310 स्टेनलेस स्टील कॉइल ट्यूब रासायनिक घटक, ऑटोमोटिव इंजन में वाल्व स्प्रिंग्स के थकान जीवन पर तेल-कठोर स्टील वायर में सतह दोष का प्रभाव

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स्टेनलेस स्टील 310 कुंडलित ट्यूब/कुंडलित ट्यूबिंगरासायनिक संरचनाऔर रचना

निम्न तालिका ग्रेड 310S स्टेनलेस स्टील की रासायनिक संरचना को दर्शाती है।

10*1मिमी 9.25*1.24 मिमी 310 स्टेनलेस स्टील केशिका कुंडलित ट्यूब आपूर्तिकर्ता

भौतिक गुण

ग्रेड 310S स्टेनलेस स्टील के भौतिक गुण निम्नलिखित तालिका में प्रदर्शित किए गए हैं।

यांत्रिक विशेषताएं

निम्न तालिका ग्रेड 310S स्टेनलेस स्टील के यांत्रिक गुणों की रूपरेखा प्रस्तुत करती है।

थर्मल विशेषताएं

ग्रेड 310S स्टेनलेस स्टील के थर्मल गुण निम्नलिखित तालिका में दिए गए हैं।

अन्य पदनाम

ग्रेड 310एस स्टेनलेस स्टील के समकक्ष अन्य पदनाम निम्नलिखित तालिका में सूचीबद्ध हैं।

