Thành phần hóa học ống cuộn thép không gỉ 310, Ảnh hưởng của khuyết tật bề mặt trong dây thép cứng bằng dầu đến tuổi thọ mỏi của lò xo van trong động cơ ô tô

Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Thanh trượt hiển thị ba bài viết trên mỗi slide.Sử dụng các nút quay lại và tiếp theo để di chuyển qua các trang chiếu hoặc các nút điều khiển trang chiếu ở cuối để di chuyển qua từng trang chiếu.

Ống thép không gỉ 310 cuộn / ống cuộnThành phần hóa họcvà thành phần

Bảng dưới đây thể hiện thành phần hóa học của inox 310S.

10*1mm 9.25*1.24 mm 310 Nhà cung cấp ống cuộn mao dẫn bằng thép không gỉ

Tính chất vật lý

Các tính chất vật lý của thép không gỉ loại 310S được hiển thị trong bảng sau.

Tính chất cơ học

Bảng sau đây phác thảo các tính chất cơ học của thép không gỉ loại 310S.

Tính chất nhiệt

Các đặc tính nhiệt của thép không gỉ loại 310S được đưa ra trong bảng sau.

Các chỉ định khác

Các ký hiệu khác tương đương với loại thép không gỉ 310S được liệt kê trong bảng sau.

Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá tuổi thọ mỏi của lò xo van của động cơ ô tô khi áp dụng các khuyết tật vi mô cho dây được làm cứng bằng dầu có cấp độ 2300 MPa (dây OT) với độ sâu khuyết tật nghiêm trọng có đường kính 2,5 mm.Đầu tiên, độ biến dạng của khuyết tật bề mặt của dây OT trong quá trình sản xuất lò xo van được thu được bằng phân tích phần tử hữu hạn bằng phương pháp mô phỏng phụ, đồng thời đo ứng suất dư của lò xo thành phẩm và áp dụng vào mô hình phân tích ứng suất lò xo.Thứ hai, phân tích độ bền của lò xo van, kiểm tra ứng suất dư và so sánh mức độ ứng suất tác dụng với các khuyết tật bề mặt.Thứ ba, ảnh hưởng của các khuyết tật vi mô đến tuổi thọ mỏi của lò xo được đánh giá bằng cách áp dụng ứng suất lên các khuyết tật bề mặt thu được từ phân tích độ bền của lò xo đối với các đường cong SN thu được từ thử nghiệm độ mỏi uốn trong quá trình quay của dây OT.Độ sâu khuyết tật 40 µm là tiêu chuẩn hiện hành để quản lý các khuyết tật bề mặt mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi.
Ngành công nghiệp ô tô có nhu cầu mạnh mẽ về các linh kiện ô tô nhẹ để cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu của phương tiện.Vì vậy, việc sử dụng thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) ngày càng tăng trong những năm gần đây.Lò xo van động cơ ô tô chủ yếu bao gồm các dây thép cứng trong dầu (dây OT) chịu nhiệt, chịu mài mòn và không bị chảy xệ.
Do có độ bền kéo cao (1900–2100 MPa), dây OT được sử dụng hiện nay có thể giảm kích thước và khối lượng của lò xo van động cơ, cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu bằng cách giảm ma sát với các bộ phận xung quanh1.Do những ưu điểm này, việc sử dụng thanh dây điện áp cao ngày càng tăng nhanh và thanh dây cường độ cực cao thuộc loại 2300MPa lần lượt xuất hiện.Lò xo van trong động cơ ô tô đòi hỏi tuổi thọ lâu dài vì chúng hoạt động dưới tải trọng chu kỳ cao.Để đáp ứng yêu cầu này, các nhà sản xuất thường xem xét tuổi thọ mỏi lớn hơn 5,5 × 107 chu kỳ khi thiết kế lò xo van và tác dụng ứng suất dư lên bề mặt lò xo van thông qua quá trình mài mòn và co nhiệt để cải thiện tuổi thọ mỏi2.
Đã có khá nhiều nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của lò xo xoắn trên ô tô trong điều kiện vận hành bình thường.Gzal và cộng sự.Trình bày các phân tích phân tích, thực nghiệm và phần tử hữu hạn (FE) của lò xo xoắn hình elip có góc xoắn nhỏ dưới tải trọng tĩnh.Nghiên cứu này cung cấp một biểu thức rõ ràng và đơn giản về vị trí của ứng suất cắt tối đa so với tỷ lệ khung hình và chỉ số độ cứng, đồng thời cung cấp cái nhìn phân tích sâu sắc về ứng suất cắt tối đa, một thông số quan trọng trong thiết kế thực tế3.Mục sư và cộng sự.Kết quả phân tích sự phá hủy và độ mỏi của lò xo xoắn được tháo ra khỏi ô tô cá nhân sau khi vận hành không thành công được mô tả.Bằng các phương pháp thực nghiệm, người ta đã kiểm tra một lò xo bị gãy và kết quả cho thấy đây là một ví dụ về hư hỏng mỏi do ăn mòn4.lỗ, v.v. Một số mô hình tuổi thọ lò xo hồi quy tuyến tính đã được phát triển để đánh giá tuổi thọ mỏi của lò xo xoắn ốc ô tô.Putra và những người khác.Do mặt đường không bằng phẳng nên tuổi thọ của lò xo xoắn của ô tô được xác định.Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu được thực hiện về việc các khuyết tật bề mặt xảy ra trong quá trình sản xuất ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ của lò xo cuộn ô tô.
