. Lomna deformacija in triosna napetost sta pokazali različne vrednosti za vzorec zloma.
Plastična okvara se pojavi v območju, ki ustreza triosni napetosti več kot 1/3 (cona I), lomno deformacijo in triosno napetost pa je mogoče razbrati iz nateznih preskusov na vzorcih s površinskimi napakami in zarezami.V območju, ki ustreza triosni napetosti 0 ~ 1/3 (cona II), pride do kombinacije duktilnega loma in strižne odpovedi (tj. s torzijskim preskusom. V območju, ki ustreza triosni napetosti od -1/3 do 0 (III), strižno odpoved, ki jo povzroči stiskanje, ter triosno deformacijo zloma in napetosti je mogoče doseči s preskusom raztresanja.
Za žice OT, ki se uporabljajo pri izdelavi vzmeti ventilov motorjev, je treba upoštevati zlome, ki jih povzročajo različni pogoji obremenitve med proizvodnim procesom in pogoji uporabe.Zato so bili izvedeni natezni in torzijski preskusi za uporabo kriterija deformacije porušitve, upoštevan je bil učinek triosne napetosti na vsak način napetosti in izvedena je bila elastoplastična analiza končnih elementov pri velikih deformacijah, da bi se količinsko opredelila sprememba triosne napetosti.Način stiskanja ni bil upoštevan zaradi omejitve obdelave vzorca, in sicer je premer žice OT samo 2,5 mm.Tabela 1 navaja preskusne pogoje za natezno in torzijsko ter triosno napetost in lomno deformacijo, pridobljene z analizo končnih elementov.
Lomno deformacijo običajnih triosnih jekel pod obremenitvijo je mogoče predvideti z naslednjo enačbo.
kjer je C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) čisti rez (η = 0) in C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Enoosna napetost (η = η0 = 1/3).
Trendne črte za vsak način napetosti so pridobljene z uporabo vrednosti lomne deformacije C1 in C2 v enačbi.(2);C1 in C2 sta pridobljena z nateznimi in torzijskimi preskusi na vzorcih brez površinskih napak.Slika 4 prikazuje triosno napetost in lomno deformacijo, pridobljeno s preskusi, in trendne črte, predvidene z enačbo.(2) Trendna črta, dobljena s preskusom, in razmerje med triosno napetostjo in lomno deformacijo kažeta podoben trend.Lomna deformacija in triaksialnost napetosti za vsak način napetosti, dobljena z uporabo trendnih črt, sta bila uporabljena kot kriterij za duktilni lom.
Energija preloma se uporablja kot lastnost materiala za določanje časa do preloma po zvijanju in jo je mogoče pridobiti z nateznimi preskusi.Energija loma je odvisna od prisotnosti ali odsotnosti razpok na površini materiala, saj je čas do loma odvisen od koncentracije lokalnih napetosti.Slike 5a-c prikazujejo lomne energije vzorcev brez površinskih napak in vzorcev z zarezami R0,4 ali R0,8 iz nateznih preskusov in analize končnih elementov.Energija loma ustreza območju prave krivulje napetosti in premika od vratu do časa loma.
Energija loma žice OT z drobnimi površinskimi napakami je bila predvidena z izvedbo nateznih preskusov na žici OT z globino napake, večjo od 40 µm, kot je prikazano na sliki 5d.Pri nateznih preskusih je bilo uporabljenih deset vzorcev z napakami, povprečna lomna energija pa je bila ocenjena na 29,12 mJ/mm2.
Standardizirana površinska napaka je opredeljena kot razmerje med globino napake in premerom žice ventilske vzmeti, ne glede na geometrijo površinske napake žice OT, ki se uporablja pri izdelavi avtomobilskih ventilskih vzmeti.Okvare žice OT je mogoče razvrstiti glede na orientacijo, geometrijo in dolžino.Tudi pri enaki globini napake se stopnja napetosti, ki deluje na površinsko napako v vzmeti, spreminja glede na geometrijo in orientacijo napake, zato lahko geometrija in orientacija napake vplivata na utrujalno trdnost.Zato je treba upoštevati geometrijo in orientacijo napak, ki imajo največji vpliv na življenjsko dobo vzmeti proti utrujenosti, da bi uporabili stroga merila za obvladovanje površinskih napak.Zaradi drobnozrnate strukture žice OT je njena življenjska doba zelo občutljiva na zareze.Zato je treba napako, ki kaže največjo koncentracijo napetosti glede na geometrijo in orientacijo napake, določiti kot začetno napako z analizo končnih elementov.Na sl.Slika 6 prikazuje avtomobilske ventilske vzmeti izjemno visoke trdnosti 2300 MPa, uporabljene v tej študiji.
