310 المكون الكيميائي لأنبوب لفائف الفولاذ المقاوم للصدأ، تأثير العيوب السطحية في الأسلاك الفولاذية المقوية بالزيت على عمر التعب لنوابض الصمامات في محركات السيارات

شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
أشرطة التمرير تعرض ثلاث مقالات لكل شريحة.استخدم زري الرجوع والتالي للتنقل عبر الشرائح، أو أزرار التحكم في الشرائح الموجودة في النهاية للتنقل خلال كل شريحة.

الفولاذ المقاوم للصدأ 310 أنابيب ملفوفة / أنابيب ملفوفةالتركيب الكيميائيوالتكوين

يوضح الجدول التالي التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ درجة 310S.

10 * 1 مم 9.25 * 1.24 مم 310 أنبوب ملفوف شعري من الفولاذ المقاوم للصدأ الموردين

الخصائص الفيزيائية

يتم عرض الخصائص الفيزيائية للفولاذ المقاوم للصدأ درجة 310S في الجدول التالي.

الخواص الميكانيكية

يوضح الجدول التالي الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ درجة 310S.

الخصائص الحرارية

الخصائص الحرارية للفولاذ المقاوم للصدأ درجة 310S موضحة في الجدول التالي.

تسميات أخرى

يتم سرد التسميات الأخرى المكافئة للفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة 310S في الجدول التالي.

الغرض من هذه الدراسة هو تقييم عمر الكلال لنابض الصمام في محرك السيارة عند تطبيق عيوب دقيقة على سلك مقوى بالزيت بدرجة 2300 ميجا باسكال (سلك OT) بعمق عيب حرج يبلغ قطره 2.5 مم.أولاً، تم الحصول على تشوه العيوب السطحية لسلك OT أثناء تصنيع زنبرك الصمام من خلال تحليل العناصر المحدودة باستخدام طرق المحاكاة، وتم قياس الضغط المتبقي للزنبرك النهائي وتطبيقه على نموذج تحليل إجهاد الزنبرك.ثانيًا، قم بتحليل قوة زنبرك الصمام، وتحقق من الإجهاد المتبقي، وقارن مستوى الضغط المطبق مع عيوب السطح.ثالثًا، تم تقييم تأثير العيوب الدقيقة على عمر إجهاد الزنبرك من خلال تطبيق الضغط على عيوب السطح التي تم الحصول عليها من تحليل قوة الزنبرك على منحنيات SN التي تم الحصول عليها من اختبار إجهاد الانثناء أثناء دوران السلك OT.يعد عمق العيب الذي يبلغ 40 ميكرومتر هو المعيار الحالي لإدارة عيوب السطح دون المساس بعمر الكلال.
تتمتع صناعة السيارات بطلب قوي على مكونات السيارات خفيفة الوزن لتحسين كفاءة استهلاك الوقود في المركبات.وبالتالي، فإن استخدام الفولاذ المتقدم عالي القوة (AHSS) قد تزايد في السنوات الأخيرة.تتكون نوابض صمامات محرك السيارات بشكل أساسي من أسلاك فولاذية مقوية بالزيت مقاومة للحرارة ومقاومة للاهتراء وغير مترهلة (أسلاك OT).
نظرًا لقوة الشد العالية (1900-2100 ميجاباسكال)، تتيح أسلاك OT المستخدمة حاليًا تقليل حجم وكتلة نوابض صمامات المحرك، وتحسين كفاءة استهلاك الوقود عن طريق تقليل الاحتكاك مع الأجزاء المحيطة1.بسبب هذه المزايا، فإن استخدام قضبان الأسلاك ذات الجهد العالي يتزايد بسرعة، وتظهر قضبان الأسلاك ذات القوة العالية للغاية من فئة 2300MPa واحدة تلو الأخرى.تتطلب نوابض الصمامات في محركات السيارات عمر خدمة طويل لأنها تعمل تحت أحمال دورية عالية.لتلبية هذا المطلب، يأخذ المصنعون في الاعتبار عادةً عمر الكلال أكبر من 5.5×107 دورات عند تصميم نوابض الصمامات وتطبيق الضغط المتبقي على سطح زنبرك الصمام من خلال عمليات التقطيع بالخردق والانكماش الحراري لتحسين عمر الكلال2.
لقد تم إجراء عدد لا بأس به من الدراسات حول عمر الكلال للينابيع الحلزونية في المركبات في ظل ظروف التشغيل العادية.غزال وآخرون.تم تقديم التحليلات التحليلية والتجريبية والعناصر المحدودة (FE) للينابيع الحلزونية الإهليلجية ذات الزوايا الحلزونية الصغيرة تحت الحمل الثابت.توفر هذه الدراسة تعبيرًا واضحًا وبسيطًا لموقع الحد الأقصى لإجهاد القص مقابل نسبة العرض إلى الارتفاع ومؤشر الصلابة، كما توفر رؤية تحليلية لأقصى إجهاد القص، وهي معلمة حاسمة في التصاميم العملية.باستورسيك وآخرون.تم وصف نتائج تحليل التدمير والتعب للنابض الحلزوني الذي تم إزالته من سيارة خاصة بعد فشل التشغيل.باستخدام الأساليب التجريبية، تم فحص الربيع المكسور وتشير النتائج إلى أن هذا مثال على فشل الكلال التآكل.ثقب، وما إلى ذلك. تم تطوير العديد من نماذج حياة الزنبرك ذات الانحدار الخطي لتقييم عمر الكلال للينابيع الحلزونية للسيارات.بوترا وآخرون.بسبب عدم استواء سطح الطريق، يتم تحديد عمر خدمة الزنبرك الحلزوني للسيارة.ومع ذلك، لم يتم إجراء سوى القليل من الأبحاث حول كيفية تأثير العيوب السطحية التي تحدث أثناء عملية التصنيع على عمر النوابض اللولبية في السيارات.