Các khuyết tật bề mặt xảy ra trong quá trình sản xuất có thể dẫn đến sự tập trung ứng suất cục bộ trong lò xo van, làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi của chúng.Các khuyết tật bề mặt của lò xo van là do nhiều yếu tố khác nhau gây ra, chẳng hạn như khuyết tật bề mặt của nguyên liệu thô được sử dụng, khuyết tật về dụng cụ, xử lý thô trong quá trình cán nguội7.Các khuyết tật bề mặt của nguyên liệu thô có hình chữ V dốc do cán nóng và kéo nhiều đường, trong khi các khuyết tật do dụng cụ tạo hình và xử lý bất cẩn gây ra là hình chữ U với độ dốc thoải8,9,10,11.Các khuyết tật hình chữ V gây ra sự tập trung ứng suất cao hơn các khuyết tật hình chữ U, do đó các tiêu chí quản lý khuyết tật nghiêm ngặt thường được áp dụng cho nguyên liệu ban đầu.
Các tiêu chuẩn quản lý khuyết tật bề mặt hiện tại đối với dây OT bao gồm ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 và KS D 3580. DIN EN 10270-2 quy định rằng độ sâu của khuyết tật bề mặt trên đường kính dây là 0,5– 10 mm nhỏ hơn 0,5–1% đường kính dây.Ngoài ra, JIS G 3561 và KS D 3580 yêu cầu độ sâu khuyết tật bề mặt của thanh dây có đường kính 0,5–8 mm phải nhỏ hơn 0,5% đường kính dây.Trong tiêu chuẩn ASTM A877/A877M-10, nhà sản xuất và người mua phải thống nhất về độ sâu cho phép của các khuyết tật bề mặt.Để đo độ sâu của khuyết tật trên bề mặt dây, dây thường được khắc bằng axit clohydric, sau đó độ sâu của khuyết tật được đo bằng micromet.Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể đo được các khuyết tật ở một số khu vực nhất định chứ không thể đo được trên toàn bộ bề mặt của sản phẩm cuối cùng.Do đó, các nhà sản xuất sử dụng thử nghiệm dòng điện xoáy trong quá trình kéo dây để đo các khuyết tật bề mặt của dây được sản xuất liên tục;những thử nghiệm này có thể đo độ sâu của khuyết tật bề mặt xuống tới 40 µm.Dây thép loại 2300MPa đang được phát triển có độ bền kéo cao hơn và độ giãn dài thấp hơn so với dây thép loại 1900-2200MPa hiện có, do đó tuổi thọ mỏi của lò xo van được coi là rất nhạy cảm với các khuyết tật bề mặt.Vì vậy, cần kiểm tra tính an toàn của việc áp dụng các tiêu chuẩn hiện hành để kiểm soát độ sâu khuyết tật bề mặt đối với mác thép dây 1900-2200 MPa đến mác thép 2300 MPa.
Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá tuổi thọ mỏi của lò xo van động cơ ô tô khi áp dụng độ sâu khuyết tật tối thiểu có thể đo được bằng thử nghiệm dòng điện xoáy (tức là 40 µm) cho dây OT cấp 2300 MPa (đường kính: 2,5 mm): khuyết tật nghiêm trọng chiều sâu .Sự đóng góp và phương pháp của nghiên cứu này như sau.
Là khuyết tật ban đầu của dây OT, khuyết tật hình chữ V đã được sử dụng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ mỏi, theo hướng ngang so với trục dây.Hãy xem xét tỷ lệ kích thước (α) và chiều dài (β) của khuyết tật bề mặt để xem ảnh hưởng của độ sâu (h), chiều rộng (w) và chiều dài (l) của nó.Các khuyết tật bề mặt xảy ra bên trong lò xo, nơi xảy ra hư hỏng đầu tiên.
Để dự đoán sự biến dạng của các khuyết tật ban đầu ở dây OT trong quá trình cuộn nguội, phương pháp mô phỏng phụ đã được sử dụng, có tính đến thời gian phân tích và kích thước của các khuyết tật bề mặt, vì các khuyết tật này rất nhỏ so với dây OT.mô hình toàn cầu.
Ứng suất nén dư trong lò xo sau khi phun bi hai giai đoạn được tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, kết quả được so sánh với số liệu đo sau khi phun bi để khẳng định mô hình phân tích.Ngoài ra, ứng suất dư trong lò xo van từ tất cả các quy trình sản xuất đều được đo và áp dụng để phân tích độ bền của lò xo.
