Componente chimico del tubo a spirale in acciaio inossidabile 310, effetto dei difetti superficiali nel filo di acciaio temprato ad olio sulla durata a fatica delle molle delle valvole nei motori automobilistici

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Tubi a spirale/tubi a spirale in acciaio inossidabile 310Composizione chimicae composizione

La tabella seguente mostra la composizione chimica dell'acciaio inossidabile di grado 310S.

Fornitori di tubi a spirale capillare in acciaio inossidabile 10 * 1mm 9,25 * 1,24 mm 310

Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche dell'acciaio inossidabile di grado 310S sono visualizzate nella tabella seguente.

Proprietà meccaniche

La tabella seguente descrive le proprietà meccaniche dell'acciaio inossidabile di grado 310S.

Proprietà termali

Le proprietà termiche dell'acciaio inossidabile di grado 310S sono riportate nella tabella seguente.

Altre designazioni

Altre designazioni equivalenti all'acciaio inossidabile di grado 310S sono elencate nella tabella seguente.

Lo scopo di questo studio è valutare la durata a fatica di una molla della valvola di un motore di automobile quando si applicano microdifetti a un filo temprato in olio di grado 2300 MPa (filo OT) con una profondità del difetto critico di 2,5 mm di diametro.Innanzitutto, la deformazione dei difetti superficiali del filo OT durante la produzione della molla della valvola è stata ottenuta mediante analisi agli elementi finiti utilizzando metodi di subsimulazione, e lo stress residuo della molla finita è stato misurato e applicato al modello di analisi dello stress della molla.In secondo luogo, analizzare la resistenza della molla della valvola, controllare lo stress residuo e confrontare il livello di stress applicato con le imperfezioni della superficie.In terzo luogo, l'effetto dei microdifetti sulla vita a fatica della molla è stato valutato applicando lo stress sui difetti superficiali ottenuto dall'analisi della resistenza della molla alle curve SN ottenute dal test di fatica a flessione durante la rotazione del filo OT.Una profondità del difetto di 40 µm è lo standard attuale per la gestione dei difetti superficiali senza compromettere la resistenza alla fatica.
L’industria automobilistica ha una forte domanda di componenti automobilistici leggeri per migliorare l’efficienza del carburante dei veicoli.Pertanto, negli ultimi anni è aumentato l’uso dell’acciaio avanzato ad alta resistenza (AHSS).Le molle delle valvole dei motori automobilistici sono costituite principalmente da fili di acciaio temprato ad olio resistenti al calore, all'usura e non cedevoli (fili OT).
Grazie alla loro elevata resistenza alla trazione (1900–2100 MPa), i fili OT attualmente utilizzati consentono di ridurre le dimensioni e la massa delle molle delle valvole del motore e di migliorare l'efficienza del carburante riducendo l'attrito con le parti circostanti1.A causa di questi vantaggi, l'uso della vergella ad alta tensione è in rapido aumento e una dopo l'altra compaiono vergelle ad altissima resistenza della classe 2300MPa.Le molle delle valvole nei motori automobilistici richiedono una lunga durata perché funzionano con carichi ciclici elevati.Per soddisfare questo requisito, i produttori in genere considerano la durata a fatica maggiore di 5,5×107 cicli durante la progettazione delle molle delle valvole e applicano sollecitazioni residue alla superficie della molla della valvola attraverso processi di pallinatura e termoretrazione per migliorare la durata a fatica2.
Sono stati condotti numerosi studi sulla durata a fatica delle molle elicoidali nei veicoli in normali condizioni operative.Gzal et al.Vengono presentate analisi analitiche, sperimentali e agli elementi finiti (FE) di molle elicoidali ellittiche con piccoli angoli dell'elica sotto carico statico.Questo studio fornisce un'espressione esplicita e semplice per la posizione della massima sollecitazione di taglio rispetto al rapporto d'aspetto e all'indice di rigidità, e fornisce anche informazioni analitiche sulla massima sollecitazione di taglio, un parametro critico nelle progettazioni pratiche3.Pastorcic et al.Vengono descritti i risultati dell'analisi della distruzione e della fatica di una molla elicoidale rimossa da un'auto privata dopo un guasto durante il funzionamento.Utilizzando metodi sperimentali, è stata esaminata una molla rotta e i risultati suggeriscono che questo è un esempio di cedimento per fatica da corrosione4.foro, ecc. Sono stati sviluppati diversi modelli di durata della molla di regressione lineare per valutare la durata a fatica delle molle elicoidali per autoveicoli.Putra e altri.A causa delle irregolarità del manto stradale, viene determinata la durata della molla elicoidale dell'auto.Tuttavia, sono state condotte poche ricerche su come i difetti superficiali che si verificano durante il processo di produzione influiscono sulla durata delle molle elicoidali automobilistiche.
