310 جزء شیمیایی لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ، تأثیر عیوب سطحی سیم فولادی سخت شده با روغن بر عمر خستگی فنرهای سوپاپ در موتورهای خودرو

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نشان می‌دهیم.
اسلایدرهایی که سه مقاله را در هر اسلاید نشان می دهند.برای حرکت در اسلایدها از دکمه های پشت و بعدی استفاده کنید یا از دکمه های کنترلر اسلاید در انتها برای حرکت در هر اسلاید استفاده کنید.

لوله های سیم پیچ فولادی ضد زنگ 310 / لوله های سیم پیچترکیب شیمیاییو ترکیب

جدول زیر ترکیب شیمیایی فولاد ضد زنگ گرید 310S را نشان می دهد.

10*1mm 9.25*1.24 میلی متر 310 تامین کننده لوله مویرگی فولادی ضد زنگ

مشخصات فیزیکی

خواص فیزیکی فولاد ضد زنگ گرید 310S در جدول زیر نمایش داده شده است.

ویژگی های مکانیکی

جدول زیر مشخصات مکانیکی فولاد ضد زنگ درجه 310S را نشان می دهد.

خواص حرارتی

خواص حرارتی فولاد ضد زنگ گرید 310S در جدول زیر آورده شده است.

نامگذاری های دیگر

سایر نامگذاری های معادل فولاد ضد زنگ درجه 310S در جدول زیر آورده شده است.

هدف از این مطالعه ارزیابی عمر خستگی یک فنر سوپاپ موتور خودرو هنگام اعمال ریزنقایص به سیم سخت شده با روغن 2300 مگاپاسکال (سیم OT) با عمق عیب بحرانی 2.5 میلی متر در قطر است.ابتدا تغییر شکل عیوب سطحی سیم OT در حین ساخت فنر سوپاپ با استفاده از روش های شبیه سازی المان محدود به دست آمد و تنش پسماند فنر تمام شده اندازه گیری و بر روی مدل تحلیل تنش فنر اعمال شد.دوم، استحکام فنر سوپاپ را تجزیه و تحلیل کنید، تنش پسماند را بررسی کنید و سطح تنش اعمال شده را با عیوب سطح مقایسه کنید.سوم، اثر ریزعیب‌ها بر عمر خستگی فنر با اعمال تنش بر روی عیوب سطحی به‌دست‌آمده از آنالیز مقاومت فنر به منحنی‌های SN به‌دست‌آمده از آزمایش خستگی خمشی در طول چرخش سیم OT، ارزیابی شد.عمق عیب 40 میکرومتر استاندارد فعلی برای مدیریت عیوب سطحی بدون به خطر انداختن عمر خستگی است.
صنعت خودرو تقاضای زیادی برای قطعات سبک وزن برای بهبود بهره وری سوخت وسایل نقلیه دارد.بنابراین، استفاده از فولاد پیشرفته با استحکام بالا (AHSS) در سال‌های اخیر رو به افزایش بوده است.فنرهای سوپاپ موتور خودرو عمدتاً از سیم های فولادی مقاوم در برابر حرارت، مقاوم در برابر سایش و بدون افتادگی (سیم های OT) تشکیل شده است.
به دلیل استحکام کششی بالا (1900-2100 مگاپاسکال)، سیم‌های OT مورد استفاده در حال حاضر امکان کاهش اندازه و جرم فنرهای سوپاپ موتور، بهبود بازده سوخت را با کاهش اصطکاک با قطعات اطراف فراهم می‌کنند.با توجه به این مزایا، استفاده از سیم میله ولتاژ بالا به سرعت در حال افزایش است و سیم میله با مقاومت فوق العاده بالا از کلاس 2300MPa یکی پس از دیگری ظاهر می شود.فنرهای سوپاپ در موتورهای خودرو به طول عمر طولانی نیاز دارند زیرا تحت بارهای چرخه ای بالا کار می کنند.برای برآوردن این نیاز، سازندگان معمولاً در هنگام طراحی فنرهای سوپاپ، عمر خستگی را بیشتر از 5.5×107 سیکل در نظر می‌گیرند و برای بهبود عمر خستگی، فشار باقیمانده به سطح فنر سوپاپ از طریق فرآیندهای شات‌پینی و انقباض حرارتی اعمال می‌کنند.