Ứng suất ở các khuyết tật bề mặt được dự đoán bằng cách phân tích độ bền của lò xo, có tính đến sự biến dạng của khuyết tật trong quá trình cán nguội và ứng suất nén dư ở lò xo thành phẩm.
Thử nghiệm độ mỏi uốn khi quay được thực hiện bằng cách sử dụng dây OT được làm từ cùng vật liệu với lò xo van.Để tương quan giữa các đặc tính ứng suất dư và độ nhám bề mặt của lò xo van được chế tạo với các đường OT, đường cong SN thu được bằng cách xoay các phép thử độ mỏi uốn sau khi áp dụng quá trình mài mòn và xoắn hai giai đoạn làm quy trình tiền xử lý.
Kết quả phân tích độ bền lò xo được áp dụng vào phương trình Goodman và đường cong SN để dự đoán tuổi thọ mỏi của lò xo van, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của độ sâu khuyết tật bề mặt đến tuổi thọ mỏi.
Trong nghiên cứu này, dây cấp OT 2300 MPa có đường kính 2,5 mm được sử dụng để đánh giá tuổi thọ mỏi của lò xo van động cơ ô tô.Đầu tiên, thử nghiệm độ bền kéo của dây được thực hiện để thu được mô hình đứt gãy dẻo của nó.
Các tính chất cơ học của dây OT thu được từ các thử nghiệm độ bền kéo trước khi phân tích phần tử hữu hạn của quy trình quấn nguội và độ bền của lò xo.Đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu được xác định bằng cách sử dụng kết quả thử nghiệm độ bền kéo ở tốc độ biến dạng 0,001 s-1, như trong hình.1. Dây SWONB-V được sử dụng và cường độ năng suất, độ bền kéo, mô đun đàn hồi và tỷ lệ Poisson lần lượt là 2001,2MPa, 2316MPa, 206GPa và 0,3.Sự phụ thuộc của ứng suất vào biến dạng dòng chảy được xác định như sau:
Cơm.2 minh họa quá trình đứt gãy dẻo.Vật liệu trải qua biến dạng đàn hồi trong quá trình biến dạng và vật liệu thu hẹp khi ứng suất trong vật liệu đạt đến độ bền kéo.Sau đó, việc tạo ra, phát triển và liên kết các khoảng trống bên trong vật liệu sẽ dẫn đến sự phá hủy vật liệu.
Mô hình đứt gãy dẻo sử dụng mô hình biến dạng tới hạn biến đổi ứng suất có tính đến ảnh hưởng của ứng suất và gãy xương sau cổ sử dụng phương pháp tích lũy hư hỏng.Ở đây, mức độ bắt đầu hư hỏng được biểu thị dưới dạng hàm của biến dạng, độ ba trục ứng suất và tốc độ biến dạng.Độ ba trục ứng suất được định nghĩa là giá trị trung bình thu được bằng cách chia ứng suất thủy tĩnh gây ra bởi sự biến dạng của vật liệu cho đến khi hình thành cổ cho ứng suất hiệu quả.Trong phương pháp tích lũy thiệt hại, sự hủy diệt xảy ra khi giá trị thiệt hại đạt tới 1 và năng lượng cần thiết để đạt giá trị thiệt hại là 1 được xác định là năng lượng hủy diệt (Gf).Năng lượng đứt gãy tương ứng với vùng đường cong ứng suất-chuyển vị thực sự của vật liệu từ thời điểm thắt cổ đến thời điểm đứt gãy.
Trong trường hợp thép thông thường, tùy thuộc vào chế độ ứng suất, gãy dẻo, gãy cắt hoặc gãy chế độ hỗn hợp xảy ra do độ dẻo và đứt gãy do cắt, như trên Hình 3. Biến dạng đứt gãy và ứng suất ba trục cho thấy các giá trị khác nhau đối với mô hình gãy xương.
Sự hư hỏng dẻo xảy ra ở vùng tương ứng với độ ba trục ứng suất lớn hơn 1/3 (vùng I), và độ biến dạng đứt gãy và độ ba trục ứng suất có thể được suy ra từ các thử nghiệm độ bền kéo trên mẫu thử có khuyết tật bề mặt và vết khía.Trong vùng tương ứng với độ ba trục ứng suất 0 ~ 1/3 (vùng II), xảy ra sự kết hợp giữa đứt gãy dẻo và phá hoại cắt (tức là thông qua thử nghiệm xoắn. ​​Trong vùng tương ứng với độ ba trục ứng suất từ ​​-1/3 đến 0 (III), hư hỏng cắt do nén, biến dạng đứt gãy và ứng suất ba trục có thể thu được bằng thử nghiệm đảo ngược.
Đối với dây OT dùng trong chế tạo lò xo van động cơ, cần tính đến các vết đứt do các điều kiện tải trọng khác nhau trong quá trình chế tạo và điều kiện ứng dụng.Do đó, các thử nghiệm độ bền kéo và độ xoắn đã được thực hiện để áp dụng tiêu chí biến dạng hư hỏng, ảnh hưởng của độ ba trục ứng suất lên từng chế độ ứng suất đã được xem xét và phân tích phần tử hữu hạn dẻo đàn hồi ở các biến dạng lớn được thực hiện để định lượng sự thay đổi độ ba trục ứng suất.Chế độ nén không được xem xét do hạn chế trong quá trình xử lý mẫu, cụ thể là đường kính của dây OT chỉ là 2,5 mm.Bảng 1 liệt kê các điều kiện thử kéo và xoắn, cũng như ứng suất ba trục và biến dạng đứt gãy, thu được bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn.
