Componente químico del tubo helicoidal de acero inoxidable 310, Efecto de los defectos superficiales en el alambre de acero endurecido con aceite sobre la vida útil de fatiga de los resortes de válvula en motores automotrices

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Tubos en espiral de acero inoxidable 310/tubos en espiralComposición químicay composición

La siguiente tabla muestra la composición química del acero inoxidable grado 310S.

Proveedores de tubos en espiral capilares de acero inoxidable 310 de 10 * 1 mm 9,25 * 1,24 mm

Propiedades físicas

Las propiedades físicas del acero inoxidable grado 310S se muestran en la siguiente tabla.

Propiedades mecánicas

La siguiente tabla describe las propiedades mecánicas del acero inoxidable grado 310S.

Propiedades termales

Las propiedades térmicas del acero inoxidable grado 310S se dan en la siguiente tabla.

Otras designaciones

En la siguiente tabla se enumeran otras designaciones equivalentes al acero inoxidable grado 310S.

El propósito de este estudio es evaluar la vida a fatiga de un resorte de válvula de un motor de automóvil cuando se aplican microdefectos a un alambre endurecido en aceite de grado 2300 MPa (alambre OT) con una profundidad crítica de defecto de 2,5 mm de diámetro.Primero, la deformación de los defectos superficiales del alambre OT durante la fabricación del resorte de la válvula se obtuvo mediante análisis de elementos finitos utilizando métodos de subsimulación, y la tensión residual del resorte terminado se midió y se aplicó al modelo de análisis de tensión del resorte.En segundo lugar, analice la resistencia del resorte de la válvula, verifique la tensión residual y compare el nivel de tensión aplicada con las imperfecciones de la superficie.En tercer lugar, se evaluó el efecto de los microdefectos en la vida a fatiga del resorte aplicando la tensión sobre los defectos superficiales obtenidos del análisis de resistencia del resorte a las curvas SN obtenidas del ensayo de fatiga por flexión durante la rotación del alambre OT.Una profundidad de defecto de 40 µm es el estándar actual para gestionar los defectos superficiales sin comprometer la vida útil a la fatiga.
La industria automotriz tiene una fuerte demanda de componentes automotrices livianos para mejorar la eficiencia del combustible de los vehículos.Así, el uso de aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) ha ido aumentando en los últimos años.Los resortes de válvulas de motores de automóviles consisten principalmente en alambres de acero endurecidos con aceite (cables OT) resistentes al calor, al desgaste y que no se comban.
Debido a su alta resistencia a la tracción (1900–2100 MPa), los cables OT utilizados actualmente permiten reducir el tamaño y la masa de los resortes de las válvulas del motor y mejorar la eficiencia del combustible al reducir la fricción con las piezas circundantes1.Debido a estas ventajas, el uso de alambrón de alto voltaje está aumentando rápidamente y aparece uno tras otro alambrón de resistencia ultraalta de clase 2300MPa.Los resortes de válvula en motores de automóviles requieren una larga vida útil porque operan bajo cargas cíclicas elevadas.Para cumplir con este requisito, los fabricantes suelen considerar una vida útil superior a 5,5 × 107 ciclos al diseñar resortes de válvula y aplican tensión residual a la superficie del resorte de la válvula mediante procesos de granallado y termocontracción para mejorar la vida útil2.
Se han realizado bastantes estudios sobre la vida a fatiga de los resortes helicoidales en vehículos en condiciones normales de funcionamiento.Gzal et al.Se presentan análisis analíticos, experimentales y de elementos finitos (FE) de resortes helicoidales elípticos con pequeños ángulos de hélice bajo carga estática.Este estudio proporciona una expresión explícita y simple para la ubicación del esfuerzo cortante máximo versus la relación de aspecto y el índice de rigidez, y también proporciona información analítica sobre el esfuerzo cortante máximo, un parámetro crítico en diseños prácticos3.Pastorcic et al.Se describen los resultados del análisis de la destrucción y fatiga de un resorte helicoidal retirado de un automóvil particular tras un fallo en su funcionamiento.Utilizando métodos experimentales, se examinó un resorte roto y los resultados sugieren que se trata de un ejemplo de falla por fatiga por corrosión4.orificio, etc. Se han desarrollado varios modelos de vida de resorte de regresión lineal para evaluar la vida de fatiga de los resortes helicoidales de automóviles.Putra y otros.Debido a las irregularidades de la superficie de la carretera, se determina la vida útil del resorte helicoidal del automóvil.Sin embargo, se han realizado pocas investigaciones sobre cómo los defectos superficiales que ocurren durante el proceso de fabricación afectan la vida útil de los resortes helicoidales para automóviles.
