310 Paslanmaz çelik bobin borusu kimyasal bileşeni, Yağla Sertleştirilmiş Çelik Teldeki Yüzey Kusurlarının Otomotiv Motorlarındaki Valf Yaylarının Yorulma Ömrü Üzerindeki Etkisi

Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Ayrıca sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Slayt başına üç makale gösteren kaydırıcılar.Slaytlar arasında ilerlemek için geri ve ileri düğmelerini veya her slaytta ilerlemek için sondaki slayt denetleyici düğmelerini kullanın.

Paslanmaz çelik 310 sarmal borular / sarmal boruKimyasal bileşimve kompozisyon

Aşağıdaki tablo 310S kalite paslanmaz çeliğin kimyasal bileşimini göstermektedir.

10*1mm 9,25*1,24 mm 310 Paslanmaz çelik kılcal sarmal boru tedarikçileri

Fiziki ozellikleri

310S kalite paslanmaz çeliğin fiziksel özellikleri aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.

Mekanik özellikler

Aşağıdaki tablo 310S kalite paslanmaz çeliğin mekanik özelliklerini özetlemektedir.

Termal Özellikler

310S kalite paslanmaz çeliğin termal özellikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Diğer Tanımlar

310S kalite paslanmaz çeliğe eşdeğer diğer tanımlar aşağıdaki tabloda listelenmiştir.

Bu çalışmanın amacı, çapı 2,5 mm olan kritik hata derinliğine sahip 2300 MPa kalitesinde yağla sertleştirilmiş bir tele (OT teli) mikro kusurlar uygulandığında bir otomobil motorunun valf yayının yorulma ömrünü değerlendirmektir.İlk olarak, valf yayının imalatı sırasında OT telinin yüzey kusurlarının deformasyonu, subsimülasyon yöntemleri kullanılarak sonlu elemanlar analizi ile elde edilmiş ve bitmiş yayın artık gerilimi ölçülerek yay gerilimi analiz modeline uygulanmıştır.İkinci olarak, valf yayının gücünü analiz edin, artık gerilimi kontrol edin ve uygulanan gerilimin seviyesini yüzey kusurlarıyla karşılaştırın.Üçüncüsü, mikro kusurların yayın yorulma ömrü üzerindeki etkisi, yay mukavemeti analizinden elde edilen yüzey kusurları üzerindeki stresin, OT telinin dönüşü sırasında bükülme yorulma testinden elde edilen SN eğrilerine uygulanmasıyla değerlendirildi.40 µm'lik kusur derinliği, yorulma ömründen ödün vermeden yüzey kusurlarını yönetmek için mevcut standarttır.
Otomotiv endüstrisi, araçların yakıt verimliliğini artırmak için hafif otomotiv bileşenlerine yönelik güçlü bir talebe sahiptir.Bu nedenle gelişmiş yüksek dayanımlı çeliğin (AHSS) kullanımı son yıllarda giderek artmaktadır.Otomotiv motor supap yayları esas olarak ısıya dayanıklı, aşınmaya dayanıklı ve sarkmayan yağda sertleştirilmiş çelik tellerden (OT telleri) oluşur.
Şu anda kullanılan OT telleri, yüksek çekme mukavemetleri (1900–2100 MPa) nedeniyle, motor supap yaylarının boyutunun ve kütlesinin azaltılmasını mümkün kılmakta, çevredeki parçalarla sürtünmeyi azaltarak yakıt verimliliğini arttırmaktadır1.Bu avantajlardan dolayı yüksek gerilim filmaşin kullanımı hızla artmakta ve 2300MPa sınıfında ultra yüksek mukavemetli filmaşinler birbiri ardına ortaya çıkmaktadır.Otomotiv motorlarındaki valf yayları, yüksek çevrimsel yükler altında çalıştıkları için uzun servis ömrüne ihtiyaç duyarlar.Bu gereksinimi karşılamak için üreticiler, valf yaylarını tasarlarken genellikle yorulma ömrünün 5,5×107 döngüden daha uzun olduğunu dikkate alır ve yorulma ömrünü iyileştirmek için bilyeli dövme ve ısıyla büzüştürme işlemleri yoluyla valf yayı yüzeyine artık gerilim uygular2.
Normal çalışma koşulları altında araçlarda helisel yayların yorulma ömrü üzerine pek çok çalışma yapılmıştır.Gzal ve ark.Küçük helis açılarına sahip eliptik helisel yayların statik yük altında analitik, deneysel ve sonlu elemanlar (FE) analizleri sunulmaktadır.Bu çalışma, en-boy oranı ve sertlik indeksine karşı maksimum kayma geriliminin konumu için açık ve basit bir ifade sağlar ve aynı zamanda pratik tasarımlarda kritik bir parametre olan maksimum kayma gerilimine ilişkin analitik bir bakış açısı sağlar3.Pastorcic ve ark.Özel bir arabadan çıkarılan helisel yayın arızalanmasının ardından çalışma sırasındaki tahribat ve yorulma analizinin sonuçları açıklanmaktadır.Deneysel yöntemler kullanılarak kırık bir yay incelendi ve sonuçlar bunun korozyon yorulması arızasına bir örnek olduğunu ortaya koydu4.delik vb. Otomotiv helisel yaylarının yorulma ömrünü değerlendirmek için çeşitli doğrusal regresyon yay ömrü modelleri geliştirilmiştir.Putra ve diğerleri.Yol yüzeyinin düzgünsüzlüğü nedeniyle arabanın helisel yayının servis ömrü belirlenir.Ancak imalat sürecinde meydana gelen yüzey kusurlarının otomotiv helezon yaylarının ömrünü nasıl etkilediği konusunda çok az araştırma yapılmıştır.