Biến dạng gãy của thép ba trục thông thường dưới ứng suất có thể được dự đoán bằng phương trình sau.
trong đó C1: \({\overline{{\varepsilon__{0}}}^{pl}\) cắt sạch (η = 0) và C2: \({\overline{{\varepsilon__{0} } }^{pl}\) Lực căng một trục (η = η0 = 1/3).
Các đường xu hướng cho từng chế độ ứng suất thu được bằng cách áp dụng các giá trị biến dạng đứt gãy C1 và C2 trong phương trình.(2);C1 và C2 thu được từ các thử nghiệm kéo và xoắn trên các mẫu không có khuyết tật bề mặt.Hình 4 cho thấy độ ba trục ứng suất và biến dạng đứt gãy thu được từ các thử nghiệm và các đường xu hướng được dự đoán bởi phương trình.(2) Đường xu hướng thu được từ thí nghiệm và mối quan hệ giữa độ ba trục ứng suất và biến dạng đứt gãy cho thấy xu hướng tương tự.Biến dạng đứt gãy và độ ba trục ứng suất đối với từng dạng ứng suất, thu được từ việc áp dụng các đường xu hướng, được sử dụng làm tiêu chí cho đứt gãy dẻo.
Năng lượng đứt được sử dụng như một đặc tính của vật liệu để xác định thời gian đứt sau khi thắt cổ và có thể thu được từ các thử nghiệm kéo.Năng lượng đứt gãy phụ thuộc vào sự hiện diện hay vắng mặt của vết nứt trên bề mặt vật liệu, vì thời gian đứt gãy phụ thuộc vào mức độ tập trung ứng suất cục bộ.Hình 5a-c cho thấy năng lượng đứt gãy của các mẫu không có khuyết tật bề mặt và các mẫu có rãnh R0.4 hoặc R0.8 từ các thử nghiệm độ bền kéo và phân tích phần tử hữu hạn.Năng lượng đứt gãy tương ứng với diện tích của đường cong ứng suất-chuyển vị thực tế từ thời điểm thắt cổ đến thời điểm đứt gãy.
Năng lượng đứt gãy của dây OT có khuyết tật bề mặt nhỏ được dự đoán bằng cách thực hiện kiểm tra độ bền kéo trên dây OT có độ sâu khuyết tật lớn hơn 40 µm, như trong Hình 5d.Mười mẫu có khuyết tật đã được sử dụng trong thử nghiệm độ bền kéo và năng lượng đứt gãy trung bình ước tính là 29,12 mJ/mm2.
Khiếm khuyết bề mặt tiêu chuẩn hóa được định nghĩa là tỷ lệ giữa độ sâu của khuyết tật với đường kính của dây lò xo van, bất kể hình dạng khuyết tật bề mặt của dây OT được sử dụng trong sản xuất lò xo van ô tô.Các khuyết tật của dây OT có thể được phân loại dựa trên hướng, hình học và chiều dài.Ngay cả với cùng độ sâu khuyết tật, mức độ ứng suất tác động lên khuyết tật bề mặt của lò xo thay đổi tùy thuộc vào hình dạng và hướng của khuyết tật, do đó hình dạng và hướng của khuyết tật có thể ảnh hưởng đến độ bền mỏi.Vì vậy, cần phải tính đến hình dạng và hướng của các khuyết tật có ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ mỏi của lò xo để áp dụng các tiêu chí nghiêm ngặt để quản lý các khuyết tật bề mặt.Do cấu trúc hạt mịn của dây OT nên tuổi thọ mỏi của nó rất nhạy cảm với vết khía.Do đó, khuyết tật thể hiện sự tập trung ứng suất cao nhất theo hình học và hướng của khuyết tật phải được xác định là khuyết tật ban đầu bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn.Trên hình.Hình 6 cho thấy loại lò xo van ô tô có độ bền cực cao 2300 MPa được sử dụng trong nghiên cứu này.
Các khuyết tật bề mặt của dây OT được chia thành khuyết tật bên trong và khuyết tật bên ngoài theo trục lò xo.Do bị uốn cong trong quá trình cán nguội, ứng suất nén và ứng suất kéo lần lượt tác động lên bên trong và bên ngoài lò xo.Gãy xương có thể do các khuyết tật bề mặt xuất hiện từ bên ngoài do ứng suất kéo trong quá trình cán nguội.