مطالعات زیادی در مورد عمر خستگی فنرهای مارپیچ در خودروها در شرایط عملیاتی عادی انجام شده است.گزال و همکارانتحلیل‌های تحلیلی، تجربی و المان محدود (FE) فنرهای مارپیچ بیضوی با زوایای مارپیچ کوچک تحت بار استاتیکی ارائه شده‌اند.این مطالعه بیانی صریح و ساده برای مکان حداکثر تنش برشی در مقابل نسبت ابعاد و شاخص سختی ارائه می‌کند، و همچنین بینش تحلیلی را در مورد حداکثر تنش برشی، یک پارامتر حیاتی در طرح‌های عملی، ارائه می‌کند.پاستورسیچ و همکاراننتایج تجزیه و تحلیل تخریب و خستگی یک فنر مارپیچ که از یک خودروی شخصی خارج شده پس از شکست در عملیات شرح داده شده است.با استفاده از روش‌های تجربی، فنر شکسته مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان می‌دهد که این یک نمونه از شکست خستگی ناشی از خوردگی است.حفره و غیره. چندین مدل عمر فنر رگرسیون خطی برای ارزیابی عمر خستگی فنرهای مارپیچ خودرو توسعه داده شده است.پوترا و دیگران.به دلیل ناهمواری سطح جاده، عمر مفید فنر مارپیچ خودرو مشخص می شود.با این حال، تحقیقات کمی در مورد اینکه چگونه عیوب سطحی که در طول فرآیند تولید رخ می دهد، بر عمر فنرهای خودرو تأثیر می گذارد، انجام شده است.
عیوب سطحی که در طول فرآیند ساخت رخ می دهد می تواند منجر به تمرکز تنش موضعی در فنرهای شیر شود که به طور قابل توجهی عمر خستگی آنها را کاهش می دهد.عیوب سطحی فنرهای سوپاپ در اثر عوامل مختلفی از جمله عیوب سطحی مواد اولیه مورد استفاده، نقص در ابزارها، حمل خشن هنگام نورد سرد ایجاد می شود.عیوب سطحی ماده اولیه به دلیل نورد گرم و کشش چند گذری به شدت V شکل است، در حالی که عیوب ناشی از ابزار شکل دهی و حمل بی دقتی U شکل با شیب های ملایم 8،9،10،11 است.عیوب V شکل نسبت به عیوب U شکل غلظت تنش بالاتری ایجاد می‌کنند، بنابراین معیارهای مدیریت عیب دقیق معمولاً برای ماده اولیه اعمال می‌شود.
استانداردهای مدیریت عیوب سطح فعلی برای سیم‌های OT شامل ASTM A877/A877M-10، DIN EN 10270-2، JIS G 3561، و KS D 3580 است. 10 میلی متر کمتر از 0.5-1٪ قطر سیم است.علاوه بر این، JIS G 3561 و KS D 3580 نیاز دارند که عمق عیوب سطحی در میله سیم با قطر 0.5-8 میلی متر کمتر از 0.5٪ قطر سیم باشد.در ASTM A877/A877M-10، سازنده و خریدار باید در مورد عمق مجاز عیوب سطح توافق کنند.برای اندازه گیری عمق عیب روی سطح سیم، معمولاً سیم را با اسید کلریدریک اچ می کنند و سپس با استفاده از میکرومتر عمق عیب را اندازه گیری می کنند.با این حال، این روش فقط می تواند عیوب را در مناطق خاصی اندازه گیری کند و نه در کل سطح محصول نهایی.بنابراین، سازندگان از آزمایش جریان گردابی در طول فرآیند کشیدن سیم برای اندازه‌گیری عیوب سطحی سیم‌های تولیدی پیوسته استفاده می‌کنند.این تست ها می توانند عمق عیوب سطحی را تا 40 میکرومتر اندازه گیری کنند.سیم فولادی درجه 2300 مگاپاسکال در حال توسعه استحکام کششی بالاتر و ازدیاد طول کمتری نسبت به سیم فولادی با گرید 1900-2200 مگا پاسکال دارد، بنابراین عمر خستگی فنر سوپاپ نسبت به عیوب سطحی بسیار حساس است.بنابراین لازم است ایمنی اعمال استانداردهای موجود برای کنترل عمق عیوب سطحی برای سیم فولادی گرید 1900-2200 مگاپاسکال تا سیم فولادی گرید 2300 مگاپاسکال بررسی شود.
هدف از این مطالعه ارزیابی عمر خستگی یک فنر سوپاپ موتور خودرو زمانی است که حداقل عمق عیب قابل اندازه‌گیری با آزمایش جریان گردابی (یعنی 40 میکرومتر) روی سیم OT با درجه 2300 مگاپاسکال (قطر: 2.5 میلی‌متر) اعمال شود: نقص بحرانی عمق .سهم و روش شناسی این مطالعه به شرح زیر است.
به عنوان نقص اولیه در سیم OT، یک نقص V شکل استفاده شد که به طور جدی عمر خستگی را در جهت عرضی نسبت به محور سیم تحت تاثیر قرار می دهد.نسبت ابعاد (α) و طول (β) یک عیب سطحی را در نظر بگیرید تا تأثیر عمق (h)، عرض (w) و طول (l) آن را ببینید.عیوب سطح در داخل فنر رخ می دهد، جایی که ابتدا خرابی رخ می دهد.