Los defectos superficiales que se producen durante el proceso de fabricación pueden provocar una concentración local de tensiones en los resortes de las válvulas, lo que reduce significativamente su vida útil.Los defectos superficiales de los resortes de válvula son causados ​​por varios factores, como defectos superficiales de las materias primas utilizadas, defectos en las herramientas, manejo brusco durante el laminado en frío7.Los defectos superficiales de la materia prima tienen forma de V pronunciada debido al laminado en caliente y al estirado de múltiples pasadas, mientras que los defectos causados ​​por la herramienta de conformación y el manejo descuidado tienen forma de U con pendientes suaves8,9,10,11.Los defectos en forma de V causan concentraciones de tensión más altas que los defectos en forma de U, por lo que generalmente se aplican criterios estrictos de gestión de defectos al material de partida.
Los estándares actuales de gestión de defectos superficiales para cables OT incluyen ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 y KS D 3580. DIN EN 10270-2 especifica que la profundidad de un defecto superficial en diámetros de alambre de 0,5– 10 mm es menos del 0,5-1% del diámetro del alambre.Además, JIS G 3561 y KS D 3580 exigen que la profundidad de los defectos superficiales en alambrón con un diámetro de 0,5 a 8 mm sea inferior al 0,5% del diámetro del alambre.En ASTM A877/A877M-10, el fabricante y el comprador deben acordar la profundidad permitida de los defectos superficiales.Para medir la profundidad de un defecto en la superficie de un alambre, el alambre generalmente se graba con ácido clorhídrico y luego se mide la profundidad del defecto usando un micrómetro.Sin embargo, este método sólo puede medir defectos en determinadas áreas y no en toda la superficie del producto final.Por lo tanto, los fabricantes utilizan pruebas de corrientes parásitas durante el proceso de trefilado para medir los defectos superficiales en el alambre producido continuamente;Estas pruebas pueden medir la profundidad de los defectos superficiales hasta 40 µm.El alambre de acero de grado 2300MPa que se está desarrollando tiene mayor resistencia a la tracción y menor alargamiento que el alambre de acero de grado 1900-2200MPa existente, por lo que se considera que la vida útil a la fatiga del resorte de la válvula es muy sensible a los defectos de la superficie.Por lo tanto, es necesario verificar la seguridad de la aplicación de las normas existentes para controlar la profundidad de los defectos superficiales desde alambre de acero de grado 1900-2200 MPa hasta alambre de acero de grado 2300 MPa.
El propósito de este estudio es evaluar la vida a fatiga de un resorte de válvula de motor de automóvil cuando la profundidad mínima de falla medible mediante pruebas de corrientes parásitas (es decir, 40 µm) se aplica a un cable OT de grado 2300 MPa (diámetro: 2,5 mm): falla crítica profundidad .La contribución y metodología de este estudio son las siguientes.
Como defecto inicial en el alambre OT, se utilizó un defecto en forma de V, que afecta seriamente la vida a fatiga, en la dirección transversal con respecto al eje del alambre.Considere la relación de las dimensiones (α) y la longitud (β) de un defecto de superficie para ver el efecto de su profundidad (h), ancho (w) y largo (l).Los defectos superficiales ocurren dentro del resorte, donde ocurre primero la falla.
Para predecir la deformación de los defectos iniciales en el alambre OT durante el bobinado en frío, se utilizó un enfoque de subsimulación, que tuvo en cuenta el tiempo de análisis y el tamaño de los defectos de la superficie, ya que los defectos son muy pequeños en comparación con el alambre OT.modelo mundial.
Las tensiones de compresión residuales en el resorte después del granallado en dos etapas se calcularon mediante el método de elementos finitos, los resultados se compararon con las mediciones después del granallado para confirmar el modelo analítico.Además, se midieron las tensiones residuales en los resortes de válvulas de todos los procesos de fabricación y se aplicaron al análisis de la resistencia de los resortes.