Površinske napake OT žice so razdeljene na notranje napake in zunanje napake glede na os vzmeti.Zaradi upogiba med hladnim valjanjem deluje tlačna napetost na notranji strani vzmeti, natezna napetost pa na zunanji strani vzmeti.Zlom lahko povzročijo površinske napake, ki se pojavijo od zunaj zaradi nateznih napetosti med hladnim valjanjem.
V praksi je vzmet podvržena občasnemu stiskanju in sproščanju.Med stiskanjem vzmeti se jeklenica zvija, zaradi koncentracije napetosti pa je strižna napetost znotraj vzmeti večja od okoliške strižne napetosti7.Če so torej v notranjosti vzmeti površinske napake, je verjetnost zloma vzmeti največja.Tako sta kot mesti površinskih napak nastavljeni zunanja stran vzmeti (mesto, kjer se pričakuje okvara med izdelavo vzmeti) in notranja stran (kjer je napetost pri dejanski uporabi največja).
Geometrija površinske napake OT linij je razdeljena na U-obliko, V-obliko, Y-obliko in T-obliko.Tip Y in T obstajata predvsem v površinskih napakah surovin, napake tipa U in V pa nastanejo zaradi neprevidnega ravnanja z orodji v procesu hladnega valjanja.Glede na geometrijo površinskih napak v surovinah se napake v obliki črke U, ki izhajajo iz neenakomerne plastične deformacije med vročim valjanjem, deformirajo v napake šivov v obliki črke V, oblike Y in T pri raztezanju v več prehodih8, 10.
Poleg tega bodo napake v obliki črke V, Y in T s strmimi nagibi zareze na površini izpostavljene visoki koncentraciji napetosti med delovanjem vzmeti.Vzmeti ventilov se med hladnim valjanjem upognejo, med delovanjem pa zvijajo.Koncentracije napetosti defektov v obliki črke V in oblike Y z višjimi koncentracijami napetosti smo primerjali z analizo končnih elementov, ABAQUS – komercialna programska oprema za analizo končnih elementov.Razmerje med napetostjo in deformacijo je prikazano na sliki 1 in v enačbi 1. (1) Ta simulacija uporablja dvodimenzionalni (2D) pravokotni element s štirimi vozlišči, najmanjša stranska dolžina elementa pa je 0,01 mm.Za analitični model smo defekte v obliki črke V in Y z globino 0,5 mm in naklonom defekta 2° nanesli na 2D model žice s premerom 2,5 mm in dolžino 7,5 mm.
Na sl.Slika 7a prikazuje koncentracijo upogibne napetosti na konici vsake napake, ko se na oba konca vsake žice uporabi upogibni moment 1500 Nmm.Rezultati analize kažejo, da se največje napetosti 1038,7 in 1025,8 MPa pojavljajo na vrhovih defektov v obliki črke V oziroma v obliki črke Y.Na sl.7b prikazuje koncentracijo napetosti na vrhu vsake napake, ki jo povzroča torzija.Ko je leva stran omejena in se na desno stran uporabi navor 1500 N∙mm, se na konicah napak v obliki črke V in oblike Y pojavi enaka največja napetost 1099 MPa.Ti rezultati kažejo, da imajo napake tipa V večjo upogibno napetost kot napake tipa Y, če imajo enako globino in naklon napake, vendar doživljajo enako torzijsko obremenitev.Zato je mogoče površinske napake v obliki črke V in Y z enako globino in naklonom napake normalizirati na tiste v obliki črke V z večjo največjo napetostjo, ki jo povzroča koncentracija napetosti.Razmerje velikosti napak tipa V je definirano kot α = w/h z uporabo globine (h) in širine (w) napak tipa V in tipa T;tako namesto napake tipa T (α ≈ 0) lahko geometrijo definiramo z geometrijsko strukturo napake tipa V.Zato je mogoče napake tipa Y in T normalizirati z napakami tipa V.Z uporabo globine (h) in dolžine (l) je sicer razmerje dolžin definirano kot β = l/h.
Kot je prikazano na sliki 811, so smeri površinskih napak žic OT razdeljene na vzdolžne, prečne in poševne smeri, kot je prikazano na sliki 811. Analiza vpliva orientacije površinskih napak na trdnost vzmeti s končnim elementom metoda.