برای پیش بینی تغییر شکل عیوب اولیه در سیم OT در طول سیم پیچ سرد، از یک رویکرد شبیه سازی فرعی استفاده شد که زمان تجزیه و تحلیل و اندازه عیوب سطح را در نظر گرفت، زیرا عیوب در مقایسه با سیم OT بسیار کوچک هستند.مدل جهانی
تنش‌های فشاری پسماند در فنر پس از لایه‌برداری دو مرحله‌ای به روش اجزای محدود محاسبه شد، نتایج با اندازه‌گیری‌های پس از ضربه‌گیری برای تایید مدل تحلیلی مقایسه شد.علاوه بر این، تنش‌های پسماند در فنرهای شیر از تمام فرآیندهای تولید اندازه‌گیری شد و برای تجزیه و تحلیل مقاومت فنر اعمال شد.
تنش‌ها در عیوب سطحی با تحلیل استحکام فنر، با در نظر گرفتن تغییر شکل عیب در هنگام نورد سرد و تنش فشاری باقی‌مانده در فنر تمام‌شده، پیش‌بینی می‌شوند.
تست خستگی خمشی چرخشی با استفاده از سیم OT ساخته شده از همان ماده بهار دریچه انجام شد.به منظور ارتباط تنش پسماند و ویژگی‌های زبری سطح فنرهای دریچه ساخته شده با خطوط OT، منحنی‌های SN با تست‌های خستگی خمشی چرخشی پس از اعمال ضربه‌گیری دو مرحله‌ای و پیچش به عنوان فرآیندهای پیش تصفیه به‌دست آمدند.
نتایج تجزیه و تحلیل استحکام فنر به معادله گودمن و منحنی SN برای پیش‌بینی عمر خستگی فنر سوپاپ اعمال می‌شود و تأثیر عمق نقص سطح بر عمر خستگی نیز ارزیابی می‌شود.
در این مطالعه، یک سیم OT 2300 مگاپاسکال با قطر 2.5 میلی متر برای ارزیابی عمر خستگی فنر سوپاپ موتور خودرو استفاده شد.ابتدا آزمایش کشش سیم برای به دست آوردن مدل شکست انعطاف پذیر آن انجام شد.
خواص مکانیکی سیم OT از آزمایش های کششی قبل از تجزیه و تحلیل اجزای محدود فرآیند سیم پیچ سرد و استحکام فنر به دست آمد.منحنی تنش-کرنش ماده با استفاده از نتایج آزمایش‌های کششی با نرخ کرنش 0.001 s-1 تعیین شد، همانطور که در شکل نشان داده شده است.1. سیم SWONB-V استفاده می شود و استحکام تسلیم، استحکام کششی، مدول الاستیک و نسبت پواسون به ترتیب 2001.2MPa، 2316MPa، 206GPa و 0.3 می باشد.وابستگی تنش به کرنش جریان به صورت زیر بدست می آید:
برنج.2 فرآیند شکستگی انعطاف پذیر را نشان می دهد.این ماده در طول تغییر شکل دچار تغییر شکل الاستوپلاستیک می شود و زمانی که تنش در ماده به استحکام کششی خود می رسد، ماده باریک می شود.متعاقباً ایجاد، رشد و تداعی فضاهای خالی در ماده منجر به از بین رفتن مواد می شود.
مدل شکست انعطاف‌پذیر از مدل تغییر شکل بحرانی اصلاح‌شده با تنش استفاده می‌کند که اثر تنش را در نظر می‌گیرد و شکست پس از گردن از روش تجمع آسیب استفاده می‌کند.در اینجا، شروع آسیب به عنوان تابعی از کرنش، سه محوری تنش و نرخ کرنش بیان می شود.سه محوری تنش به عنوان مقدار متوسط ​​به دست آمده از تقسیم تنش هیدرواستاتیک ناشی از تغییر شکل ماده تا تشکیل گردن توسط تنش موثر تعریف می شود.در روش انباشت خسارت، تخریب زمانی رخ می دهد که مقدار خسارت به 1 برسد و انرژی لازم برای رسیدن به مقدار خسارت 1 به عنوان انرژی تخریب (Gf) تعریف می شود.انرژی شکست مربوط به ناحیه منحنی تنش-جابجایی واقعی ماده از زمان گردن تا شکست است.
در مورد فولادهای معمولی، بسته به حالت تنش، شکست شکل پذیر، شکست برشی یا شکست حالت مخلوط به دلیل شکل پذیری و شکست برشی رخ می دهد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. کرنش شکست و سه محوری تنش مقادیر متفاوتی را برای الگوی شکستگی
شکست پلاستیک در ناحیه‌ای رخ می‌دهد که مربوط به سه محوری تنش بیش از 1/3 (منطقه I) است، و کرنش شکست و سه محوری تنش را می‌توان از آزمایش‌های کششی بر روی نمونه‌های دارای نقص سطحی و بریدگی استنتاج کرد.در ناحیه مربوط به سه محوری تنش 0 ~ 1/3 (ناحیه II)، ترکیبی از شکست شکل پذیر و شکست برشی رخ می دهد (یعنی از طریق آزمایش پیچش. در ناحیه مربوط به سه محوری تنش از 1/3- تا 0 (III)، شکست برشی ناشی از فشردگی، و سه محوری کرنش شکستگی و تنش را می توان با آزمون برهم زدن به دست آورد.