Las tensiones en los defectos superficiales se predicen analizando la resistencia del resorte, teniendo en cuenta la deformación del defecto durante el laminado en frío y la tensión de compresión residual en el resorte terminado.
La prueba de fatiga por flexión rotacional se llevó a cabo utilizando un alambre OT fabricado del mismo material que el resorte de la válvula.Para correlacionar las características de tensión residual y rugosidad de la superficie de los resortes de válvula fabricados con las líneas OT, se obtuvieron curvas SN mediante pruebas de fatiga por flexión rotativa después de aplicar granallado en dos etapas y torsión como procesos de pretratamiento.
Los resultados del análisis de resistencia del resorte se aplican a la ecuación de Goodman y la curva SN para predecir la vida a fatiga del resorte de la válvula, y también se evalúa el efecto de la profundidad del defecto de la superficie sobre la vida a fatiga.
En este estudio, se utilizó un alambre de grado OT de 2300 MPa con un diámetro de 2,5 mm para evaluar la vida a fatiga de un resorte de válvula de motor de automóvil.En primer lugar se realizó un ensayo de tracción del alambre para obtener su modelo de fractura dúctil.
Las propiedades mecánicas del alambre OT se obtuvieron a partir de pruebas de tracción antes del análisis de elementos finitos del proceso de bobinado en frío y la resistencia del resorte.La curva tensión-deformación del material se determinó utilizando los resultados de ensayos de tracción a una velocidad de deformación de 0,001 s-1, como se muestra en la fig.1. Se utiliza alambre SWONB-V, y su límite elástico, resistencia a la tracción, módulo elástico y relación de Poisson son 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa y 0,3 respectivamente.La dependencia de la tensión con la deformación del flujo se obtiene de la siguiente manera:
Arroz.2 ilustra el proceso de fractura dúctil.El material sufre deformación elastoplástica durante la deformación y el material se estrecha cuando la tensión en el material alcanza su resistencia a la tracción.Posteriormente, la creación, crecimiento y asociación de vacíos dentro del material conducen a la destrucción del material.
El modelo de fractura dúctil utiliza un modelo de deformación crítica modificado por tensión que tiene en cuenta el efecto de la tensión, y la fractura posterior al estricción utiliza el método de acumulación de daño.Aquí, el inicio del daño se expresa como una función de la deformación, la triaxialidad de la tensión y la tasa de deformación.La triaxialidad de la tensión se define como el valor promedio obtenido al dividir la tensión hidrostática provocada por la deformación del material hasta la formación del cuello por la tensión efectiva.En el método de acumulación de daño, la destrucción ocurre cuando el valor de daño alcanza 1, y la energía requerida para alcanzar el valor de daño de 1 se define como energía de destrucción (Gf).La energía de fractura corresponde a la región de la curva verdadera tensión-desplazamiento del material desde el estrechamiento hasta el momento de la fractura.
En el caso de los aceros convencionales, dependiendo del modo de tensión, se produce fractura dúctil, fractura por corte o fractura en modo mixto debido a la ductilidad y la fractura por corte, como se muestra en la Figura 3. La deformación por fractura y la triaxialidad de la tensión mostraron valores diferentes para el patrón de fractura.
La falla plástica ocurre en una región correspondiente a una triaxialidad de tensión de más de 1/3 (zona I), y la deformación por fractura y la triaxialidad de tensión se pueden deducir de ensayos de tracción en probetas con defectos superficiales y entalladuras.En el área correspondiente a la triaxialidad de la tensión de 0 ~ 1/3 (zona II), se produce una combinación de fractura dúctil y falla por corte (es decir, a través de un ensayo de torsión). En el área correspondiente a la triaxialidad de la tensión de -1/3 a 0 (III), la falla por corte causada por compresión y la deformación por fractura y la triaxialidad de la tensión se pueden obtener mediante una prueba de recalcado.