Na sl.9a prikazuje model analize napetosti vzmeti ventila motorja.Kot pogoj za analizo je bila vzmet stisnjena s proste višine 50,5 mm na trdo višino 21,8 mm, znotraj vzmeti je nastala največja napetost 1086 MPa, kot je prikazano na sliki 9b.Ker do okvare dejanskih vzmeti ventila motorja večinoma pride znotraj vzmeti, se pričakuje, da bo prisotnost notranjih površinskih napak resno vplivala na življenjsko dobo vzmeti proti utrujenosti.Zato se površinske napake v vzdolžni, prečni in poševni smeri nanesejo na notranjo stran vzmeti ventila motorja s tehnikami podmodeliranja.Tabela 2 prikazuje dimenzije površinskih defektov in največje napetosti v vsaki smeri defekta pri največjem stiskanju vzmeti.Največje napetosti so bile opažene v prečni smeri, razmerje napetosti v vzdolžni in poševni smeri proti prečni smeri pa je bilo ocenjeno na 0,934–0,996.Razmerje napetosti lahko določite tako, da to vrednost preprosto delite z največjo prečno napetostjo.Največja napetost vzmeti se pojavi na vrhu vsake površinske napake, kot je prikazano na sliki 9s.Vrednosti napetosti, opazovane v vzdolžni, prečni in poševni smeri, so 2045, 2085 in 2049 MPa.Rezultati teh analiz kažejo, da prečne površinske napake najbolj neposredno vplivajo na življenjsko dobo ventilskih vzmeti motorja.
Kot začetni defekt žice OT je bil izbran defekt v obliki črke V, za katerega se domneva, da najbolj neposredno vpliva na življenjsko dobo ob utrujanju vzmeti ventila motorja, kot smer defekta pa je bila izbrana prečna smer.Ta napaka se ne pojavlja samo zunaj, kjer je pri izdelavi počila vzmet ventila motorja, ampak tudi znotraj, kjer se zaradi koncentracije napetosti med delovanjem pojavlja največja obremenitev.Največja globina razpoke je nastavljena na 40 µm, kar je mogoče zaznati z vrtinčnim tokovnim odkrivanjem razpok, najmanjša globina pa je nastavljena na globino, ki ustreza 0,1 % premera žice 2,5 mm.Zato je globina defekta od 2,5 do 40 µm.Kot spremenljivke so bile uporabljene globina, dolžina in širina razpok z razmerjem dolžine 0,1~1 in razmerjem dolžine 5~15 in ovrednoten je bil njihov vpliv na utrujenostno trdnost vzmeti.Tabela 3 navaja analitske pogoje, določene z metodologijo odzivne površine.
Vzmeti ventilov za avtomobilske motorje so izdelane s hladnim navijanjem, kaljenjem, peskanjem in toplotnim strjevanjem OT žice.Spremembe površinskih napak med izdelavo vzmeti je treba upoštevati, da se oceni učinek začetnih površinskih napak v žicah OT na življenjsko dobo vzmeti ventila motorja.Zato je v tem razdelku analiza končnih elementov uporabljena za napovedovanje deformacije površinskih napak žice OT med izdelavo vsake vzmeti.
Na sl.10 prikazuje postopek hladnega navijanja.Med tem postopkom podajalni valj dovaja OT žico v vodilo žice.Vodilo žice dovaja in podpira žico, da prepreči upogibanje med postopkom oblikovanja.Žico, ki gre skozi vodilo žice, upogneta prva in druga palica, da se oblikuje vijačna vzmet z želenim notranjim premerom.Korak vzmeti se ustvari s premikanjem koračnega orodja po enem obratu.