Üretim süreci sırasında meydana gelen yüzey kusurları, valf yaylarında yerel gerilim yoğunlaşmasına neden olabilir ve bu da bunların yorulma ömrünü önemli ölçüde azaltır.Valf yaylarının yüzey kusurları, kullanılan hammaddelerin yüzey kusurları, takımlardaki kusurlar, soğuk haddeleme sırasındaki kaba işlemler gibi çeşitli faktörlerden kaynaklanmaktadır7.Hammaddenin yüzey kusurları, sıcak haddeleme ve çok geçişli çekme nedeniyle dik V şeklindedir; şekillendirme aleti ve dikkatsiz kullanımdan kaynaklanan kusurlar ise hafif eğimli U şeklindedir8,9,10,11.V şeklindeki kusurlar, U şeklindeki kusurlara göre daha yüksek stres konsantrasyonlarına neden olur, bu nedenle genellikle başlangıç ​​malzemesine sıkı kusur yönetimi kriterleri uygulanır.
OT kablolarına yönelik mevcut yüzey kusuru yönetimi standartları arasında ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 ve KS D 3580 yer alır. DIN EN 10270-2, 0,5–0,5–6 tel çaplarındaki yüzey kusurunun derinliğini belirtir. 10 mm, tel çapının %0,5-1'inden azdır.Ayrıca JIS G 3561 ve KS D 3580, 0,5–8 mm çapındaki filmaşindeki yüzey kusurlarının derinliğinin tel çapının %0,5'inden az olmasını gerektirir.ASTM A877/A877M-10'da üretici ve alıcı, izin verilen yüzey kusurlarının derinliği konusunda anlaşmaya varmalıdır.Bir telin yüzeyindeki bir kusurun derinliğini ölçmek için tel genellikle hidroklorik asitle kazınır ve ardından bir mikrometre kullanılarak kusurun derinliği ölçülür.Ancak bu yöntem, nihai ürünün tüm yüzeyindeki kusurları değil, yalnızca belirli alanlardaki kusurları ölçebilir.Bu nedenle üreticiler, sürekli üretilen teldeki yüzey kusurlarını ölçmek için tel çekme işlemi sırasında girdap akımı testini kullanır;bu testler 40 µm'ye kadar yüzey kusurlarının derinliğini ölçebilir.Geliştirilmekte olan 2300MPa kalite çelik tel, mevcut 1900-2200MPa kalite çelik tele kıyasla daha yüksek çekme mukavemetine ve daha düşük uzamaya sahiptir, dolayısıyla valf yayı yorulma ömrünün yüzey kusurlarına karşı çok hassas olduğu kabul edilir.Bu nedenle, 1900-2200 MPa çelik tel kalitesinden 2300 MPa çelik tel kalitesine kadar yüzey kusurlarının derinliğini kontrol etmeye yönelik mevcut standartların uygulanmasının güvenliğinin kontrol edilmesi gerekmektedir.
Bu çalışmanın amacı, girdap akımı testiyle ölçülebilen minimum kusur derinliği (örn. 40 µm) 2300 MPa dereceli bir OT teline (çap: 2,5 mm) uygulandığında bir otomotiv motor supap yayının yorulma ömrünü değerlendirmektir: kritik kusur derinlik .Bu çalışmanın katkısı ve metodolojisi aşağıdaki gibidir.
OT telindeki ilk kusur olarak tel eksenine göre enine yönde yorulma ömrünü ciddi şekilde etkileyen V şeklinde bir kusur kullanıldı.Derinliğinin (h), genişliğinin (w) ve uzunluğunun (l) etkisini görmek için bir yüzey kusurunun boyutlarının (α) ve uzunluğunun (β) oranını düşünün.Yüzey kusurları yayın içinde, arızanın ilk meydana geldiği yerde meydana gelir.
Soğuk sarma sırasında OT telindeki başlangıç ​​kusurlarının deformasyonunu tahmin etmek için, kusurlar OT teliyle karşılaştırıldığında çok küçük olduğundan, analiz süresini ve yüzey kusurlarının boyutunu hesaba katan bir alt simülasyon yaklaşımı kullanıldı.küresel model.
İki aşamalı bilyalı dövme sonrası yaydaki artık basınç gerilmeleri sonlu elemanlar yöntemiyle hesaplandı, sonuçlar analitik modeli doğrulamak için bilyalı dövme sonrası ölçümlerle karşılaştırıldı.Ayrıca tüm üretim süreçlerindeki valf yaylarındaki artık gerilimler ölçüldü ve yay mukavemeti analizine uygulandı.