Para los alambres OT utilizados en la fabricación de resortes de válvulas de motor, es necesario tener en cuenta las fracturas provocadas por diversas condiciones de carga durante el proceso de fabricación y las condiciones de aplicación.Por lo tanto, se llevaron a cabo ensayos de tracción y torsión para aplicar el criterio de deformación de falla, se consideró el efecto de la triaxialidad de la tensión en cada modo de tensión y se realizó un análisis de elementos finitos elastoplásticos en deformaciones grandes para cuantificar el cambio en la triaxialidad de la tensión.El modo de compresión no se consideró debido a la limitación del procesamiento de la muestra, es decir, el diámetro del alambre OT es de sólo 2,5 mm.La Tabla 1 enumera las condiciones de prueba de tracción y torsión, así como la tensión triaxial y la deformación de fractura, obtenidas mediante análisis de elementos finitos.
La deformación por fractura de aceros triaxiales convencionales bajo tensión se puede predecir utilizando la siguiente ecuación.
donde C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) corte limpio (η = 0) y C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tensión uniaxial (η = η0 = 1/3).
Las líneas de tendencia para cada modo de tensión se obtienen aplicando los valores de deformación de fractura C1 y C2 en la ecuación.(2);C1 y C2 se obtienen a partir de ensayos de tracción y torsión en muestras sin defectos superficiales.La Figura 4 muestra la triaxialidad de la tensión y la deformación de la fractura obtenidas de las pruebas y las líneas de tendencia predichas por la ecuación.(2) La línea de tendencia obtenida de la prueba y la relación entre la triaxialidad de la tensión y la deformación de la fractura muestran una tendencia similar.La deformación de fractura y la triaxialidad de tensiones para cada modo de tensión, obtenidas a partir de la aplicación de líneas de tendencia, se utilizaron como criterios para la fractura dúctil.
La energía de rotura se utiliza como propiedad del material para determinar el tiempo de rotura después del estrechamiento y se puede obtener a partir de pruebas de tracción.La energía de fractura depende de la presencia o ausencia de grietas en la superficie del material, ya que el tiempo para fracturarse depende de la concentración de tensiones locales.Las Figuras 5a-c muestran las energías de fractura de muestras sin defectos superficiales y muestras con muescas R0.4 o R0.8 de pruebas de tracción y análisis de elementos finitos.La energía de fractura corresponde al área de la curva verdadera tensión-desplazamiento desde el estrechamiento hasta el tiempo de fractura.
La energía de fractura de un alambre OT con defectos superficiales finos se predijo realizando pruebas de tracción en un alambre OT con una profundidad de defecto superior a 40 µm, como se muestra en la Fig. 5d.En los ensayos de tracción se utilizaron diez probetas con defectos y la energía media de fractura se estimó en 29,12 mJ/mm2.
El defecto de superficie estandarizado se define como la relación entre la profundidad del defecto y el diámetro del alambre del resorte de la válvula, independientemente de la geometría del defecto de la superficie del alambre OT utilizado en la fabricación de resortes de válvulas para automóviles.Los defectos de los cables OT se pueden clasificar según la orientación, la geometría y la longitud.Incluso con la misma profundidad del defecto, el nivel de tensión que actúa sobre un defecto superficial en un resorte varía dependiendo de la geometría y la orientación del defecto, por lo que la geometría y la orientación del defecto pueden afectar la resistencia a la fatiga.Por lo tanto, es necesario tener en cuenta la geometría y orientación de los defectos que tienen el mayor impacto en la vida a fatiga de un resorte para poder aplicar criterios estrictos para gestionar los defectos superficiales.Debido a la estructura de grano fino del alambre OT, su vida a fatiga es muy sensible a las muescas.Por lo tanto, el defecto que exhibe la mayor concentración de tensión según la geometría y orientación del defecto debe establecerse como el defecto inicial mediante análisis de elementos finitos.En la fig.La Figura 6 muestra los resortes de válvulas automotrices de clase 2300 MPa de resistencia ultraalta utilizados en este estudio.
Los defectos superficiales del alambre OT se dividen en defectos internos y defectos externos según el eje del resorte.Debido a la flexión durante el laminado en frío, la tensión de compresión y la tensión de tracción actúan en el interior y el exterior del resorte, respectivamente.La fractura puede ser causada por defectos superficiales que aparecen desde el exterior debido a las tensiones de tracción durante el laminado en frío.