I difetti superficiali che si verificano durante il processo di produzione possono portare alla concentrazione locale di sollecitazioni nelle molle delle valvole, riducendone significativamente la durata a fatica.I difetti superficiali delle molle delle valvole sono causati da vari fattori, come difetti superficiali delle materie prime utilizzate, difetti negli strumenti, manipolazione brusca durante la laminazione a freddo7.I difetti superficiali della materia prima sono a forma di V ripida a causa della laminazione a caldo e della trafilatura a più passaggi, mentre i difetti causati dallo strumento di formatura e da una manipolazione imprudente sono a forma di U con pendenze dolci8,9,10,11.I difetti a forma di V causano concentrazioni di stress più elevate rispetto ai difetti a forma di U, quindi al materiale di partenza vengono solitamente applicati criteri rigorosi di gestione dei difetti.
Gli attuali standard di gestione dei difetti superficiali per i cavi OT includono ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 e KS D 3580. La norma DIN EN 10270-2 specifica che la profondità di un difetto superficiale su diametri di filo di 0,5– 10 mm corrispondono a meno dello 0,5–1% del diametro del filo.Inoltre, JIS G 3561 e KS D 3580 richiedono che la profondità dei difetti superficiali nella vergella con un diametro di 0,5–8 mm sia inferiore allo 0,5% del diametro del filo.Nella norma ASTM A877/A877M-10, il produttore e l'acquirente devono concordare la profondità consentita dei difetti superficiali.Per misurare la profondità di un difetto sulla superficie di un filo, il filo viene solitamente inciso con acido cloridrico, quindi la profondità del difetto viene misurata utilizzando un micrometro.Tuttavia, questo metodo può misurare i difetti solo in alcune aree e non sull’intera superficie del prodotto finale.Pertanto, i produttori utilizzano il test delle correnti parassite durante il processo di trafilatura per misurare i difetti superficiali nel filo prodotto in continuo;questi test possono misurare la profondità dei difetti superficiali fino a 40 µm.Il filo di acciaio di grado 2300 MPa in fase di sviluppo ha una resistenza alla trazione maggiore e un allungamento inferiore rispetto al filo di acciaio di grado 1900-2200 MPa esistente, quindi la durata a fatica della molla della valvola è considerata molto sensibile ai difetti superficiali.Pertanto, è necessario verificare la sicurezza dell'applicazione degli standard esistenti per il controllo della profondità dei difetti superficiali dal filo di acciaio di grado 1900-2200 MPa al filo di acciaio di grado 2300 MPa.
Lo scopo di questo studio è valutare la durata a fatica della molla di una valvola di un motore automobilistico quando la profondità minima del difetto misurabile mediante test con correnti parassite (ovvero 40 µm) viene applicata a un filo OT di grado 2300 MPa (diametro: 2,5 mm): difetto critico profondità .Il contributo e la metodologia di questo studio sono i seguenti.
Come difetto iniziale nel filo OT, è stato utilizzato un difetto a forma di V, che influisce gravemente sulla durata a fatica, nella direzione trasversale rispetto all'asse del filo.Considerare il rapporto tra le dimensioni (α) e la lunghezza (β) di un difetto superficiale per vedere l'effetto della sua profondità (h), larghezza (w) e lunghezza (l).I difetti superficiali si verificano all'interno della molla, dove si verifica per primo il cedimento.
Per prevedere la deformazione dei difetti iniziali nel filo OT durante l'avvolgimento a freddo, è stato utilizzato un approccio di sub-simulazione, che ha tenuto conto del tempo di analisi e della dimensione dei difetti superficiali, poiché i difetti sono molto piccoli rispetto al filo OT.modello globale.
Le tensioni residue di compressione nella molla dopo la pallinatura a due stadi sono state calcolate con il metodo degli elementi finiti, i risultati sono stati confrontati con le misurazioni dopo la pallinatura per confermare il modello analitico.Inoltre, le sollecitazioni residue nelle molle delle valvole derivanti da tutti i processi di produzione sono state misurate e applicate all'analisi della resistenza delle molle.