Yüzey kusurlarındaki gerilimler, soğuk haddeleme sırasında kusurun deformasyonu ve bitmiş yaydaki artık basınç gerilimi dikkate alınarak yayın mukavemeti analiz edilerek tahmin edilir.
Dönme bükülme yorulma testi, valf yayı ile aynı malzemeden yapılmış bir OT teli kullanılarak gerçekleştirildi.Üretilen valf yaylarının artık gerilim ve yüzey pürüzlülük özelliklerini OT çizgileriyle ilişkilendirmek amacıyla, ön işlem süreçleri olarak iki aşamalı bilyeli dövme ve burulma uygulandıktan sonra döner eğilme yorulma testleri ile SN eğrileri elde edildi.
Yay mukavemeti analizinin sonuçları, valf yayı yorulma ömrünü tahmin etmek için Goodman denklemi ve SN eğrisine uygulanır ve ayrıca yüzey kusur derinliğinin yorulma ömrü üzerindeki etkisi de değerlendirilir.
Bu çalışmada, bir otomotiv motor supap yayının yorulma ömrünü değerlendirmek için 2,5 mm çapında 2300 MPa OT kalitesinde tel kullanıldı.İlk olarak, sünek kırılma modelini elde etmek için telin çekme testi yapıldı.
OT telinin mekanik özellikleri, soğuk sarma işleminin ve yay mukavemetinin sonlu eleman analizinden önce çekme testlerinden elde edildi.Malzemenin gerilim-gerinim eğrisi, şekil 2'de gösterildiği gibi 0,001 s-1 gerinim oranındaki çekme testlerinin sonuçları kullanılarak belirlendi.1. SWONB-V teli kullanılır ve akma mukavemeti, çekme mukavemeti, elastik modül ve Poisson oranı sırasıyla 2001.2MPa, 2316MPa, 206GPa ve 0.3'tür.Gerilmenin akış gerilimine bağımlılığı şu şekilde elde edilir:
Pirinç.Şekil 2 sünek kırılma sürecini göstermektedir.Malzeme deformasyon sırasında elastoplastik deformasyona uğrar ve malzemedeki gerilim çekme dayanımına ulaştığında malzeme daralır.Daha sonra malzeme içerisinde boşlukların oluşması, büyümesi ve birleşmesi malzemenin tahrip olmasına yol açar.
Sünek kırılma modeli, stresin etkisini hesaba katan, stresle değiştirilmiş bir kritik deformasyon modelini kullanır ve boyun verme sonrası kırılma, hasar biriktirme yöntemini kullanır.Burada hasar başlangıcı gerinim, gerilim üç eksenliliği ve gerinim hızının bir fonksiyonu olarak ifade edilir.Gerilme üç eksenliliği, malzemenin boyun oluşumuna kadar deformasyonundan kaynaklanan hidrostatik gerilmenin efektif gerilmeye bölünmesiyle elde edilen ortalama değer olarak tanımlanır.Hasar biriktirme yönteminde hasar değeri 1'e ulaştığında yıkım meydana gelir ve 1 hasar değerine ulaşmak için gereken enerji, yıkım enerjisi (Gf) olarak tanımlanır.Kırılma enerjisi, malzemenin boyun verme anından kırılma zamanına kadar olan gerçek gerilim-yer değiştirme eğrisinin bölgesine karşılık gelir.
Geleneksel çelikler durumunda, Şekil 3'te gösterildiği gibi, gerilme moduna bağlı olarak, süneklik ve kesme kırılmasına bağlı olarak sünek kırılma, kayma kırılması veya karışık mod kırılması meydana gelir. Kırılma gerinimi ve gerilim üç eksenliliği, kırılma deseni.
Plastik kırılma, 1/3'ten (bölge I) daha fazla gerilim üç eksenliliğine karşılık gelen bir bölgede meydana gelir ve kırılma gerilimi ve gerilim üç eksenliliği, yüzey kusurları ve çentikleri olan numuneler üzerindeki çekme testlerinden çıkarılabilir.0 ~ 1/3 gerilim üç eksenliliğine karşılık gelen alanda (bölge II), sünek kırılma ve kesme kopması kombinasyonu meydana gelir (yani bir burulma testi yoluyla). -1/3 ila 0 arasındaki gerilim üç eksenliliğine karşılık gelen alanda (III), sıkıştırmadan kaynaklanan kesme kırılması ve kırılma gerilimi ve gerilim üç eksenliliği, yığma testi ile elde edilebilir.