يمكن أن تؤدي العيوب السطحية التي تحدث أثناء عملية التصنيع إلى تركيز الضغط المحلي في نوابض الصمامات، مما يقلل بشكل كبير من عمر الكلال.تنتج العيوب السطحية لنوابض الصمامات عن عوامل مختلفة، مثل العيوب السطحية للمواد الخام المستخدمة، والعيوب في الأدوات، والتعامل الخشن أثناء الدرفلة على البارد7.تكون عيوب سطح المادة الخام على شكل حرف V بشكل حاد بسبب الدرفلة على الساخن والسحب المتعدد التمرير، في حين أن العيوب الناتجة عن أداة التشكيل والتعامل مع الإهمال تكون على شكل حرف U مع منحدرات لطيفة 8،9،10،11.تسبب العيوب على شكل حرف V تركيزات إجهاد أعلى من العيوب على شكل حرف U، لذلك يتم عادةً تطبيق معايير صارمة لإدارة العيوب على مادة البداية.
تتضمن معايير إدارة عيوب السطح الحالية لأسلاك OT ASTM A877/A877M-10 وDIN EN 10270-2 وJIS G 3561 وKS D 3580. يحدد DIN EN 10270-2 أن عمق عيب السطح على أقطار الأسلاك يبلغ 0.5– 10 ملم أقل من 0.5-1% من قطر السلك.بالإضافة إلى ذلك، تتطلب JIS G 3561 وKS D 3580 أن يكون عمق العيوب السطحية في قضبان السلك التي يبلغ قطرها 0.5-8 مم أقل من 0.5% من قطر السلك.في ASTM A877/A877M-10، يجب على الشركة المصنعة والمشتري الاتفاق على العمق المسموح به لعيوب السطح.لقياس عمق الخلل على سطح السلك، عادة ما يتم حفر السلك بحمض الهيدروكلوريك، ومن ثم يتم قياس عمق الخلل باستخدام الميكرومتر.ومع ذلك، لا يمكن لهذه الطريقة قياس العيوب إلا في مناطق معينة وليس على كامل سطح المنتج النهائي.لذلك، يستخدم المصنعون اختبار التيار الدوامي أثناء عملية سحب الأسلاك لقياس عيوب السطح في الأسلاك المنتجة بشكل مستمر؛يمكن لهذه الاختبارات قياس عمق عيوب السطح حتى 40 ميكرومتر.السلك الفولاذي بدرجة 2300MPa قيد التطوير لديه قوة شد أعلى واستطالة أقل من السلك الفولاذي بدرجة 1900-2200MPa الحالي، لذلك يعتبر عمر كلال زنبرك الصمام حساسًا للغاية لعيوب السطح.لذلك، من الضروري التحقق من سلامة تطبيق المعايير الحالية للتحكم في عمق العيوب السطحية لأسلاك الفولاذ بدرجة 1900-2200 ميجا باسكال إلى أسلاك الفولاذ بدرجة 2300 ميجا باسكال.
الغرض من هذه الدراسة هو تقييم عمر الكلال لنابض صمام محرك السيارة عندما يتم تطبيق الحد الأدنى لعمق الخلل الذي يمكن قياسه عن طريق اختبار التيار الدوامي (أي 40 ميكرومتر) على سلك OT بقوة 2300 ميجا باسكال (القطر: 2.5 مم): عيب خطير عمق .مساهمة ومنهجية هذه الدراسة هي كما يلي.
كعيب أولي في سلك OT، تم استخدام عيب على شكل حرف V، مما يؤثر بشكل خطير على عمر الكلال، في الاتجاه العرضي بالنسبة لمحور السلك.خذ بعين الاعتبار نسبة الأبعاد (α) والطول (β) لعيب السطح لمعرفة تأثير عمقه (h)، وعرضه (w)، وطوله (l).تحدث العيوب السطحية داخل الزنبرك، حيث يحدث الفشل أولاً.
للتنبؤ بتشوه العيوب الأولية في سلك OT أثناء اللف البارد، تم استخدام أسلوب المحاكاة الفرعية، والذي أخذ في الاعتبار وقت التحليل وحجم عيوب السطح، حيث أن العيوب صغيرة جدًا مقارنة بسلك OT.نموذج عالمي.
تم حساب ضغوط الضغط المتبقية في الربيع بعد الطحن بالرصاص على مرحلتين بطريقة العناصر المحددة، وتمت مقارنة النتائج مع القياسات بعد الطحن بالرصاص لتأكيد النموذج التحليلي.بالإضافة إلى ذلك، تم قياس الضغوط المتبقية في نوابض الصمامات من جميع عمليات التصنيع وتطبيقها على تحليل قوة الزنبرك.