برای سیم های OT مورد استفاده در ساخت فنرهای سوپاپ موتور، لازم است شکستگی های ناشی از شرایط بارگذاری مختلف در طول فرآیند ساخت و شرایط کاربرد در نظر گرفته شود.بنابراین، آزمون‌های کششی و پیچشی برای اعمال معیار کرنش شکست انجام شد، اثر سه محوری تنش در هر حالت تنش در نظر گرفته شد، و تحلیل المان محدود الاستوپلاستیک در کرنش‌های بزرگ برای کمی‌سازی تغییر در سه محوری تنش انجام شد.حالت فشرده سازی به دلیل محدودیت پردازش نمونه در نظر گرفته نشد، یعنی قطر سیم OT تنها 2.5 میلی متر است.جدول 1 شرایط آزمون کشش و پیچش و همچنین سه محوری تنش و کرنش شکست را که با استفاده از تحلیل المان محدود به دست آمده است فهرست می کند.
کرنش شکست فولادهای سه محوری معمولی تحت تنش را می توان با استفاده از رابطه زیر پیش بینی کرد.
جایی که C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) تمیز کردن (η = 0) و C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) کشش تک محوری (η = η0 = 1/3).
خطوط روند برای هر حالت تنش با اعمال مقادیر کرنش شکست C1 و C2 در معادله به دست می‌آیند.(2)؛C1 و C2 از آزمایش های کششی و پیچشی بر روی نمونه های بدون نقص سطحی به دست می آیند.شکل 4 سه محوری تنش و کرنش شکست به دست آمده از آزمایش ها و خطوط روند پیش بینی شده توسط معادله را نشان می دهد.(2) خط روند به دست آمده از آزمون و رابطه بین سه محوری تنش و کرنش شکست روند مشابهی را نشان می دهد.کرنش شکست و سه محوری تنش برای هر حالت تنش، به‌دست‌آمده از اعمال خطوط روند، به‌عنوان معیار شکست شکل‌پذیر استفاده شد.
انرژی شکست به عنوان یک خاصیت ماده برای تعیین زمان شکستن پس از گردن زدن استفاده می شود و می توان از آزمایش های کششی به دست آورد.انرژی شکست به وجود یا عدم وجود ترک در سطح ماده بستگی دارد، زیرا زمان شکست بستگی به غلظت تنش‌های موضعی دارد.شکل‌های 5a-c انرژی شکست نمونه‌های بدون نقص سطحی و نمونه‌های دارای بریدگی R0.4 یا R0.8 را از آزمایش‌های کششی و تحلیل اجزای محدود نشان می‌دهند.انرژی شکست مربوط به ناحیه منحنی تنش-جابجایی واقعی از زمان گردن تا زمان شکست است.
همانطور که در شکل 5d نشان داده شده است، انرژی شکست یک سیم OT با عیوب سطح ریز با انجام آزمایش های کششی روی سیم OT با عمق نقص بیشتر از 40 میکرومتر پیش بینی شد.از 10 نمونه با نقص در آزمایش‌های کششی استفاده شد و میانگین انرژی شکست 29.12 mJ/mm2 برآورد شد.
نقص سطح استاندارد شده به عنوان نسبت عمق نقص به قطر سیم فنر سوپاپ، بدون توجه به هندسه نقص سطح سیم OT مورد استفاده در ساخت فنرهای شیر خودرو تعریف می شود.عیوب سیم OT را می توان بر اساس جهت، هندسه و طول طبقه بندی کرد.حتی با همان عمق عیب، سطح تنش وارد بر یک عیب سطحی در فنر بسته به هندسه و جهت عیب متفاوت است، بنابراین هندسه و جهت عیب می تواند بر مقاومت خستگی تأثیر بگذارد.بنابراین، برای اعمال معیارهای سختگیرانه برای مدیریت عیوب سطح، لازم است هندسه و جهت عیوبی که بیشترین تأثیر را بر عمر خستگی فنر دارند، در نظر گرفت.به دلیل ساختار دانه ریز سیم OT، عمر خستگی آن نسبت به بریدگی بسیار حساس است.بنابراین، نقصی که بیشترین غلظت تنش را با توجه به هندسه و جهت عیب از خود نشان می دهد، باید با استفاده از تحلیل اجزا محدود به عنوان عیب اولیه تعیین شود.روی انجیرشکل 6 فنرهای سوپاپ خودرو با استحکام فوق العاده بالا 2300 مگاپاسکال را نشان می دهد که در این مطالعه استفاده شده است.
عیوب سطحی سیم OT با توجه به محور فنر به عیوب داخلی و عیوب خارجی تقسیم می شود.به دلیل خمش در هنگام نورد سرد، تنش فشاری و تنش کششی به ترتیب در داخل و خارج فنر اعمال می شود.شکستگی می تواند ناشی از عیوب سطحی باشد که از بیرون به دلیل تنش های کششی در هنگام نورد سرد ظاهر می شود.