Motor supap yaylarının imalatında kullanılan OT tellerinde, imalat süreci ve uygulama koşulları sırasında çeşitli yükleme koşullarından kaynaklanan kırılmaların dikkate alınması gerekir.Bu nedenle, hasar gerinim kriterini uygulamak için çekme ve burulma testleri yapıldı, gerilim üç eksenliliğinin her bir gerilim modu üzerindeki etkisi dikkate alındı ​​ve gerilim üç eksenliliğindeki değişimi ölçmek için büyük gerinimlerde elastoplastik sonlu elemanlar analizi yapıldı.Örnek işlemenin sınırlaması nedeniyle sıkıştırma modu dikkate alınmadı, yani OT telinin çapı yalnızca 2,5 mm'dir.Tablo 1'de sonlu elemanlar analizi kullanılarak elde edilen çekme ve burulma test koşullarının yanı sıra stres üç eksenliliği ve kırılma gerilimi listelenmektedir.
Geleneksel üç eksenli çeliklerin stres altında kırılma gerilimi aşağıdaki denklem kullanılarak tahmin edilebilir.
burada C1: \({\overline{{\varepsilon_{0}}}^{pl}\) temiz kesim (η = 0) ve C2: \({\overline{{\varepsilon_{0} } }^{pl}\) Tek eksenli gerilim (η = η0 = 1/3).
Her bir gerilim moduna ilişkin eğilim çizgileri, denklemdeki C1 ve C2 kırılma gerinim değerlerinin uygulanmasıyla elde edilir.(2);C1 ve C2 yüzey kusurları olmayan numuneler üzerinde çekme ve burulma testlerinden elde edilir.Şekil 4'te testlerden elde edilen gerilim üç eksenliliği ve kırılma gerilimi ve denklem tarafından tahmin edilen eğilim çizgileri gösterilmektedir.(2) Testten elde edilen eğilim çizgisi ve gerilim üç eksenliliği ile kırılma gerilimi arasındaki ilişki benzer bir eğilim göstermektedir.Eğilim çizgilerinin uygulanmasından elde edilen, her bir gerilim modu için kırılma gerilimi ve gerilim üç eksenliliği, sünek kırılma için kriter olarak kullanıldı.
Kopma enerjisi, boyun verme sonrasında kırılma süresini belirlemek için malzeme özelliği olarak kullanılır ve çekme testlerinden elde edilebilir.Kırılma süresi yerel gerilimlerin konsantrasyonuna bağlı olduğundan kırılma enerjisi, malzemenin yüzeyinde çatlakların varlığına veya yokluğuna bağlıdır.Şekil 5a-c, yüzey kusurları olmayan numunelerin ve çekme testleri ve sonlu elemanlar analizinden R0.4 veya R0.8 çentikli numunelerin kırılma enerjilerini göstermektedir.Kırılma enerjisi, boyun verme anından kırılma zamanına kadar olan gerçek gerilim-yer değiştirme eğrisinin alanına karşılık gelir.
İnce yüzey kusurlarına sahip bir OT telinin kırılma enerjisi, Şekil 5d'de gösterildiği gibi, kusur derinliği 40 µm'den büyük olan bir OT teli üzerinde çekme testleri yapılarak tahmin edildi.Çekme testlerinde kusurlu on numune kullanılmış ve ortalama kırılma enerjisinin 29,12 mJ/mm2 olduğu tahmin edilmiştir.
Standartlaştırılmış yüzey hatası, otomotiv valf yaylarının imalatında kullanılan OT telinin yüzey kusuru geometrisinden bağımsız olarak, kusurun derinliğinin valf yayı telinin çapına oranı olarak tanımlanır.OT tel kusurları yön, geometri ve uzunluğa göre sınıflandırılabilir.Aynı kusur derinliğinde bile, bir yaydaki yüzey kusuruna etki eden gerilim düzeyi, kusurun geometrisine ve yönelimine bağlı olarak değişir; dolayısıyla kusurun geometrisi ve yönelimi, yorulma mukavemetini etkileyebilir.Bu nedenle, yüzey kusurlarının yönetimine yönelik sıkı kriterlerin uygulanması amacıyla yayın yorulma ömrü üzerinde en büyük etkiye sahip olan kusurların geometrisini ve yönelimini hesaba katmak gerekir.OT telinin ince taneli yapısından dolayı yorulma ömrü çentiklenmeye karşı çok hassastır.Bu nedenle, kusurun geometrisine ve yönelimine göre en yüksek gerilim konsantrasyonunu sergileyen kusur, sonlu elemanlar analizi kullanılarak başlangıç ​​kusuru olarak belirlenmelidir.Şek.Şekil 6, bu çalışmada kullanılan ultra yüksek mukavemetli 2300 MPa sınıfı otomotiv valf yaylarını göstermektedir.
OT telinin yüzey kusurları yay eksenine göre iç kusurlar ve dış kusurlar olarak ikiye ayrılır.Soğuk haddeleme sırasındaki bükülme nedeniyle yayın iç ve dış kısmına sırasıyla basınç gerilimi ve çekme gerilimi etki eder.Soğuk haddeleme sırasında çekme gerilmeleri nedeniyle dışarıdan görünen yüzey kusurları kırılmaya neden olabilir.