يتم التنبؤ بالإجهادات في عيوب السطح من خلال تحليل قوة الزنبرك، مع الأخذ في الاعتبار تشوه العيب أثناء الدرفلة على البارد وضغط الضغط المتبقي في الزنبرك النهائي.
تم إجراء اختبار إجهاد الانحناء الدوراني باستخدام سلك OT مصنوع من نفس مادة زنبرك الصمام.من أجل ربط خصائص الإجهاد المتبقي وخشونة السطح لنوابض الصمامات المُصنّعة بخطوط OT، تم الحصول على منحنيات SN عن طريق اختبارات إجهاد الانحناء الدوارة بعد تطبيق التقطيع والالتواء على مرحلتين كعمليات معالجة مسبقة.
تم تطبيق نتائج تحليل قوة الزنبرك على معادلة جودمان ومنحنى SN للتنبؤ بعمر كلال زنبرك الصمام، كما تم تقييم تأثير عمق عيب السطح على عمر الكلال.
في هذه الدراسة، تم استخدام سلك من فئة 2300 ميجا باسكال OT بقطر 2.5 مم لتقييم عمر الكلال لنابض صمام محرك السيارة.أولاً، تم إجراء اختبار الشد للسلك للحصول على نموذج الكسر المرن.
تم الحصول على الخواص الميكانيكية لسلك OT من اختبارات الشد قبل تحليل العناصر المحدودة لعملية اللف البارد وقوة الزنبرك.تم تحديد منحنى الإجهاد والانفعال للمادة باستخدام نتائج اختبارات الشد عند معدل إجهاد قدره 0.001 ثانية-1، كما هو موضح في الشكل.1. يتم استخدام سلك SWONB-V، وقوة الخضوع، قوة الشد، معامل المرونة ونسبة Poisson هي 2001.2MPa، 2316MPa، 206GPa و 0.3 على التوالي.يتم الحصول على اعتماد الإجهاد على إجهاد التدفق على النحو التالي:
أرز.2 يوضح عملية كسر اللدن.تخضع المادة لتشوه مرن أثناء التشوه، وتضيق المادة عندما يصل الضغط في المادة إلى قوة الشد.وبعد ذلك، يؤدي إنشاء ونمو وربط الفراغات داخل المادة إلى تدمير المادة.
يستخدم نموذج الكسر المرن نموذج التشوه الحرج المعدل بالإجهاد الذي يأخذ في الاعتبار تأثير الإجهاد، ويستخدم الكسر بعد العنق طريقة تراكم الضرر.هنا، يتم التعبير عن بدء الضرر كدالة للإجهاد، وثلاثية محاور الإجهاد، ومعدل الإجهاد.يتم تعريف ثلاثية محاور الإجهاد على أنها القيمة المتوسطة التي يتم الحصول عليها عن طريق قسمة الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن تشوه المادة حتى تكوين الرقبة على الإجهاد الفعال.في طريقة تراكم الضرر، يحدث التدمير عندما تصل قيمة الضرر إلى 1، وتعرف الطاقة اللازمة للوصول إلى قيمة الضرر 1 بأنها طاقة التدمير (Gf).تتوافق طاقة الكسر مع منطقة منحنى الإجهاد والإزاحة الحقيقي للمادة من العنق إلى وقت الكسر.
في حالة الفولاذ التقليدي، اعتمادًا على وضع الإجهاد، يحدث كسر ليونة أو كسر القص أو كسر الوضع المختلط بسبب الليونة وكسر القص، كما هو موضح في الشكل 3. أظهرت سلالة الكسر وثلاثية محاور الإجهاد قيمًا مختلفة لـ نمط الكسر.
يحدث فشل البلاستيك في منطقة تتوافق مع ثلاثية محاور الإجهاد لأكثر من 1/3 (المنطقة I)، ويمكن استنتاج إجهاد الكسر وثلاثية محاور الإجهاد من اختبارات الشد على العينات ذات العيوب والشقوق السطحية.في المنطقة المقابلة لثلاثية محاور الإجهاد البالغة 0 ~ 1/3 (المنطقة II)، يحدث مزيج من الكسر المطيل وفشل القص (أي من خلال اختبار الالتواء. في المنطقة المقابلة لثلاثية محاور الإجهاد من -1/3 إلى 0 (III)، يمكن الحصول على فشل القص الناجم عن الضغط، وإجهاد الكسر وثلاثية محاور الإجهاد عن طريق اختبار الإزعاج.
بالنسبة لأسلاك OT المستخدمة في تصنيع نوابض صمام المحرك، من الضروري مراعاة الكسور الناتجة عن ظروف التحميل المختلفة أثناء عملية التصنيع وظروف التطبيق.لذلك، تم إجراء اختبارات الشد والالتواء لتطبيق معيار سلالة الفشل، وتم أخذ تأثير ثلاثية محاور الإجهاد في الاعتبار، وتم إجراء تحليل العناصر المحدودة المرنة في سلالات كبيرة لقياس التغير في ثلاثية محاور الإجهاد.لم يتم أخذ وضع الضغط في الاعتبار بسبب محدودية معالجة العينات، أي أن قطر سلك OT يبلغ 2.5 مم فقط.يسرد الجدول 1 شروط اختبار الشد والالتواء، بالإضافة إلى ثلاثية المحاور الإجهادية وسلالة الكسر، التي تم الحصول عليها باستخدام تحليل العناصر المحدودة.