Le sollecitazioni nei difetti superficiali vengono previste analizzando la resistenza della molla, tenendo conto della deformazione del difetto durante la laminazione a freddo e dello stress di compressione residuo nella molla finita.
La prova di fatica a flessione rotazionale è stata effettuata utilizzando un filo OT realizzato con lo stesso materiale della molla della valvola.Per correlare le caratteristiche di sollecitazione residua e rugosità superficiale delle molle delle valvole fabbricate alle linee OT, le curve SN sono state ottenute mediante prove di fatica a flessione rotante dopo aver applicato la pallinatura a due stadi e la torsione come processi di pretrattamento.
I risultati dell'analisi della resistenza della molla vengono applicati all'equazione di Goodman e alla curva SN per prevedere la durata a fatica della molla della valvola e viene valutato anche l'effetto della profondità del difetto superficiale sulla durata a fatica.
In questo studio, è stato utilizzato un filo di grado OT da 2300 MPa con un diametro di 2,5 mm per valutare la durata a fatica della molla di una valvola di un motore automobilistico.Innanzitutto è stata effettuata una prova di trazione del filo per ottenere il suo modello di frattura duttile.
Le proprietà meccaniche del filo OT sono state ottenute da prove di trazione prima dell'analisi agli elementi finiti del processo di avvolgimento a freddo e della resistenza della molla.La curva sforzo-deformazione del materiale è stata determinata utilizzando i risultati delle prove di trazione ad una velocità di deformazione di 0,001 s-1, come mostrato in fig.1. Viene utilizzato il filo SWONB-V e il suo carico di snervamento, resistenza alla trazione, modulo elastico e rapporto di Poisson sono rispettivamente 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa e 0,3.La dipendenza dello stress dalla deformazione del flusso si ottiene come segue:
Riso.2 illustra il processo di frattura duttile.Il materiale subisce una deformazione elastoplastica durante la deformazione e il materiale si restringe quando la sollecitazione nel materiale raggiunge la sua resistenza alla trazione.Successivamente, la creazione, la crescita e l'associazione di vuoti all'interno del materiale portano alla distruzione del materiale.
Il modello di frattura duttile utilizza un modello di deformazione critica modificato dallo stress che tiene conto dell'effetto dello stress, mentre la frattura post-collocazione utilizza il metodo di accumulo del danno.Qui, l’inizio del danno è espresso in funzione della deformazione, della triassialità della sollecitazione e della velocità di deformazione.La triassialità delle sollecitazioni è definita come il valore medio ottenuto dividendo la sollecitazione idrostatica causata dalla deformazione del materiale fino alla formazione del collo per la sollecitazione efficace.Nel metodo di accumulo del danno, la distruzione avviene quando il valore del danno raggiunge 1 e l'energia richiesta per raggiungere il valore del danno pari a 1 è definita come energia di distruzione (Gf).L'energia di frattura corrisponde alla regione della vera curva sforzo-spostamento del materiale dal collo al tempo di frattura.
Nel caso degli acciai convenzionali, a seconda della modalità di sollecitazione, si verifica frattura duttile, frattura di taglio o frattura mista a causa della duttilità e della frattura per taglio, come mostrato nella Figura 3. La deformazione di frattura e la triassialità di sollecitazione hanno mostrato valori diversi per la modello di frattura.
La rottura plastica si verifica in una regione corrispondente ad una triassialità di sollecitazione superiore a 1/3 (zona I), e la deformazione di frattura e la triassialità di sollecitazione possono essere dedotte da prove di trazione su provini con difetti superficiali e intagli.Nella zona corrispondente alla triassialità delle tensioni da 0 ~ 1/3 (zona II), si verifica una combinazione di frattura duttile e rottura a taglio (cioè attraverso una prova di torsione. Nella zona corrispondente alla triassialità delle tensioni da -1/3 a 0 (III), la rottura a taglio causata dalla compressione, la deformazione di frattura e la triassialità dello stress possono essere ottenute mediante test di ribaltamento.
Per i fili OT utilizzati nella produzione di molle per valvole motore, è necessario tenere conto delle fratture causate dalle varie condizioni di carico durante il processo di fabbricazione e dalle condizioni di applicazione.Pertanto, sono state effettuate prove di trazione e torsione per applicare il criterio della deformazione a rottura, è stato considerato l'effetto della triassialità della sollecitazione su ciascuna modalità di sollecitazione ed è stata eseguita l'analisi elastoplastica degli elementi finiti a grandi deformazioni per quantificare la variazione della triassialità della sollecitazione.La modalità di compressione non è stata considerata a causa della limitazione dell'elaborazione del campione, ovvero il diametro del filo OT è di soli 2,5 mm.La tabella 1 elenca le condizioni di prova per trazione e torsione, nonché triassialità di sollecitazione e deformazione a frattura, ottenute utilizzando l'analisi degli elementi finiti.