En la práctica, el resorte se somete a compresión y relajación periódicas.Durante la compresión del resorte, el alambre de acero se tuerce y, debido a la concentración de tensiones, la tensión cortante dentro del resorte es mayor que la tensión cortante circundante7.Por lo tanto, si hay defectos superficiales dentro del resorte, la probabilidad de que el resorte se rompa es mayor.Por lo tanto, el lado exterior del resorte (el lugar donde se espera falla durante la fabricación del resorte) y el lado interior (donde la tensión es mayor en la aplicación real) se establecen como las ubicaciones de los defectos superficiales.
La geometría de los defectos superficiales de las líneas OT se divide en forma de U, forma de V, forma de Y y forma de T.Los defectos de tipo Y y T existen principalmente en los defectos superficiales de las materias primas, y los defectos de tipo U y V se producen debido al manejo descuidado de las herramientas en el proceso de laminación en frío.Con respecto a la geometría de los defectos superficiales en las materias primas, los defectos en forma de U que surgen de la deformación plástica no uniforme durante el laminado en caliente se deforman en defectos de costura en forma de V, Y y T bajo estiramiento de múltiples pasadas8, 10.
Además, los defectos en forma de V, Y y T con inclinaciones pronunciadas de la muesca en la superficie estarán sujetos a una alta concentración de tensiones durante el funcionamiento del resorte.Los resortes de las válvulas se doblan durante el laminado en frío y se tuercen durante el funcionamiento.Las concentraciones de tensión de los defectos en forma de V y en forma de Y con concentraciones de tensión más altas se compararon utilizando el análisis de elementos finitos, ABAQUS, software comercial de análisis de elementos finitos.La relación tensión-deformación se muestra en la Figura 1 y la Ecuación 1. (1) Esta simulación utiliza un elemento rectangular bidimensional (2D) de cuatro nodos, y la longitud lateral mínima del elemento es 0,01 mm.Para el modelo analítico, se aplicaron defectos en forma de V e Y con una profundidad de 0,5 mm y una pendiente del defecto de 2° a un modelo 2D de un alambre con un diámetro de 2,5 mm y una longitud de 7,5 mm.
En la fig.7a muestra la concentración de tensión de flexión en la punta de cada defecto cuando se aplica un momento de flexión de 1500 Nmm a ambos extremos de cada cable.Los resultados del análisis muestran que las tensiones máximas de 1038,7 y 1025,8 MPa se producen en la parte superior de los defectos en forma de V e Y, respectivamente.En la fig.7b muestra la concentración de tensiones en la parte superior de cada defecto causado por la torsión.Cuando se constriñe el lado izquierdo y se aplica un torque de 1500 N∙mm al lado derecho, se produce el mismo esfuerzo máximo de 1099 MPa en las puntas de los defectos en forma de V e Y.Estos resultados muestran que los defectos tipo V exhiben mayores esfuerzos de flexión que los defectos tipo Y cuando tienen la misma profundidad y pendiente del defecto, pero experimentan el mismo esfuerzo torsional.Por lo tanto, los defectos superficiales en forma de V y en forma de Y con la misma profundidad y pendiente del defecto se pueden normalizar a defectos en forma de V con una tensión máxima mayor causada por la concentración de tensión.La relación de tamaño del defecto tipo V se define como α = w/h utilizando la profundidad (h) y el ancho (w) de los defectos tipo V y tipo T;por lo tanto, un defecto de tipo T (α ≈ 0), en cambio, la geometría puede definirse mediante la estructura geométrica de un defecto de tipo V.Por lo tanto, los defectos de tipo Y y T pueden normalizarse mediante defectos de tipo V.Usando profundidad (h) y longitud (l), la relación de longitud se define como β = l/h.
Como se muestra en la Figura 811, las direcciones de los defectos superficiales de los alambres OT se dividen en direcciones longitudinales, transversales y oblicuas, como se muestra en la Figura 811. Análisis de la influencia de la orientación de los defectos superficiales en la resistencia del resorte por el elemento finito método.