يمكن التنبؤ بإجهاد الكسر للفولاذ ثلاثي المحاور التقليدي تحت الضغط باستخدام المعادلة التالية.
حيث C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) قطع نظيف (η = 0) وC2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) التوتر أحادي المحور (η = η0 = 1/3).
يتم الحصول على خطوط الاتجاه لكل وضع إجهاد من خلال تطبيق قيم انفعال الكسر C1 و C2 في المعادلة.(2)؛يتم الحصول على C1 وC2 من اختبارات الشد والالتواء على عينات خالية من العيوب السطحية.ويبين الشكل 4 ثلاثية محاور الإجهاد وسلالة الكسر التي تم الحصول عليها من الاختبارات وخطوط الاتجاه التي تنبأت بها المعادلة.(2) يُظهر خط الاتجاه الذي تم الحصول عليه من الاختبار والعلاقة بين ثلاثية محاور الإجهاد وسلالة الكسر اتجاهًا مشابهًا.تم استخدام سلالة الكسر وثلاثية محاور الإجهاد لكل وضع إجهاد، والتي تم الحصول عليها من تطبيق خطوط الاتجاه، كمعايير لكسر الدكتايل.
تُستخدم طاقة الكسر كخاصية مادية لتحديد وقت الكسر بعد عملية العنق ويمكن الحصول عليها من اختبارات الشد.تعتمد طاقة الكسر على وجود أو عدم وجود شقوق على سطح المادة، حيث أن وقت الكسر يعتمد على تركيز الضغوط المحلية.توضح الأشكال 5أ-ج طاقات الكسر للعينات التي لا تحتوي على عيوب سطحية والعينات ذات درجات R0.4 أو R0.8 من اختبارات الشد وتحليل العناصر المحدودة.تتوافق طاقة الكسر مع مساحة منحنى إزاحة الإجهاد الحقيقي من العنق إلى وقت الكسر.
تم التنبؤ بطاقة الكسر لسلك OT مع عيوب سطحية دقيقة من خلال إجراء اختبارات الشد على سلك OT بعمق عيب أكبر من 40 ميكرومتر، كما هو مبين في الشكل 5 د.تم استخدام عشر عينات بها عيوب في اختبارات الشد وقدرت متوسط ​​طاقة الكسر بـ 29.12 مللي جول/مم2.
يتم تعريف عيب السطح القياسي على أنه نسبة عمق العيب إلى قطر سلك زنبرك الصمام، بغض النظر عن هندسة عيب السطح لسلك OT المستخدم في تصنيع نوابض صمامات السيارات.يمكن تصنيف عيوب سلك OT بناءً على الاتجاه والهندسة والطول.حتى مع وجود نفس عمق العيب، فإن مستوى الضغط المؤثر على عيب السطح في الزنبرك يختلف اعتمادًا على هندسة العيب واتجاهه، وبالتالي فإن هندسة العيب واتجاهه يمكن أن يؤثر على قوة الكلال.لذلك، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار هندسة واتجاه العيوب التي لها التأثير الأكبر على عمر الكلال للزنبرك من أجل تطبيق معايير صارمة لإدارة عيوب السطح.نظرًا للبنية الحبيبية الدقيقة لسلك OT، فإن عمر التعب الخاص به حساس جدًا للتحزيز.ولذلك، ينبغي تحديد العيب الذي يُظهر أعلى تركيز للإجهاد وفقًا لهندسة واتجاه الخلل باعتباره العيب الأولي باستخدام تحليل العناصر المحدودة.على الشكل.يُظهر الشكل 6 نوابض صمامات السيارات فائقة القوة من فئة 2300 ميجا باسكال المستخدمة في هذه الدراسة.
تنقسم العيوب السطحية لسلك OT إلى عيوب داخلية وعيوب خارجية حسب محور الزنبرك.بسبب الانحناء أثناء الدرفلة على البارد، يؤثر إجهاد الضغط وإجهاد الشد على داخل وخارج الزنبرك، على التوالي.يمكن أن يحدث الكسر بسبب عيوب السطح التي تظهر من الخارج بسبب ضغوط الشد أثناء الدرفلة على البارد.
في الممارسة العملية، يتعرض الربيع للضغط الدوري والاسترخاء.أثناء انضغاط الزنبرك، يلتوي السلك الفولاذي، وبسبب تركيز الضغوطات، يكون إجهاد القص داخل الزنبرك أعلى من إجهاد القص المحيط7.لذلك، إذا كانت هناك عيوب سطحية داخل الزنبرك، فإن احتمال كسر الزنبرك هو الأكبر.وبالتالي، يتم تعيين الجانب الخارجي للزنبرك (الموقع الذي يتوقع فيه الفشل أثناء تصنيع الزنبرك) والجانب الداخلي (حيث يكون الضغط أكبر عند التطبيق الفعلي) كمواقع للعيوب السطحية.