Uygulamada yay periyodik olarak sıkışma ve gevşemeye maruz kalır.Yayın sıkıştırılması sırasında çelik tel bükülür ve gerilimlerin yoğunlaşması nedeniyle yayın içindeki kayma gerilimi çevredeki kayma geriliminden daha yüksektir7.Bu nedenle yayın içinde yüzey kusurları varsa yayın kırılma olasılığı en yüksektir.Böylece yayın dış tarafı (yayın imalatı sırasında arızanın beklendiği yer) ve iç tarafı (gerçek uygulamada gerilimin en büyük olduğu yer) yüzey kusurlarının yerleri olarak ayarlanır.
OT çizgilerinin yüzey kusur geometrisi U şekline, V şekline, Y şekline ve T şekline bölünmüştür.Y tipi ve T tipi esas olarak hammaddelerin yüzey kusurlarında mevcut olup, soğuk haddeleme işleminde takımların dikkatsiz kullanılması nedeniyle U tipi ve V tipi kusurlar meydana gelir.Hammaddelerdeki yüzey kusurlarının geometrisi ile ilgili olarak, sıcak haddeleme sırasında düzgün olmayan plastik deformasyondan kaynaklanan U şeklindeki kusurlar, çok geçişli germe altında V şeklinde, Y şeklinde ve T şeklinde dikiş kusurlarına dönüşmektedir8, 10.
Ayrıca yüzeydeki çentiğin dik eğimleri olan V, Y ve T şeklindeki kusurlar yayın çalışması sırasında yüksek gerilim konsantrasyonuna maruz kalacaktır.Valf yayları soğuk haddeleme sırasında bükülür ve çalışma sırasında bükülür.Daha yüksek gerilim konsantrasyonlarına sahip V-şekilli ve Y-şekilli kusurların gerilim konsantrasyonları, sonlu elemanlar analizi, ABAQUS - ticari sonlu elemanlar analiz yazılımı kullanılarak karşılaştırıldı.Gerilim-gerinim ilişkisi Şekil 1 ve Denklem 1'de gösterilmektedir. (1) Bu simülasyon iki boyutlu (2D) dikdörtgen dört düğümlü bir eleman kullanır ve minimum elemanın yan uzunluğu 0,01 mm'dir.Analitik model için, 0,5 mm derinliğe ve 2° kusur eğimine sahip V şekilli ve Y şekilli kusurlar, 2,5 mm çapında ve 7,5 mm uzunluğunda bir telin 2 boyutlu modeline uygulandı.
Şek.Şekil 7a, her bir telin her iki ucuna 1500 Nmm'lik bir bükülme momenti uygulandığında, her bir kusurun ucundaki bükülme gerilimi konsantrasyonunu göstermektedir.Analiz sonuçları, sırasıyla 1038,7 ve 1025,8 MPa'lık maksimum gerilmelerin V şeklindeki ve Y şeklindeki kusurların üst kısımlarında meydana geldiğini göstermektedir.Şek.Şekil 7b, burulmanın neden olduğu her bir kusurun tepesindeki gerilim konsantrasyonunu göstermektedir.Sol taraf kısıtlandığında ve sağ tarafa 1500 N∙mm'lik bir tork uygulandığında, V şeklindeki ve Y şeklindeki kusurların uçlarında 1099 MPa'lık aynı maksimum gerilim meydana gelir.Bu sonuçlar, V-tipi kusurların, aynı derinlik ve kusur eğimine sahip olduklarında Y-tipi kusurlardan daha yüksek eğilme gerilimi sergilediğini ancak aynı burulma gerilimine maruz kaldıklarını göstermektedir.Bu nedenle, aynı derinlik ve kusur eğimine sahip V-şeklindeki ve Y-şeklindeki yüzey kusurları, gerilim konsantrasyonunun neden olduğu daha yüksek maksimum gerilime sahip V-şeklindeki yüzey kusurları ile normalize edilebilir.V tipi kusur boyutu oranı, V tipi ve T tipi kusurların derinliği (h) ve genişliği (w) kullanılarak α = w/h olarak tanımlanır;dolayısıyla T tipi bir kusur (α ≈ 0) yerine geometri, V tipi bir kusurun geometrik yapısıyla tanımlanabilir.Bu nedenle Y tipi ve T tipi kusurlar, V tipi kusurlarla normalleştirilebilir.Derinlik (h) ve uzunluk (l) kullanılarak uzunluk oranı β = l/sa olarak tanımlanır.
Şekil 811'de gösterildiği gibi, OT tellerinin yüzey kusurlarının yönleri, Şekil 811'de gösterildiği gibi boylamasına, enine ve eğik yönlere bölünmüştür. Sonlu eleman tarafından yüzey kusurlarının yönünün yayın mukavemeti üzerindeki etkisinin analizi yöntem.