Trong thực tế, lò xo chịu sự nén và giãn định kỳ.Trong quá trình lò xo bị nén, dây thép bị xoắn và do sự tập trung các ứng suất nên ứng suất cắt bên trong lò xo cao hơn ứng suất cắt xung quanh7.Vì vậy, nếu bên trong lò xo có khuyết tật bề mặt thì khả năng lò xo bị đứt là lớn nhất.Do đó, mặt ngoài của lò xo (vị trí có thể xảy ra hư hỏng trong quá trình sản xuất lò xo) và mặt trong (nơi ứng suất lớn nhất trong ứng dụng thực tế) được đặt làm vị trí của các khuyết tật bề mặt.
Hình dạng khuyết tật bề mặt của các đường OT được chia thành hình chữ U, hình chữ V, hình chữ Y và hình chữ T.Loại Y và loại T chủ yếu tồn tại ở các khuyết tật bề mặt của nguyên liệu thô, còn các khuyết tật loại U và loại V xảy ra do xử lý dụng cụ bất cẩn trong quá trình cán nguội.Liên quan đến hình dạng của các khuyết tật bề mặt của nguyên liệu thô, các khuyết tật hình chữ U phát sinh do biến dạng dẻo không đồng nhất trong quá trình cán nóng bị biến dạng thành các khuyết tật đường may hình chữ V, hình chữ Y và hình chữ T khi kéo dài nhiều lượt8, 10.
Ngoài ra, các khuyết tật hình chữ V, hình chữ Y và hình chữ T có độ nghiêng dốc trên bề mặt sẽ phải chịu sự tập trung ứng suất cao trong quá trình hoạt động của lò xo.Lò xo van uốn cong trong quá trình cán nguội và xoắn trong quá trình vận hành.Nồng độ ứng suất của các khuyết tật hình chữ V và hình chữ Y có nồng độ ứng suất cao hơn được so sánh bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn, ABAQUS – phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thương mại.Mối quan hệ ứng suất-biến dạng được thể hiện trong Hình 1 và Phương trình 1. (1) Mô phỏng này sử dụng phần tử bốn nút hình chữ nhật hai chiều (2D) và chiều dài cạnh phần tử tối thiểu là 0,01 mm.Đối với mô hình phân tích, các khuyết tật hình chữ V và hình chữ Y có độ sâu 0,5 mm và độ dốc của khuyết tật 2° được áp dụng cho mô hình 2D của dây có đường kính 2,5 mm và chiều dài 7,5 mm.
Trên hình.Hình 7a cho thấy nồng độ ứng suất uốn ở đầu mỗi khuyết tật khi tác dụng mô men uốn 1500 Nm vào cả hai đầu của mỗi dây.Kết quả phân tích cho thấy ứng suất lớn nhất lần lượt là 1038,7 và 1025,8 MPa xảy ra ở đỉnh các khuyết tật hình chữ V và hình chữ Y.Trên hình.Hình 7b thể hiện sự tập trung ứng suất tại đỉnh của mỗi khuyết tật do xoắn gây ra.Khi phía bên trái bị hạn chế và mô men xoắn 1500 N∙mm tác dụng vào phía bên phải, ứng suất tối đa tương tự 1099 MPa xảy ra ở đầu của các khuyết tật hình chữ V và hình chữ Y.Những kết quả này cho thấy các khuyết tật loại V biểu hiện ứng suất uốn cao hơn các khuyết tật loại Y khi chúng có cùng độ sâu và độ dốc của khuyết tật nhưng chúng chịu cùng ứng suất xoắn.Do đó, các khuyết tật bề mặt hình chữ V và hình chữ Y có cùng độ sâu và độ dốc của khuyết tật có thể được chuẩn hóa thành các khuyết tật hình chữ V với ứng suất tối đa cao hơn do tập trung ứng suất gây ra.Tỷ lệ kích thước khuyết tật loại V được xác định là α = w/h sử dụng độ sâu (h) và chiều rộng (w) của các khuyết tật loại V và loại T;do đó, thay vào đó, khuyết tật loại T (α ≈ 0), hình học có thể được xác định bằng cấu trúc hình học của khuyết tật loại V.Do đó, các khuyết tật loại Y và loại T có thể được chuẩn hóa bằng các khuyết tật loại V.Sử dụng độ sâu (h) và chiều dài (l), tỷ lệ chiều dài được xác định theo cách khác là β = l/h.
Như hình 811, các hướng khuyết tật bề mặt của dây OT được chia thành các hướng dọc, ngang và xiên như trên Hình 811. Phân tích ảnh hưởng của hướng khuyết tật bề mặt đến độ bền của lò xo bằng phần tử hữu hạn phương pháp.