La deformazione alla frattura degli acciai triassiali convenzionali sotto stress può essere prevista utilizzando la seguente equazione.
dove C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) taglio netto (η = 0) e C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tensione uniassiale (η = η0 = 1/3).
Le linee di tendenza per ciascuna modalità di sollecitazione si ottengono applicando i valori di deformazione di frattura C1 e C2 nell'equazione.(2);C1 e C2 sono ottenuti da prove di trazione e torsione su campioni senza difetti superficiali.La Figura 4 mostra la triassialità delle sollecitazioni e la deformazione alla frattura ottenute dai test e le linee di tendenza previste dall'equazione.(2) La linea di tendenza ottenuta dal test e la relazione tra triassialità delle sollecitazioni e deformazione a frattura mostrano un andamento simile.La deformazione della frattura e la triassialità della sollecitazione per ciascuna modalità di sollecitazione, ottenute dall'applicazione delle linee di tendenza, sono state utilizzate come criteri per la frattura duttile.
L'energia di rottura viene utilizzata come proprietà del materiale per determinare il tempo necessario alla rottura dopo la formazione di strizioni e può essere ottenuta da prove di trazione.L'energia di frattura dipende dalla presenza o assenza di cricche sulla superficie del materiale, poiché il tempo di frattura dipende dalla concentrazione delle tensioni locali.Le figure 5a-c mostrano le energie di frattura di campioni senza difetti superficiali e campioni con intagli R0.4 o R0.8 da prove di trazione e analisi agli elementi finiti.L'energia di frattura corrisponde all'area della vera curva sforzo-spostamento dal collo al tempo di frattura.
L'energia di frattura di un filo OT con difetti superficiali fini è stata prevista eseguendo test di trazione su un filo OT con una profondità del difetto maggiore di 40 µm, come mostrato in Fig. 5d.Nelle prove di trazione sono stati utilizzati dieci provini con difetti e l'energia di frattura media è stata stimata in 29,12 mJ/mm2.
Il difetto superficiale standardizzato è definito come il rapporto tra la profondità del difetto e il diametro del filo della molla della valvola, indipendentemente dalla geometria del difetto superficiale del filo OT utilizzato nella produzione di molle per valvole automobilistiche.I difetti dei fili OT possono essere classificati in base all'orientamento, alla geometria e alla lunghezza.Anche con la stessa profondità del difetto, il livello di sollecitazione che agisce su un difetto superficiale in una molla varia a seconda della geometria e dell'orientamento del difetto, quindi la geometria e l'orientamento del difetto possono influenzare la resistenza alla fatica.Pertanto, è necessario tenere conto della geometria e dell’orientamento dei difetti che hanno il maggiore impatto sulla vita a fatica di una molla al fine di applicare criteri stringenti per la gestione dei difetti superficiali.A causa della struttura a grana fine del filo OT, la sua resistenza alla fatica è molto sensibile all'intaglio.Pertanto, il difetto che presenta la massima concentrazione di stress in base alla geometria e all'orientamento del difetto dovrebbe essere stabilito come difetto iniziale utilizzando l'analisi degli elementi finiti.Nella fig.6 mostra le molle per valvole automobilistiche di classe 2300 MPa ad altissima resistenza utilizzate in questo studio.
I difetti superficiali del filo OT sono suddivisi in difetti interni e difetti esterni in base all'asse della molla.A causa della flessione durante la laminazione a freddo, la sollecitazione di compressione e quella di trazione agiscono rispettivamente all'interno e all'esterno della molla.La frattura può essere causata da difetti superficiali che compaiono dall'esterno a causa delle sollecitazioni di trazione durante la laminazione a freddo.
In pratica la molla è sottoposta a periodiche compressioni e rilassamenti.Durante la compressione della molla, il filo di acciaio si attorciglia e, a causa della concentrazione delle tensioni, lo stress di taglio all'interno della molla è maggiore dello stress di taglio circostante7.Pertanto, se all'interno della molla sono presenti difetti superficiali, la probabilità che la molla si rompa è maggiore.Pertanto, il lato esterno della molla (il punto in cui è previsto il cedimento durante la produzione della molla) e il lato interno (dove lo stress è maggiore nell'applicazione effettiva) vengono impostati come posizioni dei difetti superficiali.