Şek.Şekil 9a, motor supabı yay gerilimi analiz modelini göstermektedir.Bir analiz koşulu olarak, yay 50,5 mm'lik serbest yükseklikten 21,8 mm'lik sert yüksekliğe kadar sıkıştırılmıştır, Şekil 9b'de gösterildiği gibi yayın içinde maksimum 1086 MPa'lık bir gerilim oluşturulmuştur.Gerçek motor supap yaylarının arızası çoğunlukla yay içerisinde meydana geldiğinden, iç yüzey kusurlarının varlığının yayın yorulma ömrünü ciddi şekilde etkilemesi beklenir.Bu nedenle alt modelleme teknikleri kullanılarak motor supap yaylarının iç kısmına boyuna, enine ve eğik yönlerdeki yüzey kusurları uygulanır.Tablo 2, maksimum yay sıkıştırmasında yüzey kusurlarının boyutlarını ve kusurun her yönündeki maksimum gerilimi göstermektedir.En yüksek gerilmeler enine yönde gözlendi ve boyuna ve eğik yönlerdeki gerilmelerin enine yöne oranı 0,934-0,996 olarak tahmin edildi.Gerilim oranı, bu değerin maksimum enine gerilime bölünmesiyle belirlenebilir.Yaydaki maksimum gerilim, Şekil 9'da gösterildiği gibi her yüzey kusurunun üst kısmında meydana gelir.Boyuna, enine ve eğik yönlerde gözlenen gerilim değerleri sırasıyla 2045, 2085 ve 2049 MPa'dır.Bu analizlerin sonuçları, enine yüzey kusurlarının motor supap yaylarının yorulma ömrü üzerinde en doğrudan etkiye sahip olduğunu göstermektedir.
Motor supap yayının yorulma ömrünü en doğrudan etkilediği varsayılan V şeklindeki bir kusur, OT telinin ilk kusuru olarak seçildi ve enine yön, kusurun yönü olarak seçildi.Bu kusur, yalnızca motor supap yayının üretim sırasında kırıldığı dış mekanda değil, aynı zamanda çalışma sırasında stres konsantrasyonundan dolayı en büyük stresin meydana geldiği iç mekanda da meydana gelir.Maksimum kusur derinliği, girdap akımı kusur tespiti ile tespit edilebilecek 40 µm'ye ayarlanmıştır ve minimum derinlik, 2,5 mm tel çapının %0,1'ine karşılık gelen bir derinliğe ayarlanmıştır.Bu nedenle kusurun derinliği 2,5 ila 40 µm arasındadır.Değişken olarak uzunluk oranı 0,1~1 ve uzunluk oranı 5~15 olan kusurların derinliği, uzunluğu ve genişliği kullanılmış ve bunların yayın yorulma mukavemetine etkisi değerlendirilmiştir.Tablo 3, yanıt yüzeyi metodolojisi kullanılarak belirlenen analitik koşulları listelemektedir.
Otomotiv motor supap yayları, OT telinin soğuk sarılması, temperlenmesi, kumlanması ve ısıyla ayarlanmasıyla üretilir.OT tellerindeki ilk yüzey kusurlarının motor valf yaylarının yorulma ömrü üzerindeki etkisini değerlendirmek için yay üretimi sırasında yüzey kusurlarındaki değişiklikler dikkate alınmalıdır.Bu nedenle bu bölümde, her bir yayın üretimi sırasında OT tel yüzey kusurlarının deformasyonunu tahmin etmek için sonlu elemanlar analizi kullanılmıştır.
Şek.Şekil 10, soğuk sarma işlemini göstermektedir.Bu işlem sırasında OT teli, besleme silindiri tarafından tel kılavuzuna beslenir.Tel kılavuzu, şekillendirme işlemi sırasında bükülmeyi önlemek için teli besler ve destekler.Tel kılavuzundan geçen tel, birinci ve ikinci çubuklar tarafından bükülerek istenen iç çapa sahip bir helezon yay oluşturulur.Yay adımı, adımlama aletinin bir tur sonra hareket ettirilmesiyle üretilir.
Şek.Şekil 11a, soğuk haddeleme sırasında yüzey kusurlarının geometrisindeki değişikliği değerlendirmek için kullanılan sonlu eleman modelini göstermektedir.Telin şekillendirilmesi esas olarak sarma pimi ile tamamlanır.Tel yüzeyindeki oksit tabakası yağlayıcı görevi gördüğünden besleme silindirinin sürtünme etkisi ihmal edilebilir düzeydedir.Bu nedenle hesaplama modelinde besleme silindiri ve tel kılavuzu burç olarak basitleştirilmiştir.OT teli ile şekillendirme takımı arasındaki sürtünme katsayısı 0,05'e ayarlandı.Besleme silindiri ile aynı hızda (0,6 m/s) X yönünde beslenebilmesi için hattın sol ucuna 2 boyutlu rijit gövde düzlemi ve sabitleme koşulları uygulanmıştır.Şek.Şekil 11b, küçük kusurları tellere uygulamak için kullanılan alt simülasyon yöntemini göstermektedir.Yüzey kusurlarının boyutunu hesaba katmak için alt model, derinliği 20 µm veya daha fazla olan yüzey kusurları için iki kez, derinliği 20 µm'den az olan yüzey kusurları için üç kez uygulanır.Yüzey kusurları eşit adımlarla oluşturulan alanlara uygulanır.Yay genel modelinde düz tel parçasının uzunluğu 100 mm'dir.İlk alt model için, global modelden 75 mm uzunlamasına konuma 3 mm uzunluğunda alt model 1'i uygulayın.Bu simülasyonda üç boyutlu (3D) altıgen sekiz düğümlü bir eleman kullanıldı.Global modelde ve alt model 1'de her bir elemanın minimum kenar uzunluğu sırasıyla 0,5 ve 0,2 mm'dir.Alt model 1'in analizinden sonra yüzey kusurları alt model 2'ye uygulanır ve alt model sınır koşullarının etkisini ortadan kaldırmak için alt model 2'nin uzunluğu ve genişliği yüzey kusurunun uzunluğunun 3 katıdır. Ayrıca alt modelin derinliği olarak uzunluk ve genişliğin %50'si kullanılır.Alt model 2'de her bir elemanın minimum kenar uzunluğu 0,005 mm'dir.Tablo 3'te gösterildiği gibi sonlu elemanlar analizine belirli yüzey kusurları uygulanmıştır.