Na sl.11a prikazuje model končnih elementov, ki se uporablja za ovrednotenje spremembe v geometriji površinskih napak med hladnim valjanjem.Oblikovanje žice se v glavnem zaključi z zatičem za navijanje.Ker oksidna plast na površini žice deluje kot mazivo, je učinek trenja podajalnega valja zanemarljiv.Zato sta v modelu izračuna podajalni valj in vodilo žice poenostavljena kot puša.Koeficient trenja med žico OT in oblikovalnim orodjem je bil nastavljen na 0,05.2D ravnina togega telesa in pogoji fiksiranja se uporabijo za levi konec vrvi, tako da se lahko podaja v smeri X z enako hitrostjo kot podajalni valj (0,6 m/s).Na sl.11b prikazuje subsimulacijsko metodo, uporabljeno za nanos majhnih napak na žice.Da bi upoštevali velikost površinskih napak, se podmodel uporabi dvakrat za površinske napake z globino 20 µm ali več in trikrat za površinske napake z globino manj kot 20 µm.Površinske napake se nanašajo na območja, oblikovana z enakimi koraki.V celotnem modelu vzmeti je dolžina ravnega kosa žice 100 mm.Za prvi podmodel uporabite podmodel 1 z dolžino 3 mm na vzdolžni položaj 75 mm od globalnega modela.Ta simulacija je uporabila tridimenzionalni (3D) šesterokotni element z osmimi vozlišči.V globalnem modelu in podmodelu 1 je najmanjša stranska dolžina vsakega elementa 0,5 oziroma 0,2 mm.Po analizi podmodela 1 se površinske napake uporabijo za podmodel 2, dolžina in širina podmodela 2 pa sta 3-kratni dolžini površinske napake, da se odpravi vpliv robnih pogojev podmodela, v poleg tega se 50 % dolžine in širine uporabi kot globina podmodela.V podmodelu 2 je najmanjša stranska dolžina vsakega elementa 0,005 mm.Nekatere površinske napake so bile uporabljene pri analizi končnih elementov, kot je prikazano v tabeli 3.
Na sl.12 prikazuje porazdelitev napetosti v površinskih razpokah po hladni obdelavi tuljave.Splošni model in podmodel 1 prikazujeta skoraj enake napetosti 1076 in 1079 MPa na istem mestu, kar potrjuje pravilnost metode podmodeliranja.Lokalne koncentracije napetosti se pojavijo na mejnih robovih podmodela.Očitno je to posledica robnih pogojev podmodela.Zaradi koncentracije napetosti podmodel 2 z nanesenimi površinskimi napakami kaže napetost 2449 MPa na konici napake med hladnim valjanjem.Kot je prikazano v tabeli 3, so bile površinske napake, ugotovljene z metodo odzivne površine, nanesene na notranjo stran vzmeti.Rezultati analize končnih elementov so pokazali, da noben od 13 primerov površinskih napak ni bil neuspešen.
Pri navijanju v vseh tehnoloških procesih se je globina površinskih defektov znotraj vzmeti povečala za 0,1–2,62 µm (slika 13a), širina pa zmanjšala za 1,8–35,79 µm (slika 13b), dolžina pa se je povečala za 0,72. –34,47 µm (slika 13c).Ker je prečna napaka v obliki črke V zaprta po širini z upogibanjem med postopkom hladnega valjanja, se deformira v napako v obliki črke V s strmejšim naklonom kot prvotna napaka.
Deformacija globine, širine in dolžine površinskih napak OT žice v proizvodnem procesu.
Nanesite površinske napake na zunanji del vzmeti in predvidite verjetnost zloma med hladnim valjanjem z analizo končnih elementov.Pod pogoji navedenimi v tabeli.3, ni verjetnosti uničenja napak na zunanji površini.Z drugimi besedami, pri globini površinskih napak od 2,5 do 40 µm ni prišlo do uničenja.
Za napovedovanje kritičnih površinskih napak so bili raziskani zunanji zlomi med hladnim valjanjem s povečanjem globine napake s 40 µm na 5 µm.Na sl.14 prikazuje zlome vzdolž površinskih napak.Zlom se pojavi pri pogojih globine (55 µm), širine (2 µm) in dolžine (733 µm).Izkazalo se je, da je kritična globina površinske napake zunaj vzmeti 55 μm.
Postopek hitrega peeninga zavira rast razpok in podaljšuje življenjsko dobo ob utrujenosti z ustvarjanjem preostale tlačne napetosti na določeni globini od površine vzmeti;vendar povzroči koncentracijo napetosti s povečanjem površinske hrapavosti vzmeti, s čimer se zmanjša odpornost proti utrujenosti vzmeti.Zato se za izdelavo vzmeti visoke trdnosti uporablja tehnologija sekundarnega streljanja, ki kompenzira zmanjšanje življenjske dobe zaradi utrujenosti, ki jo povzroča povečanje površinske hrapavosti zaradi drobljenja.Dvostopenjsko drobljenje lahko izboljša površinsko hrapavost, največjo tlačno preostalo napetost in površinsko tlačno preostalo napetost, ker se drugo drobljenje izvede po prvem udarnem vrtanju12,13,14.