در عمل فنر تحت فشار و شل شدن دوره ای قرار می گیرد.در هنگام فشردگی فنر، مفتول فولادی می پیچد و به دلیل تمرکز تنش ها، تنش برشی داخل فنر بیشتر از تنش برشی اطراف است.بنابراین در صورت وجود عیوب سطحی در داخل فنر، احتمال شکستن فنر بیشترین میزان را دارد.بنابراین، قسمت بیرونی فنر (محلی که انتظار می رود شکست در طول ساخت فنر وجود داشته باشد) و سمت داخلی (که در آن تنش در کاربرد واقعی بیشتر است) به عنوان محل عیوب سطح تعیین می شوند.
هندسه نقص سطح خطوط OT به U شکل، V شکل، Y شکل و T شکل تقسیم می شود.نوع Y و نوع T عمدتاً در عیوب سطحی مواد اولیه وجود دارد و عیوب نوع U و نوع V به دلیل عدم دقت در حمل و نقل ابزارها در فرآیند نورد سرد رخ می دهد.با توجه به هندسه عیوب سطحی در مواد خام، عیوب U شکل ناشی از تغییر شکل پلاستیک غیریکنواخت در حین نورد گرم به عیوب درز V شکل، Y و T شکل تحت کشش چند پاس تغییر شکل می‌دهند.
علاوه بر این، عیوب V شکل، Y شکل و T شکل با شیب های تند بریدگی روی سطح در حین کار فنر در معرض غلظت بالایی از تنش قرار خواهند گرفت.فنرهای شیر در هنگام نورد سرد خم می شوند و در حین کار می پیچند.غلظت تنش عیوب V شکل و Y شکل با غلظت تنش بالاتر با استفاده از تحلیل اجزا محدود، نرم افزار تجاری ABAQUS تجزیه و تحلیل اجزا محدود مقایسه شد.رابطه تنش-کرنش در شکل 1 و معادله 1 نشان داده شده است. (1) این شبیه سازی از یک عنصر چهار گره مستطیلی دو بعدی (2 بعدی) استفاده می کند و حداقل طول ضلع عنصر 0.01 میلی متر است.برای مدل تحلیلی، عیوب V شکل و Y شکل با عمق 0.5 میلی متر و شیب عیب 2 درجه روی یک مدل دو بعدی سیم با قطر 2.5 میلی متر و طول 7.5 میلی متر اعمال شد.
روی انجیر7a غلظت تنش خمشی را در نوک هر عیب نشان می‌دهد که یک ممان خمشی 1500 نیوتن‌متر به هر دو سر هر سیم اعمال می‌شود.نتایج تجزیه و تحلیل نشان می دهد که حداکثر تنش های 1038.7 و 1025.8 مگاپاسکال به ترتیب در بالای عیوب V شکل و Y شکل رخ می دهد.روی انجیر7b غلظت تنش را در بالای هر عیب ناشی از پیچش نشان می دهد.هنگامی که سمت چپ محدود می شود و گشتاور 1500 N∙mm به سمت راست اعمال می شود، همان حداکثر تنش 1099 MPa در نوک عیوب V شکل و Y شکل رخ می دهد.این نتایج نشان می‌دهد که عیوب نوع V تنش خمشی بالاتری نسبت به عیوب نوع Y نشان می‌دهند که عمق و شیب عیب یکسانی داشته باشند، اما تنش پیچشی یکسانی را تجربه می‌کنند.بنابراین، عیوب سطحی V شکل و Y شکل با عمق و شیب یکسان عیب را می توان به موارد V شکل با حداکثر تنش بیشتر ناشی از تمرکز تنش نرمال کرد.نسبت اندازه عیب نوع V به صورت α = w/h با استفاده از عمق (h) و عرض (w) عیوب نوع V و نوع T تعریف می‌شود.بنابراین، یک نقص نوع T (α ≈ 0) به جای آن، هندسه را می توان با ساختار هندسی یک نقص نوع V تعریف کرد.بنابراین، عیوب نوع Y و T را می توان با عیوب نوع V نرمال کرد.با استفاده از عمق (h) و طول (l)، نسبت طول به عنوان β = l/h تعریف می شود.
همانطور که در شکل 811 نشان داده شده است، جهت عیوب سطحی سیم های OT به جهات طولی، عرضی و مایل تقسیم می شوند، همانطور که در شکل 811 نشان داده شده است. روش.