Şek.Şekil 12, bir bobinin soğuk işlenmesinden sonra yüzey çatlaklarındaki gerilimin dağılımını göstermektedir.Genel model ve alt model 1, aynı yerde 1076 ve 1079 MPa'lık hemen hemen aynı gerilimleri göstermektedir, bu da alt modelleme yönteminin doğruluğunu teyit etmektedir.Alt modelin sınır kenarlarında yerel gerilim konsantrasyonları meydana gelir.Görünüşe göre bu, alt modelin sınır koşullarından kaynaklanmaktadır.Gerilim konsantrasyonu nedeniyle, uygulanan yüzey kusurlarına sahip alt model 2, soğuk haddeleme sırasında kusurun ucunda 2449 MPa'lık bir gerilim gösterir.Tablo 3'te gösterildiği gibi tepki yüzeyi yöntemiyle belirlenen yüzey kusurları yayın iç kısmına uygulanmıştır.Sonlu eleman analizinin sonuçları, 13 yüzey hatası vakasından hiçbirinin başarısız olmadığını gösterdi.
Tüm teknolojik işlemlerde sarım işlemi sırasında yay içindeki yüzey kusurlarının derinliği 0,1–2,62 µm artarken (Şekil 13a), genişlik 1,8–35,79 µm azalırken (Şekil 13b), uzunluk ise 0,72 arttı –34,47 µm (Şekil 13c).Enine V şeklindeki kusur, soğuk haddeleme işlemi sırasında bükülerek genişlikte kapatıldığı için, orijinal kusurdan daha dik bir eğime sahip V şeklinde bir kusur halinde deforme olur.
Üretim Sürecinde OT Tel Yüzey Kusurlarının Derinlik, Genişlik ve Uzunluktaki Deformasyon.
Yayın dışına yüzey kusurları uygulayın ve Sonlu Elemanlar Analizi'ni kullanarak soğuk haddeleme sırasında kırılma olasılığını tahmin edin.Tabloda listelenen koşullar altında.3, dış yüzeydeki kusurların yok edilme olasılığı yoktur.Yani yüzey kusurlarının 2,5 ila 40 µm derinliğinde herhangi bir tahribat meydana gelmemiştir.
Kritik yüzey kusurlarını tahmin etmek için, kusur derinliği 40 µm'den 5 µm'ye çıkarılarak soğuk haddeleme sırasındaki dış kırılmalar araştırıldı.Şek.Şekil 14, yüzey kusurları boyunca kırılmaları göstermektedir.Kırılma derinlik (55 µm), genişlik (2 µm) ve uzunluk (733 µm) koşullarında meydana gelir.Yayın dışındaki yüzey kusurunun kritik derinliğinin 55 μm olduğu ortaya çıktı.
Bilyeli dövme işlemi çatlak büyümesini bastırır ve yay yüzeyinden belirli bir derinlikte artık basınç gerilimi yaratarak yorulma ömrünü artırır;ancak yayın yüzey pürüzlülüğünü artırarak gerilim yoğunlaşmasına neden olur, dolayısıyla yayın yorulma direncini azaltır.Bu nedenle, bilyeli dövmenin neden olduğu yüzey pürüzlülüğündeki artışın neden olduğu yorulma ömründeki azalmayı telafi etmek için yüksek mukavemetli yaylar üretmek için ikincil bilyalı dövme teknolojisi kullanılır.İki aşamalı bilyalı dövme, yüzey pürüzlülüğünü, maksimum sıkıştırıcı artık gerilimi ve yüzey sıkıştırıcı artık gerilimini iyileştirebilir çünkü ikinci bilyalı dövme, ilk bilyalı dövmeden sonra gerçekleştirilir12,13,14.