Na sl.15 prikazuje analitični model procesa peskanja.Ustvarjen je bil elastično-plastični model, v katerem je bilo 25 strelnih krogel spuščenih v ciljno lokalno območje linije OT za peskanje.V modelu analize peskanja so bile kot začetne napake uporabljene površinske napake OT žice, deformirane med hladnim navijanjem.Odstranjevanje zaostalih napetosti, ki nastanejo pri postopku hladnega valjanja s popuščanjem pred postopkom peskanja.Uporabljene so bile naslednje lastnosti krogle: gostota (ρ): 7800 kg/m3, modul elastičnosti (E) – 210 GPa, Poissonovo razmerje (υ): 0,3.Koeficient trenja med kroglo in materialom je nastavljen na 0,1.Pri prvem in drugem prehodu kovanja so bili z enako hitrostjo 30 m/s izvrženi sabni s premerom 0,6 in 0,3 mm.Po postopku peskanja (med drugimi proizvodnimi postopki, prikazanimi na sliki 13) so bile globina, širina in dolžina površinskih napak v vzmeti od -6,79 do 0,28 µm, -4,24 do 1,22 µm in -2,59 do 1,69 µm oziroma µm.Zaradi plastične deformacije projektila, izvrženega pravokotno na površino materiala, se globina napake zmanjša, zlasti širina napake se znatno zmanjša.Očitno je bila napaka zaprta zaradi plastične deformacije, ki jo je povzročilo streljanje.
Med postopkom toplotnega krčenja lahko učinki hladnega krčenja in nizkotemperaturnega žarjenja hkrati delujejo na vzmet ventila motorja.Hladna nastavitev poveča stopnjo napetosti vzmeti tako, da jo stisne na najvišjo možno raven pri sobni temperaturi.V tem primeru, če je vzmet ventila motorja obremenjena nad mejo tečenja materiala, se vzmet ventila motorja plastično deformira, kar poveča mejo tečenja.Po plastični deformaciji se vzmet ventila upogne, vendar povečana meja tečenja zagotavlja elastičnost vzmeti ventila v dejanskem delovanju.Nizkotemperaturno žarjenje izboljša toplotno in deformacijsko odpornost vzmeti ventilov, ki delujejo pri visokih temperaturah2.
Površinske napake, deformirane med peskanjem v analizi FE, in polje preostalih napetosti, izmerjeno z opremo za rentgensko difrakcijo (XRD), so bile uporabljene za podmodel 2 (slika 8), da bi ugotovili spremembo napak med toplotnim krčenjem.Vzmet je bila zasnovana za delovanje v elastičnem območju in je bila stisnjena s svoje proste višine 50,5 mm na trdno višino 21,8 mm, nato pa je bila kot pogoj za analizo omogočena vrnitev na prvotno višino 50,5 mm.Pri toplotnem krčenju se geometrija napake neznatno spremeni.Očitno preostala tlačna napetost 800 MPa in več, ustvarjena s peskanjem, zavira deformacijo površinskih napak.Po toplotnem krčenju (slika 13) so se globina, širina in dolžina površinskih napak spreminjale od -0,13 do 0,08 µm, od -0,75 do 0 µm in od 0,01 do 2,4 µm.
Na sl.16 primerja deformacije defektov v obliki črke U in V enake globine (40 µm), širine (22 µm) in dolžine (600 µm).Sprememba širine napak v obliki črke U in V je večja od spremembe dolžine, ki nastane zaradi zapiranja v smeri širine med postopkom hladnega valjanja in peskanja.V primerjavi z napakami v obliki črke U so se napake v obliki črke V oblikovale na relativno večji globini in s strmejšimi pobočji, kar kaže, da je pri nanašanju napak v obliki črke V mogoče uporabiti konzervativen pristop.
V tem razdelku je obravnavana deformacija začetne napake v liniji OT za vsak postopek izdelave vzmeti ventila.Začetna napaka žice OT se nanaša na notranjo stran vzmeti ventila, kjer je pričakovana okvara zaradi velikih napetosti med delovanjem vzmeti.Prečne površinske napake v obliki črke V OT žic so se rahlo povečale v globino in dolžino ter močno zmanjšale v širino zaradi upogibanja med hladnim navijanjem.Zapiranje v smeri širine se pojavi med streljanjem z malo ali brez opazne deformacije napake med končnim strjevanjem.V procesu hladnega valjanja in drobljenja je zaradi plastične deformacije velika deformacija v smeri širine.Napaka v obliki črke V znotraj vzmeti ventila se zaradi zaprtja širine med postopkom hladnega valjanja spremeni v napako v obliki črke T.