La geometria del difetto superficiale delle linee OT è divisa in forma a U, forma a V, forma a Y e forma a T.Il tipo Y e il tipo T esistono principalmente nei difetti superficiali delle materie prime, mentre i difetti di tipo U e di tipo V si verificano a causa della manipolazione negligente degli strumenti nel processo di laminazione a freddo.Per quanto riguarda la geometria dei difetti superficiali nelle materie prime, i difetti a forma di U derivanti dalla deformazione plastica non uniforme durante la laminazione a caldo vengono deformati in difetti di cucitura a forma di V, a Y e a T durante lo stiramento multi-pass8, 10.
Inoltre, i difetti a forma di V, a Y e a T con forti inclinazioni dell'intaglio sulla superficie saranno soggetti ad elevata concentrazione di stress durante il funzionamento della molla.Le molle delle valvole si piegano durante la laminazione a freddo e si torcono durante il funzionamento.Le concentrazioni di stress dei difetti a forma di V e a Y con concentrazioni di stress più elevate sono state confrontate utilizzando l'analisi degli elementi finiti, ABAQUS – software commerciale di analisi degli elementi finiti.La relazione sforzo-deformazione è mostrata nella Figura 1 e nell'Equazione 1. (1) Questa simulazione utilizza un elemento rettangolare bidimensionale (2D) a quattro nodi e la lunghezza minima del lato dell'elemento è 0,01 mm.Per il modello analitico, difetti a forma di V e a Y con una profondità di 0,5 mm e una pendenza del difetto di 2° sono stati applicati a un modello 2D di un filo con un diametro di 2,5 mm e una lunghezza di 7,5 mm.
Nella fig.7a mostra la concentrazione dello stress di flessione sulla punta di ciascun difetto quando viene applicato un momento flettente di 1500 Nmm ad entrambe le estremità di ciascun filo.I risultati dell’analisi mostrano che le sollecitazioni massime di 1038,7 e 1025,8 MPa si verificano rispettivamente alle sommità dei difetti a forma di V e a forma di Y.Nella fig.7b mostra la concentrazione delle sollecitazioni nella parte superiore di ciascun difetto causato dalla torsione.Quando il lato sinistro è vincolato e al lato destro viene applicata una coppia di 1500 N∙mm, la stessa sollecitazione massima di 1099 MPa si verifica sulle punte dei difetti a V e a Y.Questi risultati mostrano che i difetti di tipo V mostrano uno stress di flessione maggiore rispetto ai difetti di tipo Y quando hanno la stessa profondità e pendenza del difetto, ma subiscono lo stesso stress torsionale.Pertanto, i difetti superficiali a forma di V e a Y con la stessa profondità e pendenza del difetto possono essere normalizzati in difetti a forma di V con uno stress massimo più elevato causato dalla concentrazione dello stress.Il rapporto tra le dimensioni del difetto di tipo V è definito come α = w/h utilizzando la profondità (h) e la larghezza (w) dei difetti di tipo V e di tipo T;quindi, un difetto di tipo T (α ≈ 0), invece, la geometria può essere definita dalla struttura geometrica di un difetto di tipo V.Pertanto, i difetti di tipo Y e di tipo T possono essere normalizzati da difetti di tipo V.Utilizzando la profondità (h) e la lunghezza (l), il rapporto tra le lunghezze è altrimenti definito come β = l/h.
Come mostrato nella Figura 811, le direzioni dei difetti superficiali dei fili OT sono divise in direzioni longitudinale, trasversale e obliqua, come mostrato nella Figura 811. Analisi dell'influenza dell'orientamento dei difetti superficiali sulla resistenza della molla da parte dell'elemento finito metodo.