Trên hình.Hình 9a thể hiện mô hình phân tích ứng suất lò xo van động cơ.Như một điều kiện phân tích, lò xo được nén từ độ cao tự do 50,5 mm đến độ cao cứng 21,8 mm, ứng suất tối đa 1086 MPa được tạo ra bên trong lò xo, như trong Hình 9b.Do sự cố của lò xo van động cơ thực tế chủ yếu xảy ra bên trong lò xo nên sự hiện diện của các khuyết tật bề mặt bên trong được cho là sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ mỏi của lò xo.Do đó, các khuyết tật bề mặt theo hướng dọc, ngang và xiên được áp dụng vào bên trong lò xo van động cơ bằng kỹ thuật mô hình phụ.Bảng 2 cho thấy kích thước của khuyết tật bề mặt và ứng suất tối đa theo từng hướng của khuyết tật khi lò xo nén tối đa.Ứng suất cao nhất được quan sát theo hướng ngang và tỷ lệ ứng suất theo hướng dọc và xiên so với hướng ngang được ước tính là 0,934–0,996.Tỷ lệ ứng suất có thể được xác định bằng cách chia giá trị này cho ứng suất ngang tối đa.Ứng suất cực đại trong lò xo xảy ra ở đỉnh của mỗi khuyết tật bề mặt, như trong Hình 9.Các giá trị ứng suất quan sát được theo các hướng dọc, ngang và xiên lần lượt là 2045, 2085 và 2049 MPa.Kết quả phân tích cho thấy các khuyết tật bề mặt ngang có ảnh hưởng trực tiếp nhất đến tuổi thọ mỏi của lò xo van động cơ.
Khiếm khuyết hình chữ V, được cho là ảnh hưởng trực tiếp nhất đến tuổi thọ mỏi của lò xo van động cơ, được chọn là khuyết tật ban đầu của dây OT và hướng ngang được chọn làm hướng của khuyết tật.Khiếm khuyết này không chỉ xảy ra bên ngoài, nơi lò xo van động cơ bị gãy trong quá trình sản xuất mà còn xảy ra bên trong, nơi xảy ra ứng suất lớn nhất do tập trung ứng suất trong quá trình vận hành.Độ sâu khuyết tật tối đa được đặt thành 40 µm, có thể được phát hiện bằng cách phát hiện khuyết tật bằng dòng điện xoáy và độ sâu tối thiểu được đặt ở độ sâu tương ứng với 0,1% đường kính dây 2,5 mm.Do đó, độ sâu của khuyết tật là từ 2,5 đến 40 µm.Độ sâu, chiều dài và chiều rộng của các khuyết tật có tỷ lệ chiều dài 0,1 ~ 1 và tỷ lệ chiều dài 5 ~ 15 được sử dụng làm biến số và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ bền mỏi của lò xo.Bảng 3 liệt kê các điều kiện phân tích được xác định bằng phương pháp bề mặt đáp ứng.
Lò xo van động cơ ô tô được sản xuất bằng phương pháp quấn nguội, ủ, nổ mìn và định hình nhiệt bằng dây OT.Phải tính đến những thay đổi về khuyết tật bề mặt trong quá trình chế tạo lò xo để đánh giá ảnh hưởng của khuyết tật bề mặt ban đầu của dây OT đến tuổi thọ mỏi của lò xo van động cơ.Vì vậy, trong phần này sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để dự đoán sự biến dạng của khuyết tật bề mặt dây OT trong quá trình chế tạo mỗi lò xo.
Trên hình.Hình 10 thể hiện quá trình quấn nguội.Trong quá trình này, dây OT được đưa vào thanh dẫn dây bằng con lăn nạp.Bộ dẫn hướng dây dẫn vào và đỡ dây để tránh bị cong trong quá trình tạo hình.Dây đi qua thanh dẫn hướng dây được uốn bởi thanh thứ nhất và thứ hai để tạo thành lò xo cuộn có đường kính bên trong mong muốn.Bước lò xo được tạo ra bằng cách di chuyển dụng cụ bước sau một vòng quay.
Trên hình.11a thể hiện mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để đánh giá sự thay đổi hình học của các khuyết tật bề mặt trong quá trình cán nguội.Việc hình thành dây chủ yếu được hoàn thành bởi chốt quấn.Do lớp oxit trên bề mặt dây đóng vai trò như chất bôi trơn nên tác dụng ma sát của con lăn cấp liệu là không đáng kể.Vì vậy, trong mô hình tính toán, con lăn cấp liệu và dẫn hướng dây được đơn giản hóa như một ống lót.Hệ số ma sát giữa dây OT và dụng cụ tạo hình được đặt là 0,05.Mặt phẳng thân cứng 2D và các điều kiện cố định được áp dụng cho đầu bên trái của dây để nó có thể được nạp theo hướng X ở cùng tốc độ với con lăn cấp liệu (0,6 m/s).Trên hình.11b thể hiện phương pháp mô phỏng phụ được sử dụng để áp dụng các khuyết tật nhỏ cho dây dẫn.Để tính đến kích thước của khuyết tật bề mặt, mô hình con được áp dụng hai lần cho các khuyết tật bề mặt có độ sâu từ 20 µm trở lên và ba lần cho các khuyết tật bề mặt có độ sâu nhỏ hơn 20 µm.Các khuyết tật bề mặt được áp dụng cho các khu vực được hình thành với các bước bằng nhau.Trong mô hình tổng thể của lò xo, chiều dài của đoạn dây thẳng là 100 mm.Đối với mô hình con thứ nhất, áp dụng mô hình con 1 với chiều dài 3mm đến vị trí dọc 75mm so với mô hình toàn cầu.Mô phỏng này sử dụng phần tử tám nút lục giác ba chiều (3D).Trong mô hình toàn cầu và mô hình con 1, chiều dài cạnh tối thiểu của mỗi phần tử lần lượt là 0,5 và 0,2 mm.Sau khi phân tích mô hình con 1, các khuyết tật bề mặt được áp dụng cho mô hình con 2, chiều dài và chiều rộng của mô hình con 2 gấp 3 lần chiều dài khuyết tật bề mặt để loại bỏ ảnh hưởng của các điều kiện biên của mô hình con, trong Ngoài ra, 50% chiều dài và chiều rộng được sử dụng làm chiều sâu của mô hình phụ.Trong mô hình con 2, chiều dài cạnh tối thiểu của mỗi phần tử là 0,005 mm.Một số khuyết tật bề mặt nhất định được áp dụng cho phân tích phần tử hữu hạn như trong Bảng 3.