روی انجیر9a مدل تحلیل تنش فنر سوپاپ موتور را نشان می دهد.به عنوان یک شرایط تجزیه و تحلیل، فنر از ارتفاع آزاد 50.5 میلی متر به ارتفاع سخت 21.8 میلی متر فشرده شد، حداکثر تنش 1086 مگاپاسکال در داخل فنر ایجاد شد، همانطور که در شکل 9b نشان داده شده است.از آنجایی که خرابی فنرهای واقعی سوپاپ موتور عمدتاً در داخل فنر رخ می دهد، انتظار می رود وجود عیوب سطح داخلی به طور جدی عمر خستگی فنر را تحت تأثیر قرار دهد.بنابراین، عیوب سطحی در جهات طولی، عرضی و مایل با استفاده از تکنیک های مدل سازی فرعی در داخل فنرهای سوپاپ موتور اعمال می شود.جدول 2 ابعاد عیوب سطحی و حداکثر تنش در هر جهت عیب را در حداکثر فشار فنر نشان می دهد.بیشترین تنش ها در جهت عرضی مشاهده شد و نسبت تنش ها در جهت طولی و مایل به جهت عرضی 996/0-934/0 برآورد شد.نسبت تنش را می توان با تقسیم این مقدار بر حداکثر تنش عرضی تعیین کرد.همانطور که در شکل 9s نشان داده شده است، حداکثر تنش در فنر در بالای هر نقص سطح رخ می دهد.مقادیر تنش مشاهده شده در جهت طولی، عرضی و مایل به ترتیب 2045، 2085 و 2049 مگاپاسکال است.نتایج این تحلیل ها نشان می دهد که عیوب سطح عرضی بیشترین تأثیر مستقیم را بر عمر خستگی فنرهای سوپاپ موتور دارد.
یک عیب V شکل، که فرض می شود مستقیماً بر عمر خستگی فنر سوپاپ موتور تأثیر می گذارد، به عنوان نقص اولیه سیم OT انتخاب شد و جهت عرضی به عنوان جهت نقص انتخاب شد.این نقص نه تنها در خارج، جایی که فنر سوپاپ موتور در حین ساخت پاره شد، بلکه در داخل نیز رخ می دهد، جایی که بیشترین تنش به دلیل تمرکز تنش در حین کار رخ می دهد.حداکثر عمق عیب روی 40 میکرومتر تنظیم شده است که با تشخیص عیب جریان گردابی قابل تشخیص است و حداقل عمق بر روی عمق مربوط به 0.1٪ از قطر سیم 2.5 میلی متری تنظیم می شود.بنابراین، عمق عیب از 2.5 تا 40 میکرومتر است.عمق، طول و عرض عیوب با نسبت طول 1~0.1 و نسبت طول 5~15 به عنوان متغیر مورد استفاده قرار گرفت و تأثیر آنها بر مقاومت خستگی فنر مورد ارزیابی قرار گرفت.جدول 3 شرایط تحلیلی تعیین شده با استفاده از روش سطح پاسخ را فهرست می کند.
فنرهای سوپاپ موتور خودرو با سیم پیچ سرد، تمپرینگ، شات بلاست و تنظیم حرارت سیم OT تولید می شوند.تغییرات در عیوب سطح در طول ساخت فنر باید در نظر گرفته شود تا تأثیر عیوب سطح اولیه در سیم های OT بر عمر خستگی فنرهای سوپاپ موتور ارزیابی شود.بنابراین در این بخش از تحلیل المان محدود برای پیش‌بینی تغییر شکل عیوب سطح سیم OT در طول ساخت هر فنر استفاده می‌شود.
روی انجیر10 روند سیم پیچ سرد را نشان می دهد.در طی این فرآیند، سیم OT توسط غلتک تغذیه به راهنمای سیم وارد می شود.راهنمای سیم سیم را تغذیه و پشتیبانی می کند تا از خم شدن در طول فرآیند شکل دهی جلوگیری کند.سیمی که از راهنمای سیم عبور می کند توسط میله های اول و دوم خم می شود تا فنر سیم پیچی با قطر داخلی مورد نظر ایجاد شود.گام فنری با حرکت ابزار پله پس از یک دور تولید می شود.
روی انجیر11a یک مدل المان محدود را نشان می دهد که برای ارزیابی تغییر در هندسه عیوب سطح در طول نورد سرد استفاده می شود.شکل گیری سیم عمدتا توسط پین سیم پیچ تکمیل می شود.از آنجایی که لایه اکسید روی سطح سیم به عنوان روان کننده عمل می کند، اثر اصطکاک غلتک تغذیه ناچیز است.بنابراین در مدل محاسباتی غلتک تغذیه و راهنمای سیم به صورت بوش ساده شده است.ضریب اصطکاک بین سیم OT و ابزار شکل دهی 0.05 تنظیم شد.صفحه بدنه سفت و سخت دوبعدی و شرایط تثبیت در انتهای سمت چپ خط اعمال می شود تا بتوان آن را در جهت X با همان سرعت غلتک تغذیه (0.6 متر بر ثانیه) تغذیه کرد.روی انجیر11b روش شبیه سازی فرعی را نشان می دهد که برای اعمال عیوب کوچک به سیم ها استفاده می شود.برای در نظر گرفتن اندازه عیوب سطح، مدل فرعی دو بار برای عیوب سطحی با عمق 20 میکرومتر یا بیشتر و سه بار برای عیوب سطحی با عمق کمتر از 20 میکرومتر اعمال می شود.عیوب سطحی در مناطقی که با مراحل مساوی تشکیل شده اند اعمال می شود.در مدل کلی فنر، طول قطعه سیم مستقیم 100 میلی متر است.برای مدل فرعی اول، مدل فرعی 1 را با طول 3 میلی متر در موقعیت طولی 75 میلی متر از مدل جهانی اعمال کنید.این شبیه سازی از یک عنصر هشت گره شش ضلعی سه بعدی (3 بعدی) استفاده کرد.در مدل جهانی و مدل فرعی 1، حداقل طول ضلع هر عنصر به ترتیب 0.5 و 0.2 میلی متر است.پس از تجزیه و تحلیل مدل فرعی 1، عیوب سطحی به مدل فرعی 2 اعمال می شود و طول و عرض مدل فرعی 2 3 برابر طول عیب سطح است تا تأثیر شرایط مرزی مدل فرعی از بین برود. علاوه بر این، 50٪ از طول و عرض به عنوان عمق مدل فرعی استفاده می شود.در مدل فرعی 2، حداقل طول ضلع هر عنصر 0.005 میلی متر است.همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است، برخی از عیوب سطحی برای تجزیه و تحلیل اجزای محدود اعمال شد.