Nella fig.9a mostra il modello di analisi della sollecitazione della molla della valvola del motore.Come condizione di analisi, la molla è stata compressa da un'altezza libera di 50,5 mm ad un'altezza dura di 21,8 mm, all'interno della molla è stata generata una sollecitazione massima di 1086 MPa, come mostrato in Fig. 9b.Poiché il cedimento delle molle delle valvole del motore avviene principalmente all'interno della molla, si prevede che la presenza di difetti superficiali interni influisca seriamente sulla durata a fatica della molla.Pertanto, i difetti superficiali nelle direzioni longitudinale, trasversale e obliqua vengono applicati all'interno delle molle delle valvole del motore utilizzando tecniche di sottomodellazione.La tabella 2 mostra le dimensioni dei difetti superficiali e la sollecitazione massima in ciascuna direzione del difetto alla massima compressione della molla.Le sollecitazioni più elevate sono state osservate nella direzione trasversale e il rapporto tra le sollecitazioni nelle direzioni longitudinale e obliqua rispetto alla direzione trasversale è stato stimato pari a 0,934–0,996.Il rapporto di sollecitazione può essere determinato semplicemente dividendo questo valore per la massima sollecitazione trasversale.La massima sollecitazione nella molla si verifica nella parte superiore di ciascun difetto superficiale, come mostrato nelle Fig. 9s.I valori di sollecitazione osservati nelle direzioni longitudinale, trasversale e obliqua sono rispettivamente 2045, 2085 e 2049 MPa.I risultati di queste analisi mostrano che i difetti superficiali trasversali hanno l’effetto più diretto sulla durata a fatica delle molle delle valvole del motore.
Come difetto iniziale del filo OT è stato scelto un difetto a forma di V, che si presume influisca più direttamente sulla durata a fatica della molla della valvola del motore, e come direzione del difetto è stata scelta la direzione trasversale.Questo difetto si verifica non solo all'esterno, dove la molla della valvola del motore si è rotta durante la produzione, ma anche all'interno, dove si verificano le sollecitazioni maggiori dovute alla concentrazione delle sollecitazioni durante il funzionamento.La profondità massima del difetto è impostata su 40 µm, che può essere rilevato mediante rilevamento di difetti a corrente parassita, e la profondità minima è impostata su una profondità corrispondente allo 0,1% del diametro del filo di 2,5 mm.Pertanto, la profondità del difetto varia da 2,5 a 40 µm.Profondità, lunghezza e larghezza dei difetti con un rapporto di lunghezza di 0,1~1 e un rapporto di lunghezza di 5~15 sono stati utilizzati come variabili ed è stato valutato il loro effetto sulla resistenza alla fatica della molla.La tabella 3 elenca le condizioni analitiche determinate utilizzando la metodologia della superficie di risposta.
Le molle delle valvole dei motori automobilistici sono prodotte mediante avvolgimento a freddo, rinvenimento, granigliatura e termofissaggio del filo OT.È necessario tenere conto dei cambiamenti nei difetti superficiali durante la fabbricazione della molla per valutare l'effetto dei difetti superficiali iniziali nei fili OT sulla durata a fatica delle molle delle valvole del motore.Pertanto, in questa sezione, viene utilizzata l'analisi degli elementi finiti per prevedere la deformazione dei difetti superficiali del filo OT durante la produzione di ciascuna molla.
Nella fig.10 mostra il processo di avvolgimento a freddo.Durante questo processo, il filo OT viene alimentato nel guidafilo tramite il rullo di alimentazione.Il guidafilo alimenta e sostiene il filo per evitare che si pieghi durante il processo di formatura.Il filo che passa attraverso il guidafilo viene piegato dalla prima e dalla seconda asta per formare una molla elicoidale con il diametro interno desiderato.Il passo della molla viene prodotto spostando l'utensile passo-passo dopo un giro.
Nella fig.11a mostra un modello agli elementi finiti utilizzato per valutare il cambiamento nella geometria dei difetti superficiali durante la laminazione a freddo.La formazione del filo viene completata principalmente dal perno di avvolgimento.Poiché lo strato di ossido sulla superficie del filo funge da lubrificante, l'effetto di attrito del rullo di alimentazione è trascurabile.Pertanto nel modello di calcolo il rullo di alimentazione e il guidafilo vengono semplificati come una boccola.Il coefficiente di attrito tra il filo OT e lo strumento di formatura è stato impostato su 0,05.Il piano del corpo rigido 2D e le condizioni di fissaggio vengono applicati all'estremità sinistra della linea in modo che possa essere alimentata nella direzione X alla stessa velocità del rullo di alimentazione (0,6 m/s).Nella fig.11b mostra il metodo di sub-simulazione utilizzato per applicare piccoli difetti ai fili.Per tenere conto della dimensione dei difetti superficiali, il sottomodello viene applicato due volte per difetti superficiali con una profondità pari o superiore a 20 µm e tre volte per difetti superficiali con una profondità inferiore a 20 µm.I difetti superficiali vengono applicati ad aree formate con passaggi uguali.Nel modello complessivo della molla, la lunghezza del tratto di filo dritto è di 100 mm.Per il primo sottomodello, applicare il sottomodello 1 con una lunghezza di 3 mm su una posizione longitudinale di 75 mm dal modello globale.Questa simulazione ha utilizzato un elemento esagonale tridimensionale (3D) a otto nodi.Nel modello globale e nel sottomodello 1, la lunghezza laterale minima di ciascun elemento è rispettivamente di 0,5 e 0,2 mm.Dopo l'analisi del sottomodello 1, i difetti superficiali vengono applicati al sottomodello 2 e la lunghezza e la larghezza del sottomodello 2 sono 3 volte la lunghezza del difetto superficiale per eliminare l'influenza delle condizioni al contorno del sottomodello, in Inoltre, il 50% della lunghezza e della larghezza viene utilizzato come profondità del sottomodello.Nel sottomodello 2 la lunghezza minima del lato di ciascun elemento è 0,005 mm.Alcuni difetti superficiali sono stati applicati all'analisi degli elementi finiti come mostrato nella Tabella 3.