Trên hình.12 cho thấy sự phân bố ứng suất trong các vết nứt bề mặt sau khi gia công nguội cuộn dây.Mô hình chung và mô hình con 1 cho thấy hầu hết các ứng suất 1076 và 1079 MPa ở cùng một vị trí, điều này khẳng định tính đúng đắn của phương pháp mô hình hóa con.Sự tập trung ứng suất cục bộ xảy ra ở các cạnh biên của mô hình con.Rõ ràng, điều này là do các điều kiện biên của mô hình con.Do nồng độ ứng suất, mô hình phụ 2 với các khuyết tật bề mặt được áp dụng cho thấy ứng suất 2449 MPa ở đầu khuyết tật trong quá trình cán nguội.Như thể hiện trong Bảng 3, các khuyết tật bề mặt được xác định bằng phương pháp phản ứng bề mặt được áp dụng vào bên trong lò xo.Kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho thấy không có trường hợp nào trong số 13 trường hợp khuyết tật bề mặt bị lỗi.
Trong quá trình quấn dây ở tất cả các quy trình công nghệ, độ sâu của khuyết tật bề mặt bên trong lò xo tăng 0,1–2,62 µm (Hình 13a), và chiều rộng giảm 1,8–35,79 µm (Hình 13b), trong khi chiều dài tăng 0,72 –34,47 µm (Hình 13c).Do khuyết tật ngang hình chữ V được đóng lại theo chiều rộng bằng cách uốn trong quá trình cán nguội nên bị biến dạng thành khuyết tật hình chữ V có độ dốc lớn hơn khuyết tật ban đầu.
Biến dạng về độ sâu, chiều rộng và chiều dài của các khuyết tật bề mặt dây OT trong quá trình sản xuất.
Áp dụng các khuyết tật bề mặt bên ngoài lò xo và dự đoán khả năng bị vỡ trong quá trình cán nguội bằng Phân tích phần tử hữu hạn.Theo các điều kiện được liệt kê trong Bảng.3, không có khả năng phá hủy các khuyết tật ở bề mặt bên ngoài.Nói cách khác, không có sự phá hủy nào xảy ra ở độ sâu của khuyết tật bề mặt từ 2,5 đến 40 µm.
Để dự đoán các khuyết tật bề mặt nghiêm trọng, các vết nứt bên ngoài trong quá trình cán nguội đã được nghiên cứu bằng cách tăng độ sâu khuyết tật từ 40 µm lên 5 µm.Trên hình.14 cho thấy các vết nứt dọc theo khuyết tật bề mặt.Vết nứt xảy ra trong điều kiện độ sâu (55 µm), chiều rộng (2 µm) và chiều dài (733 µm).Độ sâu tới hạn của khuyết tật bề mặt bên ngoài lò xo hóa ra là 55 μm.
Quá trình phun bi ngăn chặn sự phát triển của vết nứt và tăng tuổi thọ mỏi bằng cách tạo ra ứng suất nén dư ở một độ sâu nhất định tính từ bề mặt lò xo;tuy nhiên, nó gây ra sự tập trung ứng suất bằng cách tăng độ nhám bề mặt của lò xo, do đó làm giảm khả năng chống mỏi của lò xo.Do đó, công nghệ mài mòn thứ cấp được sử dụng để tạo ra các lò xo có độ bền cao nhằm bù đắp cho sự giảm tuổi thọ mỏi do sự gia tăng độ nhám bề mặt do mài mòn bắn.Quá trình mài bóng hai giai đoạn có thể cải thiện độ nhám bề mặt, ứng suất dư nén tối đa và ứng suất dư nén bề mặt vì lần phun thứ hai được thực hiện sau lần phun thứ nhất12,13,14.