روی انجیرشکل 12 توزیع تنش در ترک های سطحی را پس از کار سرد یک سیم پیچ نشان می دهد.مدل کلی و مدل فرعی 1 تقریبا تنش های 1076 و 1079 مگاپاسکال را در یک مکان نشان می دهند که صحت روش زیرمدل سازی را تایید می کند.غلظت تنش محلی در لبه های مرزی مدل فرعی رخ می دهد.ظاهراً این به دلیل شرایط مرزی مدل فرعی است.به دلیل تمرکز تنش، مدل فرعی 2 با عیوب سطح اعمال شده، تنش 2449 مگاپاسکال را در نوک عیب در هنگام نورد سرد نشان می دهد.همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است، عیوب سطحی شناسایی شده با روش سطح پاسخ در داخل فنر اعمال شد.نتایج تحلیل اجزای محدود نشان داد که هیچ یک از 13 مورد نقص سطحی شکست خورده است.
در طول فرآیند سیم پیچی در تمام فرآیندهای تکنولوژیکی، عمق عیوب سطحی در داخل فنر 0.1-2.62 میکرومتر افزایش یافت (شکل 13a)، و عرض 1.8-35.79 میکرومتر (شکل 13b) کاهش یافت، در حالی که طول 0.72 افزایش یافت. -34.47 میکرومتر (شکل 13c).از آنجایی که عیب عرضی V شکل با خمش در طول فرآیند نورد سرد از نظر عرض بسته می شود، به یک عیب V شکل با شیب تندتر از عیب اولیه تغییر شکل می دهد.
تغییر شکل در عمق، عرض و طول عیوب سطح سیم OT در فرآیند تولید.
عیوب سطح را در قسمت بیرونی فنر اعمال کنید و با استفاده از تحلیل المان محدود احتمال شکستگی را در هنگام نورد سرد پیش بینی کنید.تحت شرایط مندرج در جدول.3، هیچ احتمالی از تخریب عیوب در سطح بیرونی وجود ندارد.به عبارت دیگر، هیچ تخریبی در عمق عیوب سطحی از 2.5 تا 40 میکرومتر رخ نداده است.
برای پیش‌بینی عیوب سطح بحرانی، شکستگی‌های خارجی در طول نورد سرد با افزایش عمق نقص از 40 میکرومتر به 5 میکرومتر بررسی شد.روی انجیر14 شکستگی در امتداد عیوب سطحی را نشان می دهد.شکستگی در شرایط عمق (55 میکرومتر)، عرض (2 میکرومتر) و طول (733 میکرومتر) رخ می‌دهد.عمق بحرانی یک نقص سطحی در خارج از فنر 55 میکرومتر بود.
فرآیند لایه برداری شات با ایجاد تنش فشاری باقیمانده در عمق معینی از سطح فنر، رشد ترک را سرکوب کرده و عمر خستگی را افزایش می دهد.با این حال، با افزایش زبری سطح فنر، غلظت تنش را القا می کند و در نتیجه مقاومت خستگی فنر را کاهش می دهد.بنابراین از فناوری شات پینینگ ثانویه برای تولید فنرهای با استحکام بالا برای جبران کاهش عمر خستگی ناشی از افزایش ناهمواری سطح ناشی از شات پینینگ استفاده می شود.لایه برداری شات دو مرحله ای می تواند زبری سطح، حداکثر تنش پسماند فشاری و تنش باقیمانده فشاری سطح را بهبود بخشد زیرا لایه برداری دوم بعد از اولین شات 12،13،14 انجام می شود.