En la fig.9a muestra el modelo de análisis de tensión del resorte de la válvula del motor.Como condición de análisis, el resorte se comprimió desde una altura libre de 50,5 mm hasta una altura dura de 21,8 mm, se generó una tensión máxima de 1086 MPa dentro del resorte, como se muestra en la Fig. 9b.Dado que la falla de los resortes de válvulas de motor reales ocurre principalmente dentro del resorte, se espera que la presencia de defectos en la superficie interna afecte seriamente la vida a fatiga del resorte.Por lo tanto, los defectos superficiales en las direcciones longitudinal, transversal y oblicua se aplican al interior de los resortes de las válvulas del motor utilizando técnicas de submodelado.La Tabla 2 muestra las dimensiones de los defectos superficiales y la tensión máxima en cada dirección del defecto a la máxima compresión del resorte.Las tensiones más altas se observaron en la dirección transversal, y la relación de tensiones en las direcciones longitudinal y oblicua con respecto a la dirección transversal se estimó en 0,934–0,996.La relación de tensión se puede determinar simplemente dividiendo este valor por la tensión transversal máxima.La tensión máxima en el resorte ocurre en la parte superior de cada defecto de la superficie, como se muestra en la Fig. 9s.Los valores de tensión observados en las direcciones longitudinal, transversal y oblicua son 2045, 2085 y 2049 MPa, respectivamente.Los resultados de estos análisis muestran que los defectos de la superficie transversal tienen el efecto más directo sobre la vida a fatiga de los resortes de las válvulas del motor.
Se eligió como defecto inicial del cable OT un defecto en forma de V, que se supone que afecta más directamente la vida a fatiga del resorte de la válvula del motor, y se eligió la dirección transversal como la dirección del defecto.Este defecto ocurre no sólo en el exterior, donde el resorte de la válvula del motor se rompió durante la fabricación, sino también en el interior, donde se produce la mayor tensión debido a la concentración de tensiones durante el funcionamiento.La profundidad máxima del defecto se establece en 40 µm, que puede detectarse mediante la detección de defectos por corrientes parásitas, y la profundidad mínima se establece en una profundidad correspondiente al 0,1% del diámetro del alambre de 2,5 mm.Por tanto, la profundidad del defecto es de 2,5 a 40 µm.Se utilizaron como variables la profundidad, la longitud y el ancho de las fallas con una relación de longitud de 0,1 ~ 1 y una relación de longitud de 5 ~ 15, y se evaluó su efecto sobre la resistencia a la fatiga del resorte.La Tabla 3 enumera las condiciones analíticas determinadas utilizando la metodología de superficie de respuesta.
Los resortes de válvulas de motores automotrices se fabrican mediante bobinado en frío, templado, granallado y termofijado de alambre OT.Se deben tener en cuenta los cambios en los defectos de la superficie durante la fabricación de los resortes para evaluar el efecto de los defectos de la superficie inicial en los cables OT sobre la vida a fatiga de los resortes de las válvulas del motor.Por lo tanto, en esta sección, se utiliza el análisis de elementos finitos para predecir la deformación de los defectos de la superficie del alambre OT durante la fabricación de cada resorte.
En la fig.10 muestra el proceso de bobinado en frío.Durante este proceso, el rodillo de alimentación introduce el alambre OT en la guía de alambre.La guía de alambre alimenta y sostiene el alambre para evitar que se doble durante el proceso de formación.El alambre que pasa a través de la guía de alambre es doblado por la primera y segunda varillas para formar un resorte helicoidal con el diámetro interior deseado.El paso del resorte se produce moviendo la herramienta paso a paso después de una revolución.
En la fig.11a muestra un modelo de elementos finitos utilizado para evaluar el cambio en la geometría de los defectos superficiales durante el laminado en frío.La formación del alambre se completa principalmente con el pasador de enrollado.Dado que la capa de óxido sobre la superficie del alambre actúa como lubricante, el efecto de fricción del rodillo de alimentación es insignificante.Por lo tanto, en el modelo de cálculo, el rodillo de alimentación y la guía de alambre se simplifican como un casquillo.El coeficiente de fricción entre el alambre OT y la herramienta de conformación se fijó en 0,05.El plano del cuerpo rígido 2D y las condiciones de fijación se aplican al extremo izquierdo de la línea para que pueda avanzar en la dirección X a la misma velocidad que el rodillo de alimentación (0,6 m/s).En la fig.11b muestra el método de subsimulación utilizado para aplicar pequeños defectos a los cables.Para tener en cuenta el tamaño de los defectos superficiales, el submodelo se aplica dos veces para defectos superficiales con una profundidad de 20 µm o más y tres veces para defectos superficiales con una profundidad inferior a 20 µm.Los defectos superficiales se aplican a áreas formadas con pasos iguales.En el modelo general del resorte, la longitud del trozo de alambre recto es de 100 mm.Para el primer submodelo, aplique el submodelo 1 con una longitud de 3 mm en una posición longitudinal de 75 mm del modelo global.Esta simulación utilizó un elemento hexagonal tridimensional (3D) de ocho nodos.En el modelo global y submodelo 1, la longitud lateral mínima de cada elemento es de 0,5 y 0,2 mm, respectivamente.Después del análisis del submodelo 1, los defectos de la superficie se aplican al submodelo 2, y la longitud y el ancho del submodelo 2 son 3 veces la longitud del defecto de la superficie para eliminar la influencia de las condiciones de contorno del submodelo, en Además, el 50% del largo y ancho se utiliza como profundidad del submodelo.En el submodelo 2, la longitud lateral mínima de cada elemento es de 0,005 mm.Se aplicaron ciertos defectos superficiales al análisis de elementos finitos como se muestra en la Tabla 3.