تنقسم هندسة العيوب السطحية لخطوط OT إلى شكل U، وشكل V، وشكل Y، وشكل T.يوجد النوع Y والنوع T بشكل أساسي في العيوب السطحية للمواد الخام، وتحدث عيوب النوع U والنوع V بسبب التعامل مع الإهمال للأدوات في عملية الدرفلة على البارد.فيما يتعلق بهندسة العيوب السطحية في المواد الخام، فإن العيوب على شكل حرف U الناشئة عن تشوه البلاستيك غير الموحد أثناء الدرفلة على الساخن يتم تشويهها إلى عيوب التماس على شكل حرف V وشكل Y وشكل T تحت تمديد متعدد التمريرات 8، 10.
بالإضافة إلى ذلك، فإن العيوب على شكل V وY وT ذات الميول الحادة للشق على السطح ستتعرض لتركيز عالي الضغط أثناء تشغيل الزنبرك.تنحني نوابض الصمام أثناء الدرفلة على البارد وتلتف أثناء التشغيل.وتمت مقارنة تركيزات الإجهاد للعيوب على شكل حرف V وشكل Y مع تركيزات الإجهاد الأعلى باستخدام تحليل العناصر المحدودة، ABAQUS - برنامج تحليل العناصر المحدودة التجاري.تظهر العلاقة بين الإجهاد والانفعال في الشكل 1 والمعادلة 1. (1) تستخدم هذه المحاكاة عنصرًا رباعي العقد مستطيلًا ثنائي الأبعاد (2D)، والحد الأدنى لطول جانب العنصر هو 0.01 مم.بالنسبة للنموذج التحليلي، تم تطبيق عيوب على شكل حرف V وشكل Y بعمق 0.5 مم وانحدار العيب بمقدار 2 درجة على نموذج ثنائي الأبعاد لسلك يبلغ قطره 2.5 مم وطوله 7.5 مم.
على الشكل.يُظهر الشكل 7 أ تركيز إجهاد الانحناء عند طرف كل عيب عند تطبيق عزم انحناء قدره 1500 نانومتر على طرفي كل سلك.أظهرت نتائج التحليل أن الضغوط القصوى البالغة 1038.7 و 1025.8 ميجا باسكال تحدث عند قمم العيوب على شكل V و Y على التوالي.على الشكل.يوضح الشكل 7 ب تركيز الضغط في الجزء العلوي من كل عيب ناتج عن الالتواء.عندما يتم تقييد الجانب الأيسر وتطبيق عزم دوران قدره 1500 نيوتن ملم على الجانب الأيمن، يحدث نفس الضغط الأقصى البالغ 1099 ميجا باسكال عند أطراف العيوب على شكل V وY.تظهر هذه النتائج أن عيوب النوع V تظهر إجهاد انحناء أعلى من عيوب النوع Y عندما يكون لها نفس عمق وانحدار العيب، لكنها تواجه نفس الإجهاد الالتوائي.لذلك، يمكن تطبيع العيوب السطحية على شكل حرف V وعلى شكل Y بنفس عمق وانحدار العيب إلى عيوب على شكل حرف V مع أقصى قدر من الضغط الناتج عن تركيز الإجهاد.يتم تعريف نسبة حجم عيب النوع V على أنها α = w/h باستخدام العمق (h) والعرض (w) للعيوب من النوع V والنوع T؛وبالتالي، عيب من النوع T (α ≈ 0) بدلاً من ذلك، يمكن تعريف الهندسة من خلال البنية الهندسية لعيب من النوع V.لذلك، يمكن تطبيع عيوب النوع Y وT من خلال عيوب النوع V.وباستخدام العمق (h) والطول (l)، يتم تعريف نسبة الطول على أنها β = l/h.
كما هو موضح في الشكل 811، تنقسم اتجاهات العيوب السطحية لأسلاك OT إلى اتجاهات طولية وعرضية ومائلة، كما هو موضح في الشكل 811. تحليل تأثير اتجاه عيوب السطح على قوة الزنبرك بواسطة العنصر المحدود طريقة.
على الشكل.يوضح الشكل 9 أ نموذج تحليل إجهاد زنبرك صمام المحرك.كحالة تحليل، تم ضغط الزنبرك من ارتفاع حر قدره 50.5 مم إلى ارتفاع ثابت قدره 21.8 مم، وتم توليد أقصى ضغط قدره 1086 ميجا باسكال داخل الزنبرك، كما هو مبين في الشكل 9 ب.نظرًا لأن فشل نوابض صمام المحرك الفعلي يحدث بشكل رئيسي داخل الزنبرك، فمن المتوقع أن يؤثر وجود عيوب في السطح الداخلي بشكل خطير على عمر كلال الزنبرك.ولذلك، يتم تطبيق العيوب السطحية في الاتجاهات الطولية والعرضية والمائلة على الجزء الداخلي من نوابض صمام المحرك باستخدام تقنيات النمذجة الفرعية.يوضح الجدول 2 أبعاد عيوب السطح والحد الأقصى للضغط في كل اتجاه من الخلل عند أقصى ضغط للزنبرك.وقد لوحظت أعلى الاجهادات في الاتجاه العرضي، وقدرت نسبة الاجهادات في الاتجاهين الطولي والمائل إلى الاتجاه العرضي بـ 0.934-0.996.يمكن تحديد نسبة الإجهاد ببساطة عن طريق قسمة هذه القيمة على الحد الأقصى للإجهاد العرضي.الحد الأقصى للإجهاد في الربيع يحدث في الجزء العلوي من كل عيب سطحي، كما هو مبين في الشكل 9S.قيم الإجهاد الملحوظة في الاتجاهات الطولية والعرضية والمائلة هي 2045، 2085، و 2049 ميجاباسكال، على التوالي.تظهر نتائج هذه التحليلات أن عيوب السطح المستعرضة لها التأثير المباشر الأكبر على عمر الكلال لنوابض صمامات المحرك.