Şek.Şekil 15 bilyeli püskürtme prosesinin analitik bir modelini göstermektedir.Uzatma hattının hedef yerel bölgesine atış patlatma için 25 atış topunun atıldığı elastik-plastik bir model oluşturuldu.Bilyeli püskürtme analiz modelinde, soğuk sarma sırasında deforme olan OT telinin yüzey kusurları başlangıç ​​kusurları olarak kullanıldı.Soğuk haddeleme işleminden kaynaklanan artık gerilimlerin kumlama işleminden önce temperlenerek giderilmesi.Atış küresinin aşağıdaki özellikleri kullanıldı: yoğunluk (ρ): 7800 kg/m3, elastik modül (E) – 210 GPa, Poisson oranı (υ): 0,3.Top ile malzeme arasındaki sürtünme katsayısı 0,1 olarak ayarlanmıştır.0,6 ve 0,3 mm çapındaki bilyeler, birinci ve ikinci dövme geçişlerinde aynı 30 m/s hızla püskürtüldü.Bilyeli püskürtme işleminden sonra (Şekil 13'te gösterilen diğer imalat işlemlerinin yanı sıra), yay içindeki yüzey kusurlarının derinliği, genişliği ve uzunluğu -6,79 ila 0,28 µm, -4,24 ila 1,22 µm ve -2,59 ila 1,69 arasında değişmiştir. µm, sırasıyla µm.Malzemenin yüzeyine dik olarak fırlatılan merminin plastik deformasyonu nedeniyle kusurun derinliği azalır, özellikle kusurun genişliği önemli ölçüde azalır.Görünüşe göre kusur, bilyalı dövmenin neden olduğu plastik deformasyon nedeniyle kapatılmıştır.
Isıyla büzüşme işlemi sırasında, soğuk büzülme ve düşük sıcaklıkta tavlamanın etkileri aynı anda motor supap yayı üzerinde etkili olabilir.Soğuk ayar, yayın oda sıcaklığında mümkün olan en yüksek seviyeye sıkıştırılarak gerilim seviyesini maksimuma çıkarır.Bu durumda motor supap yayı malzemenin akma dayanımının üzerinde yüklenirse motor supap yayı plastik olarak deforme olur ve akma dayanımı artar.Plastik deformasyondan sonra valf yayı esner, ancak artan akma mukavemeti gerçek çalışma sırasında valf yayının esnekliğini sağlar.Düşük sıcaklıkta tavlama, yüksek sıcaklıklarda çalışan valf yaylarının ısı ve deformasyon direncini artırır2.
FE analizinde bilyeli patlatma sırasında deforme olan yüzey kusurları ve X-ışını kırınımı (XRD) ekipmanıyla ölçülen artık gerilim alanı, ısıyla büzülme sırasında kusurlardaki değişikliği anlamak için alt model 2'ye (Şekil 8) uygulandı.Yay, elastik aralıkta çalışacak şekilde tasarlandı ve 50,5 mm'lik serbest yüksekliğinden 21,8 mm'lik sabit yüksekliğine kadar sıkıştırıldı ve ardından bir analiz koşulu olarak orijinal 50,5 mm yüksekliğine dönmesine izin verildi.Isıyla büzülme sırasında kusurun geometrisi önemsiz ölçüde değişir.Görünen o ki, kumlama ile oluşturulan 800 MPa ve üzeri artık basınç gerilimi, yüzey kusurlarının deformasyonunu bastırmaktadır.Isıyla büzülmeden sonra (Şekil 13), yüzey kusurlarının derinliği, genişliği ve uzunluğu sırasıyla -0,13 ila 0,08 µm, -0,75 ila 0 µm ve 0,01 ila 2,4 µm arasında değişmiştir.
Şek.Şekil 16, aynı derinlik (40 µm), genişlik (22 µm) ve uzunluktaki (600 µm) U şeklindeki ve V şeklindeki kusurların deformasyonlarını karşılaştırmaktadır.U ve V şeklindeki kusurların genişliğindeki değişim, soğuk haddeleme ve kumlama işlemi sırasında genişlik yönünde kapanmadan kaynaklanan uzunluktaki değişimden daha büyüktür.U-şeklindeki kusurlarla karşılaştırıldığında, V-şeklindeki kusurlar nispeten daha büyük bir derinlikte ve daha dik eğimlerle oluşmuştur; bu da V-şekilli kusurlar uygulanırken ihtiyatlı bir yaklaşımın alınabileceğini düşündürmektedir.
Bu bölümde, her bir valf yayı üretim prosesi için OT hattındaki ilk kusurun deformasyonu ele alınmaktadır.İlk OT tel hatası, yayın çalışması sırasındaki yüksek gerilimler nedeniyle arızanın beklendiği valf yayının iç kısmına uygulanır.OT tellerinin enine V şeklindeki yüzey kusurları, soğuk sarım sırasında bükülme nedeniyle derinlik ve uzunluk bakımından biraz arttı ve genişlikte keskin bir şekilde azaldı.Bilyeli dövme sırasında genişlik yönünde kapanma meydana gelir ve son ısıl sertleşme sırasında çok az veya hiç gözle görülür kusur deformasyonu olmaz.Soğuk haddeleme ve bilyalı dövme prosesinde plastik deformasyona bağlı olarak genişlik yönünde büyük deformasyon meydana gelir.Valf yayının içindeki V şeklindeki kusur, soğuk haddeleme işlemi sırasında genişlik kapanması nedeniyle T şeklinde bir kusura dönüşür.