روی انجیرشکل 15 یک مدل تحلیلی از فرآیند شات بلاست را نشان می دهد.یک مدل پلاستیکی الاستیک ایجاد شد که در آن 25 گلوله برای شات بلاست به منطقه محلی هدف خط OT انداخته شد.در مدل تجزیه و تحلیل شات بلاست، عیوب سطح سیم OT تغییر شکل یافته در طول سیم پیچ سرد به عنوان نقص اولیه استفاده شد.حذف تنش های پسماند ناشی از فرآیند نورد سرد با تلطیف قبل از فرآیند شات بلاست.خواص زیر از کره شات استفاده شد: چگالی (ρ): 7800 کیلوگرم بر متر مکعب، مدول الاستیک (E) - 210 GPa، نسبت پواسون (υ): 0.3.ضریب اصطکاک بین توپ و ماده 0.1 تنظیم شده است.گلوله هایی با قطر 0.6 و 0.3 میلی متر با همان سرعت 30 متر بر ثانیه در پاس های آهنگری اول و دوم به بیرون پرتاب شدند.پس از فرآیند شات بلاست (در میان سایر فرآیندهای تولید نشان داده شده در شکل 13)، عمق، عرض و طول عیوب سطحی در فنر از 79/6- تا 28/0 میکرومتر، 24/4- تا 22/1 میکرومتر، و 59/2- تا 69/1 می‌باشد. میکرومتر، به ترتیب میکرومتر.با توجه به تغییر شکل پلاستیک پرتابه پرتاب شده عمود بر سطح ماده، عمق نقص کاهش می یابد، به ویژه، عرض نقص به طور قابل توجهی کاهش می یابد.ظاهراً این نقص به دلیل تغییر شکل پلاستیکی ناشی از سوراخ کردن شات بسته شده است.
در طول فرآیند انقباض حرارتی، اثرات انقباض سرد و بازپخت در دمای پایین می تواند به طور همزمان روی فنر سوپاپ موتور اثر بگذارد.تنظیم سرد، سطح کشش فنر را با فشرده کردن آن تا بالاترین سطح ممکن در دمای اتاق به حداکثر می‌رساند.در این حالت، اگر فنر سوپاپ موتور بالاتر از استحکام تسلیم ماده بارگذاری شود، فنر سوپاپ موتور به صورت پلاستیکی تغییر شکل می دهد و قدرت تسلیم را افزایش می دهد.پس از تغییر شکل پلاستیک، فنر سوپاپ خم می شود، اما افزایش استحکام تسلیم، خاصیت ارتجاعی فنر سوپاپ را در عملکرد واقعی فراهم می کند.بازپخت در دمای پایین، مقاومت حرارتی و تغییر شکل فنرهای سوپاپ را که در دماهای بالا کار می کنند، بهبود می بخشد.
عیوب سطحی تغییر شکل در طی انفجار شات در آنالیز FE و میدان تنش پسماند اندازه‌گیری شده با تجهیزات پراش اشعه ایکس (XRD) برای استنباط تغییر در عیوب در طول انقباض حرارتی در زیر مدل 2 (شکل 8) اعمال شد.فنر برای عملکرد در محدوده الاستیک طراحی شده بود و از ارتفاع آزاد 50.5 میلی متری به ارتفاع محکم 21.8 میلی متری فشرده شد و سپس به عنوان شرایط آنالیز اجازه بازگشت به ارتفاع اولیه 50.5 میلی متری خود را داد.در طول انقباض حرارتی، هندسه نقص به طور ناچیز تغییر می کند.ظاهراً، تنش فشاری باقیمانده 800 مگاپاسکال و بالاتر، ایجاد شده در اثر انفجار شات، تغییر شکل عیوب سطح را سرکوب می کند.پس از انقباض حرارتی (شکل 13)، عمق، عرض و طول عیوب سطحی به ترتیب از 0.13- تا 0.08 میکرومتر، از 0.75- تا 0 میکرومتر، و از 0.01 تا 2.4 میکرومتر متغیر بود.
روی انجیر16 تغییر شکل عیوب U شکل و V شکل را با عمق یکسان (40 میکرومتر)، عرض (22 میکرومتر) و طول (600 میکرومتر) مقایسه می‌کند.تغییر عرض عیوب U شکل و V شکل بیشتر از تغییر طول است که به دلیل بسته شدن در جهت عرض در طی فرآیند نورد سرد و شات بلاست ایجاد می شود.در مقایسه با نقص‌های U شکل، عیوب V شکل در عمق نسبتاً بیشتر و با شیب‌های تندتر تشکیل می‌شوند، که نشان می‌دهد که یک رویکرد محافظه‌کارانه می‌تواند هنگام اعمال عیوب V شکل اتخاذ شود.
این بخش تغییر شکل نقص اولیه در خط OT را برای هر فرآیند تولید فنر سوپاپ مورد بحث قرار می دهد.نقص اولیه سیم OT در قسمت داخلی فنر سوپاپ اعمال می شود که در آن به دلیل تنش های زیاد در حین کار فنر انتظار خرابی وجود دارد.عیوب سطح عرضی V شکل سیم‌های OT کمی از نظر عمق و طول افزایش یافته و به دلیل خمش در طول سیم‌پیچ سرد به شدت کاهش یافته است.بسته شدن در جهت عرض در حین شات پنینگ با تغییر شکل عیب کم یا بدون تغییر شکل در طول تنظیم حرارت نهایی رخ می دهد.در فرآیند نورد سرد و شات پینینگ به دلیل تغییر شکل پلاستیک تغییر شکل زیادی در جهت عرض ایجاد می شود.عیب V شکل داخل فنر سوپاپ به دلیل بسته شدن عرض در طی فرآیند نورد سرد به عیب T شکل تبدیل می شود.