تم اختيار عيب على شكل حرف V، والذي يُفترض أنه يؤثر بشكل مباشر على عمر الكلال لزنبرك صمام المحرك، باعتباره العيب الأولي لسلك OT، وتم اختيار الاتجاه العرضي باعتباره اتجاه الخلل.لا يحدث هذا العيب في الخارج فقط، حيث انكسر زنبرك صمام المحرك أثناء التصنيع، ولكن أيضًا في الداخل، حيث يحدث أكبر ضغط بسبب تركيز الضغط أثناء التشغيل.يتم ضبط الحد الأقصى لعمق الخلل على 40 ميكرومتر، والذي يمكن اكتشافه عن طريق الكشف عن الخلل في التيار الدوامي، ويتم ضبط الحد الأدنى للعمق على عمق يتوافق مع 0.1% من قطر السلك 2.5 مم.لذلك فإن عمق الخلل يتراوح من 2.5 إلى 40 ميكرومتر.تم استخدام عمق وطول وعرض العيوب بنسبة طول 0.1~1 ونسبة طول 5~15 كمتغيرات، وتم تقييم تأثيرها على قوة الكلال للزنبرك.يسرد الجدول 3 الشروط التحليلية المحددة باستخدام منهجية سطح الاستجابة.
يتم تصنيع نوابض صمامات محرك السيارات عن طريق اللف البارد، والتلطيف، والسفع بالخردق، وإعداد الحرارة لسلك OT.يجب أن تؤخذ في الاعتبار التغييرات في عيوب السطح أثناء تصنيع الزنبرك لتقييم تأثير عيوب السطح الأولية في أسلاك OT على عمر الكلال لنوابض صمام المحرك.ولذلك، في هذا القسم، يتم استخدام تحليل العناصر المحدودة للتنبؤ بتشوه عيوب سطح سلك OT أثناء تصنيع كل ربيع.
على الشكل.10 يوضح عملية اللف البارد.خلال هذه العملية، يتم تغذية سلك OT إلى دليل السلك بواسطة أسطوانة التغذية.يقوم دليل السلك بتغذية السلك ودعمه لمنع الانحناء أثناء عملية التشكيل.يتم ثني السلك الذي يمر عبر دليل السلك بواسطة القضبان الأولى والثانية لتشكيل نوابض لولبية بالقطر الداخلي المطلوب.يتم إنتاج خطوة الزنبرك عن طريق تحريك أداة التدرج بعد ثورة واحدة.
على الشكل.يُظهر الشكل 11 أ نموذج العناصر المحدودة المستخدم لتقييم التغير في هندسة عيوب السطح أثناء الدرفلة على البارد.يتم إكمال تشكيل السلك بشكل أساسي بواسطة دبوس اللف.نظرًا لأن طبقة الأكسيد الموجودة على سطح السلك تعمل كمواد تشحيم، فإن تأثير الاحتكاك لأسطوانة التغذية يكون ضئيلًا.ولذلك، في نموذج الحساب، يتم تبسيط أسطوانة التغذية ودليل السلك كجلبة.تم ضبط معامل الاحتكاك بين سلك OT وأداة التشكيل على 0.05.يتم تطبيق مستوى الجسم الصلب ثنائي الأبعاد وشروط التثبيت على الطرف الأيسر من الخط بحيث يمكن تغذيته في الاتجاه X بنفس سرعة أسطوانة التغذية (0.6 م / ث).على الشكل.يوضح الشكل 11 ب طريقة المحاكاة الفرعية المستخدمة لتطبيق العيوب الصغيرة على الأسلاك.ولمراعاة حجم عيوب السطح، يتم تطبيق النموذج الفرعي مرتين للعيوب السطحية بعمق 20 ميكرومتر أو أكثر وثلاث مرات للعيوب السطحية بعمق أقل من 20 ميكرومتر.يتم تطبيق العيوب السطحية على المناطق المتكونة بخطوات متساوية.في النموذج العام للزنبرك، يبلغ طول قطعة السلك المستقيمة 100 مم.بالنسبة للنموذج الفرعي الأول، قم بتطبيق النموذج الفرعي 1 بطول 3 مم على موضع طولي 75 مم من النموذج العالمي.استخدمت هذه المحاكاة عنصرًا سداسيًا ثلاثي الأبعاد (3D) مكون من ثماني عقد.في النموذج العالمي والنموذج الفرعي 1، يبلغ الحد الأدنى لطول الجانب لكل عنصر 0.5 و0.2 مم، على التوالي.بعد تحليل النموذج الفرعي 1، يتم تطبيق عيوب السطح على النموذج الفرعي 2، ويكون طول وعرض النموذج الفرعي 2 3 أضعاف طول عيب السطح للتخلص من تأثير الشروط الحدودية للنموذج الفرعي، في بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام 50% من الطول والعرض كعمق للنموذج الفرعي.وفي النموذج الفرعي 2، يبلغ الحد الأدنى لطول الجانب لكل عنصر 0.005 مم.تم تطبيق بعض العيوب السطحية على تحليل العناصر المحدودة كما هو موضح في الجدول 3.