Trên hình.Hình 15 thể hiện mô hình phân tích của quá trình nổ mìn.Một mô hình bằng nhựa đàn hồi đã được tạo ra trong đó 25 quả bóng được thả vào khu vực mục tiêu của đường OT để bắn nổ.Trong mô hình phân tích nổ mìn, các khuyết tật bề mặt của dây OT bị biến dạng trong quá trình quấn nguội được sử dụng làm các khuyết tật ban đầu.Loại bỏ các ứng suất dư phát sinh từ quá trình cán nguội bằng cách ram trước quá trình phun bi.Các đặc tính sau của quả cầu bắn đã được sử dụng: mật độ (ρ): 7800 kg/m3, mô đun đàn hồi (E) – 210 GPa, tỷ lệ Poisson (υ): 0,3.Hệ số ma sát giữa quả bóng và vật liệu là 0,1.Các viên đạn có đường kính 0,6 và 0,3 mm được phóng ra với cùng tốc độ 30 m/s trong lần rèn thứ nhất và thứ hai.Sau quá trình phun bi (trong số các quy trình sản xuất khác được trình bày trong Hình 13), độ sâu, chiều rộng và chiều dài của các khuyết tật bề mặt bên trong lò xo dao động từ -6,79 đến 0,28 µm, -4,24 đến 1,22 µm và -2 ,59 đến 1,69 µm, tương ứng là µm.Do biến dạng dẻo của đạn bắn ra vuông góc với bề mặt vật liệu nên độ sâu của khuyết tật giảm, đặc biệt là chiều rộng của khuyết tật giảm đáng kể.Rõ ràng, khuyết điểm đã được đóng lại do biến dạng dẻo gây ra bởi quá trình mài mòn.
Trong quá trình co nhiệt, tác động của co ngót nguội và ủ ở nhiệt độ thấp có thể tác động đồng thời lên lò xo van động cơ.Cài đặt lạnh sẽ tối đa hóa mức độ căng của lò xo bằng cách nén nó đến mức cao nhất có thể ở nhiệt độ phòng.Trong trường hợp này, nếu lò xo van động cơ được tải vượt quá giới hạn chảy của vật liệu, thì lò xo van động cơ sẽ biến dạng dẻo, làm tăng giới hạn chảy.Sau khi biến dạng dẻo, lò xo van bị uốn cong, nhưng cường độ chảy tăng lên mang lại độ đàn hồi cho lò xo van trong hoạt động thực tế.Ủ ở nhiệt độ thấp giúp cải thiện khả năng chịu nhiệt và biến dạng của lò xo van hoạt động ở nhiệt độ cao2.
Các khuyết tật bề mặt bị biến dạng trong quá trình phun nổ trong phân tích FE và trường ứng suất dư được đo bằng thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD) đã được áp dụng cho mô hình phụ 2 (Hình 8) để suy ra sự thay đổi của các khuyết tật trong quá trình co rút nhiệt.Lò xo được thiết kế để hoạt động trong phạm vi đàn hồi và được nén từ độ cao tự do 50,5 mm đến độ cao cố định 21,8 mm và sau đó được phép trở về độ cao ban đầu là 50,5 mm như một điều kiện phân tích.Trong quá trình co ngót nhiệt, hình dạng của khuyết tật thay đổi không đáng kể.Rõ ràng, ứng suất nén dư từ 800 MPa trở lên, được tạo ra bằng cách nổ mìn, sẽ ngăn chặn sự biến dạng của các khuyết tật bề mặt.Sau khi co ngót do nhiệt (Hình 13), độ sâu, chiều rộng và chiều dài của các khuyết tật bề mặt thay đổi lần lượt từ -0,13 đến 0,08 µm, từ -0,75 đến 0 µm và từ 0,01 đến 2,4 µm.
Trên hình.16 so sánh biến dạng của các khuyết tật hình chữ U và hình chữ V có cùng độ sâu (40 µm), chiều rộng (22 µm) và chiều dài (600 µm).Sự thay đổi về chiều rộng của các khuyết tật hình chữ U và hình chữ V lớn hơn sự thay đổi về chiều dài, nguyên nhân là do đóng theo hướng chiều rộng trong quá trình cán nguội và phun bi.So với các khuyết tật hình chữ U, các khuyết tật hình chữ V hình thành ở độ sâu tương đối lớn hơn và có độ dốc lớn hơn, cho thấy rằng có thể áp dụng một cách tiếp cận thận trọng khi áp dụng các khuyết tật hình chữ V.
Phần này thảo luận về biến dạng của khuyết tật ban đầu trong dây chuyền OT đối với từng quy trình sản xuất lò xo van.Lỗi dây OT ban đầu được áp dụng vào bên trong lò xo van, nơi có thể xảy ra hư hỏng do ứng suất cao trong quá trình vận hành lò xo.Các khuyết tật bề mặt hình chữ V ngang của dây OT tăng nhẹ về chiều sâu và chiều dài và giảm mạnh về chiều rộng do bị uốn trong quá trình quấn nguội.Việc đóng theo hướng chiều rộng xảy ra trong quá trình bắn bi với ít hoặc không có biến dạng khuyết tật đáng chú ý trong quá trình cài đặt nhiệt cuối cùng.Trong quá trình cán nguội và phun bi, có sự biến dạng lớn theo hướng chiều rộng do biến dạng dẻo.Khuyết tật hình chữ V bên trong lò xo van chuyển thành khuyết tật hình chữ T do bị đóng theo chiều rộng trong quá trình cán nguội.