Nella fig.12 mostra la distribuzione delle tensioni nelle cricche superficiali dopo la lavorazione a freddo di un coil.Il modello generale e il sottomodello 1 mostrano quasi le stesse sollecitazioni di 1076 e 1079 MPa nello stesso punto, il che conferma la correttezza del metodo di sottomodello.Le concentrazioni di stress locali si verificano ai bordi del contorno del sottomodello.Apparentemente ciò è dovuto alle condizioni al contorno del sottomodello.A causa della concentrazione delle sollecitazioni, il sottomodello 2 con difetti superficiali applicati mostra una sollecitazione di 2449 MPa sulla punta del difetto durante la laminazione a freddo.Come mostrato nella Tabella 3, i difetti superficiali identificati con il metodo della superficie di risposta sono stati applicati all'interno della molla.I risultati dell'analisi agli elementi finiti hanno mostrato che nessuno dei 13 casi di difetti superficiali ha ceduto.
Durante il processo di avvolgimento in tutti i processi tecnologici, la profondità dei difetti superficiali all'interno della molla è aumentata di 0,1–2,62 µm (Fig. 13a) e la larghezza è diminuita di 1,8–35,79 µm (Fig. 13b), mentre la lunghezza è aumentata di 0,72 –34,47 µm (Fig. 13c).Poiché il difetto trasversale a forma di V viene chiuso in larghezza mediante flessione durante il processo di laminazione a freddo, viene deformato in un difetto a forma di V con una pendenza più ripida rispetto al difetto originale.
Deformazione in profondità, larghezza e lunghezza dei difetti superficiali del filo OT nel processo di produzione.
Applica i difetti superficiali all'esterno della molla e prevedi la probabilità di rottura durante la laminazione a freddo utilizzando l'analisi degli elementi finiti.Alle condizioni elencate nella tabella.3, non vi è alcuna probabilità di distruzione dei difetti sulla superficie esterna.In altre parole, non si è verificata alcuna distruzione alla profondità dei difetti superficiali compresa tra 2,5 e 40 µm.
Per prevedere i difetti superficiali critici, sono state studiate le fratture esterne durante la laminazione a freddo aumentando la profondità del difetto da 40 µm a 5 µm.Nella fig.14 mostra fratture lungo i difetti superficiali.La frattura avviene in condizioni di profondità (55 µm), larghezza (2 µm) e lunghezza (733 µm).La profondità critica di un difetto superficiale all'esterno della molla è risultata essere di 55 μm.
Il processo di pallinatura sopprime la crescita delle cricche e aumenta la durata a fatica creando uno stress di compressione residuo ad una certa profondità dalla superficie della molla;tuttavia, induce una concentrazione di sollecitazioni aumentando la ruvidità superficiale della molla, riducendo così la resistenza alla fatica della molla.Pertanto, la tecnologia della pallinatura secondaria viene utilizzata per produrre molle ad alta resistenza per compensare la riduzione della durata a fatica causata dall'aumento della rugosità superficiale causato dalla pallinatura.La pallinatura a due stadi può migliorare la rugosità superficiale, lo stress residuo di compressione massimo e lo stress residuo di compressione superficiale perché la seconda pallinatura viene eseguita dopo la prima pallinatura12,13,14.