على الشكل.يوضح الشكل 12 توزيع الإجهاد في الشقوق السطحية بعد العمل البارد للملف.النموذج العام والنموذج الفرعي 1 يظهران تقريباً نفس الإجهادات 1076 و1079 ميجاباسكال في نفس المكان، مما يؤكد صحة طريقة النمذجة الفرعية.تحدث تركيزات الإجهاد المحلي عند الحواف الحدودية للنموذج الفرعي.ويبدو أن هذا يرجع إلى الشروط الحدودية للنموذج الفرعي.بسبب تركيز الإجهاد، يُظهر النموذج الفرعي 2 مع عيوب السطح المطبقة ضغطًا قدره 2449 ميجا باسكال عند طرف العيب أثناء الدرفلة على البارد.كما هو مبين في الجدول 3، تم تطبيق عيوب السطح التي تم تحديدها بواسطة طريقة سطح الاستجابة على الجزء الداخلي من الزنبرك.أظهرت نتائج تحليل العناصر المحدودة عدم فشل أي من الحالات الـ 13 للعيوب السطحية.
أثناء عملية اللف في جميع العمليات التكنولوجية، زاد عمق العيوب السطحية داخل الزنبرك بمقدار 0.1-2.62 ميكرومتر (الشكل 13أ)، وانخفض العرض بمقدار 1.8-35.79 ميكرومتر (الشكل 13ب)، بينما زاد الطول بمقدار 0.72 –34.47 ميكرومتر (الشكل 13ج).نظرًا لأن العيب المستعرض على شكل V يتم إغلاقه في العرض عن طريق الانحناء أثناء عملية الدرفلة على البارد، فإنه يتشوه إلى عيب على شكل V مع منحدر أكثر انحدارًا من العيب الأصلي.
التشوه في العمق والعرض وطول عيوب سطح سلك OT في عملية التصنيع.
قم بتطبيق عيوب السطح على الجزء الخارجي من الزنبرك وتوقع احتمالية الكسر أثناء الدرفلة على البارد باستخدام تحليل العناصر المحدودة.ضمن الشروط المذكورة في الجدول.3، ليس هناك احتمال لتدمير العيوب في السطح الخارجي.بمعنى آخر، لم يحدث أي تدمير على عمق عيوب السطح من 2.5 إلى 40 ميكرومتر.
للتنبؤ بالعيوب السطحية الحرجة، تم فحص الكسور الخارجية أثناء الدرفلة على البارد عن طريق زيادة عمق العيب من 40 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر.على الشكل.14 يظهر الكسور على طول العيوب السطحية.يحدث الكسر في ظروف العمق (55 ميكرومتر)، والعرض (2 ميكرومتر)، والطول (733 ميكرومتر).تبين أن العمق الحرج لعيب السطح خارج الزنبرك يبلغ 55 ميكرومتر.
تعمل عملية الطحن بالخردق على منع نمو الشقوق وزيادة عمر الكلال عن طريق خلق إجهاد ضغط متبقي عند عمق معين من سطح الزنبرك؛ومع ذلك، فإنه يحفز تركيز الإجهاد عن طريق زيادة خشونة سطح الزنبرك، وبالتالي تقليل مقاومة الكلال للزنبرك.لذلك، يتم استخدام تقنية التقطيع بالخردق الثانوية لإنتاج نوابض عالية القوة للتعويض عن تقليل عمر الكلال الناتج عن زيادة خشونة السطح الناتجة عن التخريم بالخردق.يمكن أن يؤدي التقطيع بالرصاص على مرحلتين إلى تحسين خشونة السطح والحد الأقصى من الضغط المتبقي للضغط والضغط المتبقي للضغط السطحي لأن التقطيع بالطلقة الثانية يتم إجراؤه بعد التقطيع بالطلقة الأولى 12،13،14.