En la fig.12 muestra la distribución de tensiones en las grietas superficiales después del trabajo en frío de una bobina.El modelo general y el submodelo 1 muestran casi las mismas tensiones de 1076 y 1079 MPa en el mismo lugar, lo que confirma la exactitud del método de submodelado.Las concentraciones de tensiones locales ocurren en los bordes límite del submodelo.Aparentemente esto se debe a las condiciones de contorno del submodelo.Debido a la concentración de tensiones, el submodelo 2 con defectos superficiales aplicados muestra una tensión de 2449 MPa en la punta del defecto durante el laminado en frío.Como se muestra en la Tabla 3, los defectos superficiales identificados por el método de superficie de respuesta se aplicaron al interior del resorte.Los resultados del análisis de elementos finitos mostraron que ninguno de los 13 casos de defectos superficiales falló.
Durante el proceso de bobinado en todos los procesos tecnológicos, la profundidad de los defectos superficiales dentro del resorte aumentó entre 0,1 y 2,62 µm (Fig. 13a), y el ancho disminuyó entre 1,8 y 35,79 µm (Fig. 13b), mientras que la longitud aumentó en 0,72 µm. –34,47 µm (figura 13c).Dado que el defecto transversal en forma de V se cierra en anchura mediante flexión durante el proceso de laminación en frío, se deforma en un defecto en forma de V con una pendiente más pronunciada que el defecto original.
Deformación en profundidad, ancho y longitud de defectos en la superficie del alambre OT en el proceso de fabricación.
Aplique defectos superficiales al exterior del resorte y prediga la probabilidad de rotura durante el laminado en frío mediante el análisis de elementos finitos.Bajo las condiciones enumeradas en la Tabla.3, no existe probabilidad de destrucción de defectos en la superficie exterior.En otras palabras, no se produjo destrucción en la profundidad de los defectos superficiales de 2,5 a 40 µm.
Para predecir defectos superficiales críticos, se investigaron las fracturas externas durante el laminado en frío aumentando la profundidad del defecto de 40 µm a 5 µm.En la fig.14 muestra fracturas a lo largo de defectos superficiales.La fractura se produce en condiciones de profundidad (55 µm), ancho (2 µm) y largo (733 µm).La profundidad crítica de un defecto superficial fuera del resorte resultó ser de 55 μm.
El proceso de granallado suprime el crecimiento de grietas y aumenta la vida a la fatiga al crear una tensión de compresión residual a una cierta profundidad desde la superficie del resorte;sin embargo, induce la concentración de tensiones al aumentar la rugosidad de la superficie del resorte, reduciendo así la resistencia a la fatiga del resorte.Por lo tanto, la tecnología de granallado secundario se utiliza para producir resortes de alta resistencia para compensar la reducción de la vida útil causada por el aumento de la rugosidad de la superficie causada por el granallado.El granallado en dos etapas puede mejorar la rugosidad de la superficie, la tensión residual de compresión máxima y la tensión residual de compresión de la superficie porque el segundo granallado se realiza después del primer granallado12,13,14.