Nella fig.15 mostra un modello analitico del processo di granigliatura.È stato creato un modello in plastica elastica in cui 25 palloni sono stati lanciati nell'area locale bersaglio della linea OT per la pallinatura.Nel modello di analisi della granigliatura, come difetti iniziali sono stati utilizzati i difetti superficiali del filo OT deformato durante l'avvolgimento a freddo.Rimozione delle tensioni residue derivanti dal processo di laminazione a freddo mediante rinvenimento prima del processo di granigliatura.Sono state utilizzate le seguenti proprietà della sfera sparata: densità (ρ): 7800 kg/m3, modulo elastico (E) – 210 GPa, coefficiente di Poisson (υ): 0,3.Il coefficiente di attrito tra la sfera e il materiale è impostato su 0,1.I pallini con un diametro di 0,6 e 0,3 mm sono stati espulsi alla stessa velocità di 30 m/s durante il primo e il secondo passaggio di forgiatura.Dopo il processo di granigliatura (tra gli altri processi di produzione mostrati nella Figura 13), la profondità, la larghezza e la lunghezza dei difetti superficiali all'interno della molla variavano da -6,79 a 0,28 µm, da -4,24 a 1,22 µm e da -2,59 a 1,69 µm, rispettivamente µm.A causa della deformazione plastica del proiettile espulso perpendicolarmente alla superficie del materiale, la profondità del difetto diminuisce, in particolare la larghezza del difetto viene notevolmente ridotta.Apparentemente il difetto è stato chiuso a causa della deformazione plastica causata dalla pallinatura.
Durante il processo di termoretrazione, gli effetti del restringimento a freddo e della ricottura a bassa temperatura possono agire contemporaneamente sulla molla della valvola del motore.Un'impostazione a freddo massimizza il livello di tensione della molla comprimendola al massimo livello possibile a temperatura ambiente.In questo caso, se la molla della valvola del motore viene caricata al di sopra del carico di snervamento del materiale, la molla della valvola del motore si deforma plasticamente, aumentando il carico di snervamento.Dopo la deformazione plastica, la molla della valvola si flette, ma la maggiore resistenza allo snervamento garantisce l'elasticità della molla della valvola durante il funzionamento effettivo.La ricottura a bassa temperatura migliora la resistenza al calore e alla deformazione delle molle delle valvole che funzionano ad alte temperature2.
I difetti superficiali deformati durante la granigliatura nell'analisi FE e il campo di stress residuo misurato con apparecchiature di diffrazione di raggi X (XRD) sono stati applicati al sottomodello 2 (Fig. 8) per dedurre il cambiamento dei difetti durante la contrazione termica.La molla è stata progettata per funzionare in campo elastico ed è stata compressa dalla sua altezza libera di 50,5 mm alla sua altezza fissa di 21,8 mm e poi lasciata ritornare alla sua altezza originale di 50,5 mm come condizione di analisi.Durante la contrazione termica, la geometria del difetto cambia in modo insignificante.Apparentemente, lo stress di compressione residuo di 800 MPa e superiore, creato dalla granigliatura, sopprime la deformazione dei difetti superficiali.Dopo la contrazione termica (Fig. 13), la profondità, la larghezza e la lunghezza dei difetti superficiali variavano rispettivamente da -0,13 a 0,08 µm, da -0,75 a 0 µm e da 0,01 a 2,4 µm.
Nella fig.16 confronta le deformazioni di difetti a forma di U e a V della stessa profondità (40 µm), larghezza (22 µm) e lunghezza (600 µm).La variazione di larghezza dei difetti a forma di U e a V è maggiore della variazione di lunghezza, causata dalla chiusura nella direzione della larghezza durante il processo di laminazione a freddo e granigliatura.Rispetto ai difetti a forma di U, i difetti a forma di V si sono formati a una profondità relativamente maggiore e con pendenze più ripide, suggerendo che è possibile adottare un approccio conservativo quando si applicano difetti a forma di V.
Questa sezione illustra la deformazione del difetto iniziale nella linea OT per ciascun processo di produzione delle molle delle valvole.Il difetto iniziale del filo OT si applica all'interno della molla della valvola dove è previsto il cedimento a causa delle elevate sollecitazioni durante il funzionamento della molla.I difetti superficiali trasversali a forma di V dei fili OT aumentavano leggermente in profondità e lunghezza e diminuivano drasticamente in larghezza a causa della flessione durante l'avvolgimento a freddo.La chiusura nella direzione della larghezza avviene durante la pallinatura con una deformazione del difetto minima o nulla durante la termofissaggio finale.Nel processo di laminazione a freddo e pallinatura, si verifica una grande deformazione nella direzione della larghezza dovuta alla deformazione plastica.Il difetto a forma di V all'interno della molla della valvola si trasforma in un difetto a forma di T a causa della chiusura della larghezza durante il processo di laminazione a freddo.