على الشكل.يوضح الشكل 15 نموذجًا تحليليًا لعملية التفجير بالرصاص.تم إنشاء نموذج من البلاستيك المرن حيث تم إسقاط 25 كرة في المنطقة المحلية المستهدفة من خط OT لتفجيرها.في نموذج تحليل السفع بالخردق، تم استخدام العيوب السطحية لسلك OT المشوهة أثناء اللف البارد كعيوب أولية.إزالة الضغوط المتبقية الناتجة عن عملية الدرفلة على البارد عن طريق التقسية قبل عملية السفع بالخردق.تم استخدام الخصائص التالية للكرة المطلقة: الكثافة (ρ): 7800 كجم/م3، معامل المرونة (E) – 210 GPa، نسبة بواسون (υ): 0.3.تم ضبط معامل الاحتكاك بين الكرة والمادة على 0.1.تم إطلاق الطلقات التي يبلغ قطرها 0.6 و 0.3 ملم بنفس السرعة البالغة 30 م / ث أثناء تمريرات الحدادة الأولى والثانية.بعد عملية السفع بالخردق (من بين عمليات التصنيع الأخرى الموضحة في الشكل 13)، تراوح عمق وعرض وطول عيوب السطح داخل الزنبرك من -6.79 إلى 0.28 ميكرومتر، و-4.24 إلى 1.22 ميكرومتر، و-2.59 إلى 1.69 ميكرومتر، على التوالي ميكرومتر.بسبب التشوه البلاستيكي للقذيفة المقذوفة بشكل عمودي على سطح المادة، ينخفض ​​عمق العيب، على وجه الخصوص، يتم تقليل عرض العيب بشكل كبير.على ما يبدو، تم إغلاق العيب بسبب تشوه البلاستيك الناتج عن التقطيع بالرصاص.
أثناء عملية الانكماش الحراري، يمكن لتأثيرات الانكماش البارد والتليين بدرجة حرارة منخفضة أن تعمل على زنبرك صمام المحرك في نفس الوقت.يعمل الإعداد البارد على زيادة مستوى توتر الزنبرك إلى الحد الأقصى عن طريق ضغطه إلى أعلى مستوى ممكن في درجة حرارة الغرفة.في هذه الحالة، إذا تم تحميل زنبرك صمام المحرك أعلى من قوة الخضوع للمادة، فإن زنبرك صمام المحرك يتشوه بشكل بلاستيكي، مما يزيد من قوة الخضوع.بعد التشوه البلاستيكي، ينثني زنبرك الصمام، لكن قوة الخضوع المتزايدة توفر مرونة زنبرك الصمام في التشغيل الفعلي.يؤدي التلدين بدرجة حرارة منخفضة إلى تحسين مقاومة الحرارة والتشوه لنوابض الصمامات التي تعمل عند درجات حرارة عالية2.
تم تطبيق العيوب السطحية المشوهة أثناء التفجير بالرصاص في تحليل FE ومجال الضغط المتبقي المقاس بمعدات حيود الأشعة السينية (XRD) على النموذج الفرعي 2 (الشكل 8) لاستنتاج التغير في العيوب أثناء الانكماش الحراري.تم تصميم الزنبرك ليعمل في النطاق المرن وتم ضغطه من ارتفاعه الحر البالغ 50.5 ملم إلى ارتفاعه الثابت البالغ 21.8 ملم ثم سمح له بالعودة إلى ارتفاعه الأصلي البالغ 50.5 ملم كشرط تحليل.أثناء الانكماش الحراري، تتغير هندسة الخلل بشكل طفيف.على ما يبدو، فإن إجهاد الضغط المتبقي الذي يبلغ 800 ميجا باسكال وما فوق، الناتج عن السفع بالخردق، يمنع تشوه عيوب السطح.بعد الانكماش الحراري (الشكل 13)، تراوح عمق وعرض وطول عيوب السطح من -0.13 إلى 0.08 ميكرومتر، ومن -0.75 إلى 0 ميكرومتر، ومن 0.01 إلى 2.4 ميكرومتر، على التوالي.
على الشكل.16 يقارن تشوهات العيوب على شكل حرف U وعلى شكل حرف V بنفس العمق (40 ميكرومتر) والعرض (22 ميكرومتر) والطول (600 ميكرومتر).إن التغير في عرض العيوب على شكل U وV أكبر من التغير في الطول، والذي يحدث بسبب الإغلاق في اتجاه العرض أثناء عملية الدرفلة على البارد والسفع بالخردق.بالمقارنة مع العيوب على شكل حرف U، تشكلت العيوب على شكل حرف V على عمق أكبر نسبيًا وبمنحدرات أكثر انحدارًا، مما يشير إلى أنه يمكن اتباع نهج محافظ عند تطبيق العيوب على شكل حرف V.
يناقش هذا القسم تشوه العيب الأولي في خط OT لكل عملية تصنيع زنبرك الصمام.يتم تطبيق العيب الأولي في سلك OT على الجزء الداخلي من زنبرك الصمام حيث يُتوقع حدوث فشل بسبب الضغوط العالية أثناء تشغيل الزنبرك.زادت عيوب السطح المستعرضة على شكل حرف V لأسلاك OT بشكل طفيف في العمق والطول وانخفضت بشكل حاد في العرض بسبب الانحناء أثناء اللف البارد.يحدث الإغلاق في اتجاه العرض أثناء عملية الطحن بالخردق مع تشوه عيب بسيط أو معدوم أثناء إعداد الحرارة النهائي.في عملية الدرفلة على البارد والتقطيع بالخردق، هناك تشوه كبير في اتجاه العرض بسبب تشوه البلاستيك.يتحول العيب على شكل V داخل نابض الصمام إلى عيب على شكل حرف T بسبب إغلاق العرض أثناء عملية الدرفلة على البارد.