En la fig.15 muestra un modelo analítico del proceso de granallado.Se creó un modelo de plástico elástico en el que se dejaron caer 25 bolas de perdigones en el área local objetivo de la línea OT para realizar el granallado.En el modelo de análisis de granallado, se utilizaron como defectos iniciales los defectos superficiales del alambre OT deformado durante el bobinado en frío.Eliminación de tensiones residuales derivadas del proceso de laminación en frío mediante templado previo al proceso de granallado.Se utilizaron las siguientes propiedades de la esfera de perdigones: densidad (ρ): 7800 kg/m3, módulo elástico (E) – 210 GPa, relación de Poisson (υ): 0,3.El coeficiente de fricción entre la bola y el material se establece en 0,1.Se lanzaron perdigones con un diámetro de 0,6 y 0,3 mm a la misma velocidad de 30 m/s durante la primera y segunda pasada de forjado.Después del proceso de granallado (entre otros procesos de fabricación que se muestran en la Figura 13), la profundidad, el ancho y la longitud de los defectos de la superficie dentro del resorte oscilaron entre -6,79 y 0,28 µm, -4,24 y 1,22 µm y -2,59 y 1,69. µm, respectivamente µm.Debido a la deformación plástica del proyectil lanzado perpendicularmente a la superficie del material, la profundidad del defecto disminuye, en particular, la anchura del defecto se reduce significativamente.Al parecer el defecto se cerró debido a la deformación plástica provocada por el granallado.
Durante el proceso de contracción por calor, los efectos de la contracción en frío y el recocido a baja temperatura pueden actuar sobre el resorte de la válvula del motor al mismo tiempo.Un ajuste frío maximiza el nivel de tensión del resorte comprimiéndolo a su nivel más alto posible a temperatura ambiente.En este caso, si el resorte de la válvula del motor se carga por encima del límite elástico del material, el resorte de la válvula del motor se deforma plásticamente, aumentando el límite elástico.Después de la deformación plástica, el resorte de la válvula se flexiona, pero el aumento del límite elástico proporciona la elasticidad del resorte de la válvula en el funcionamiento real.El recocido a baja temperatura mejora la resistencia al calor y a la deformación de los resortes de válvula que funcionan a altas temperaturas2.
Los defectos de la superficie deformados durante el granallado en el análisis FE y el campo de tensión residual medido con equipo de difracción de rayos X (DRX) se aplicaron al submodelo 2 (Fig. 8) para inferir el cambio en los defectos durante la contracción por calor.El resorte fue diseñado para operar en el rango elástico y se comprimió desde su altura libre de 50,5 mm hasta su altura firme de 21,8 mm y luego se le permitió regresar a su altura original de 50,5 mm como condición de análisis.Durante la contracción por calor, la geometría del defecto cambia de manera insignificante.Aparentemente, la tensión de compresión residual de 800 MPa y superior, creada por el granallado, suprime la deformación de los defectos de la superficie.Después de la contracción por calor (Fig. 13), la profundidad, el ancho y la longitud de los defectos de la superficie variaron de -0,13 a 0,08 µm, de -0,75 a 0 µm y de 0,01 a 2,4 µm, respectivamente.
En la fig.16 compara deformaciones de defectos en forma de U y en forma de V de la misma profundidad (40 µm), ancho (22 µm) y longitud (600 µm).El cambio en el ancho de los defectos en forma de U y V es mayor que el cambio en la longitud, que es causado por el cierre en la dirección del ancho durante el proceso de laminado en frío y granallado.En comparación con los defectos en forma de U, los defectos en forma de V se formaron a una profundidad relativamente mayor y con pendientes más pronunciadas, lo que sugiere que se puede adoptar un enfoque conservador al aplicar defectos en forma de V.
Esta sección analiza la deformación del defecto inicial en la línea OT para cada proceso de fabricación de resortes de válvula.El defecto inicial del cable OT se aplica al interior del resorte de la válvula, donde se espera falla debido a las altas tensiones durante el funcionamiento del resorte.Los defectos superficiales transversales en forma de V de los cables OT aumentaron ligeramente en profundidad y longitud y disminuyeron drásticamente en ancho debido a la flexión durante el bobinado en frío.El cierre en la dirección del ancho ocurre durante el granallado con poca o ninguna deformación del defecto perceptible durante el ajuste térmico final.En el proceso de laminación en frío y granallado, se produce una gran deformación en la dirección del ancho debido a la deformación plástica.El defecto en forma de V dentro del resorte de la válvula se transforma en un defecto en forma de T debido al cierre ancho durante el proceso de laminado en frío.