इस अध्ययन का उद्देश्य 2.5 मिमी व्यास की गंभीर दोष गहराई के साथ 2300 एमपीए ग्रेड (ओटी तार) के तेल-कठोर तार पर सूक्ष्म दोष लागू करते समय एक ऑटोमोबाइल इंजन के वाल्व स्प्रिंग की थकान जीवन का मूल्यांकन करना है।सबसे पहले, वाल्व स्प्रिंग के निर्माण के दौरान ओटी तार की सतह के दोषों की विकृति को सबसिमुलेशन विधियों का उपयोग करके परिमित तत्व विश्लेषण द्वारा प्राप्त किया गया था, और तैयार स्प्रिंग के अवशिष्ट तनाव को मापा गया था और स्प्रिंग तनाव विश्लेषण मॉडल पर लागू किया गया था।दूसरा, वाल्व स्प्रिंग की ताकत का विश्लेषण करें, अवशिष्ट तनाव की जांच करें, और सतह की खामियों के साथ लागू तनाव के स्तर की तुलना करें।तीसरा, स्प्रिंग की थकान जीवन पर सूक्ष्म दोषों के प्रभाव का मूल्यांकन तार ओटी के रोटेशन के दौरान फ्लेक्सुरल थकान परीक्षण से प्राप्त एसएन वक्रों पर स्प्रिंग शक्ति विश्लेषण से प्राप्त सतह दोषों पर तनाव को लागू करके किया गया था।40 µm की दोष गहराई थकान जीवन से समझौता किए बिना सतह दोषों के प्रबंधन के लिए वर्तमान मानक है।
वाहनों की ईंधन दक्षता में सुधार के लिए ऑटोमोटिव उद्योग में हल्के ऑटोमोटिव घटकों की मजबूत मांग है।इस प्रकार, हाल के वर्षों में उन्नत उच्च शक्ति स्टील (एएचएसएस) का उपयोग बढ़ रहा है।ऑटोमोटिव इंजन वाल्व स्प्रिंग्स में मुख्य रूप से गर्मी प्रतिरोधी, पहनने के लिए प्रतिरोधी और गैर-सैगिंग तेल-कठोर स्टील तार (ओटी तार) होते हैं।
उनकी उच्च तन्यता ताकत (1900-2100 एमपीए) के कारण, वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले ओटी तार इंजन वाल्व स्प्रिंग्स के आकार और द्रव्यमान को कम करना, आसपास के हिस्सों के साथ घर्षण को कम करके ईंधन दक्षता में सुधार करना संभव बनाते हैं।इन फायदों के कारण, हाई-वोल्टेज वायर रॉड का उपयोग तेजी से बढ़ रहा है, और 2300MPa क्लास की अल्ट्रा-हाई-स्ट्रेंथ वायर रॉड एक के बाद एक सामने आती है।ऑटोमोटिव इंजनों में वाल्व स्प्रिंग्स को लंबे समय तक सेवा जीवन की आवश्यकता होती है क्योंकि वे उच्च चक्रीय भार के तहत काम करते हैं।इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए, निर्माता आमतौर पर वाल्व स्प्रिंग्स को डिजाइन करते समय थकान जीवन को 5.5×107 चक्र से अधिक मानते हैं और थकान जीवन को बेहतर बनाने के लिए शॉट पीनिंग और हीट सिकुड़न प्रक्रियाओं के माध्यम से वाल्व स्प्रिंग सतह पर अवशिष्ट तनाव लागू करते हैं।
सामान्य परिचालन स्थितियों के तहत वाहनों में हेलिकल स्प्रिंग्स के थकाऊ जीवन पर काफी अध्ययन हुए हैं।गज़ल एट अल.स्थैतिक भार के तहत छोटे हेलिक्स कोणों के साथ अण्डाकार हेलिकल स्प्रिंग्स का विश्लेषणात्मक, प्रयोगात्मक और परिमित तत्व (एफई) विश्लेषण प्रस्तुत किया गया है।यह अध्ययन अधिकतम कतरनी तनाव बनाम पहलू अनुपात और कठोरता सूचकांक के स्थान के लिए एक स्पष्ट और सरल अभिव्यक्ति प्रदान करता है, और अधिकतम कतरनी तनाव में विश्लेषणात्मक अंतर्दृष्टि भी प्रदान करता है, जो व्यावहारिक डिजाइन 3 में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है।पास्टोर्सिक एट अल.ऑपरेशन में विफलता के बाद एक निजी कार से निकाले गए हेलिकल स्प्रिंग के विनाश और थकान के विश्लेषण के परिणामों का वर्णन किया गया है।प्रायोगिक तरीकों का उपयोग करते हुए, एक टूटे हुए स्प्रिंग की जांच की गई और परिणाम बताते हैं कि यह संक्षारण थकान विफलता4 का एक उदाहरण है।छेद, आदि। ऑटोमोटिव हेलिकल स्प्रिंग्स के थकान जीवन का मूल्यांकन करने के लिए कई रैखिक प्रतिगमन स्प्रिंग जीवन मॉडल विकसित किए गए हैं।पुत्र और अन्य।सड़क की सतह की असमानता के कारण कार के हेलिकल स्प्रिंग का सेवा जीवन निर्धारित होता है।हालाँकि, इस पर बहुत कम शोध किया गया है कि विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान होने वाली सतह की खराबी ऑटोमोटिव कॉइल स्प्रिंग्स के जीवन को कैसे प्रभावित करती है।
विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान होने वाले सतह दोष वाल्व स्प्रिंग्स में स्थानीय तनाव एकाग्रता का कारण बन सकते हैं, जो उनके थकान जीवन को काफी कम कर देता है।वाल्व स्प्रिंग्स की सतह की खराबी विभिन्न कारकों के कारण होती है, जैसे उपयोग किए गए कच्चे माल की सतह की खराबी, औजारों में खराबी, कोल्ड रोलिंग के दौरान खराब हैंडलिंग7।गर्म रोलिंग और मल्टी-पास ड्राइंग के कारण कच्चे माल की सतह के दोष तेजी से वी-आकार के होते हैं, जबकि बनाने वाले उपकरण और लापरवाह हैंडलिंग के कारण होने वाले दोष हल्के ढलान 8,9,10,11 के साथ यू-आकार के होते हैं।वी-आकार के दोष यू-आकार के दोषों की तुलना में अधिक तनाव सांद्रता का कारण बनते हैं, इसलिए कड़े दोष प्रबंधन मानदंड आमतौर पर शुरुआती सामग्री पर लागू होते हैं।
ओटी तारों के लिए वर्तमान सतह दोष प्रबंधन मानकों में एएसटीएम ए877/ए877एम-10, डीआईएन एन 10270-2, जेआईएस जी 3561, और केएस डी 3580 शामिल हैं। डीआईएन एन 10270-2 निर्दिष्ट करता है कि तार व्यास पर सतह दोष की गहराई 0.5- है। 10 मिमी तार व्यास के 0.5-1% से कम है।इसके अलावा, जेआईएस जी 3561 और केएस डी 3580 के लिए आवश्यक है कि 0.5-8 मिमी व्यास वाले तार रॉड में सतह दोष की गहराई तार व्यास के 0.5% से कम हो।एएसटीएम ए877/ए877एम-10 में, निर्माता और खरीदार को सतह दोषों की स्वीकार्य गहराई पर सहमत होना होगा।किसी तार की सतह पर किसी दोष की गहराई को मापने के लिए, तार को आमतौर पर हाइड्रोक्लोरिक एसिड से खोदा जाता है, और फिर एक माइक्रोमीटर का उपयोग करके दोष की गहराई को मापा जाता है।हालाँकि, यह विधि केवल कुछ क्षेत्रों में दोषों को माप सकती है, न कि अंतिम उत्पाद की पूरी सतह पर।इसलिए, निर्माता लगातार उत्पादित तार में सतह दोषों को मापने के लिए तार खींचने की प्रक्रिया के दौरान एड़ी वर्तमान परीक्षण का उपयोग करते हैं;ये परीक्षण सतह दोषों की गहराई को 40 µm तक माप सकते हैं।विकास के तहत 2300MPa ग्रेड स्टील तार में मौजूदा 1900-2200MPa ग्रेड स्टील तार की तुलना में उच्च तन्यता ताकत और कम बढ़ाव है, इसलिए वाल्व स्प्रिंग थकान जीवन को सतह दोषों के प्रति बहुत संवेदनशील माना जाता है।इसलिए, स्टील वायर ग्रेड 1900-2200 एमपीए से स्टील वायर ग्रेड 2300 एमपीए के लिए सतह दोषों की गहराई को नियंत्रित करने के लिए मौजूदा मानकों को लागू करने की सुरक्षा की जांच करना आवश्यक है।
इस अध्ययन का उद्देश्य ऑटोमोटिव इंजन वाल्व स्प्रिंग के थकान जीवन का मूल्यांकन करना है जब एड़ी वर्तमान परीक्षण (यानी 40 माइक्रोन) द्वारा मापी जाने वाली न्यूनतम दोष गहराई 2300 एमपीए ग्रेड ओटी तार (व्यास: 2.5 मिमी) पर लागू होती है: गंभीर दोष गहराई ।इस अध्ययन का योगदान एवं कार्यप्रणाली इस प्रकार है।
ओटी तार में प्रारंभिक दोष के रूप में, एक वी-आकार का दोष इस्तेमाल किया गया था, जो तार अक्ष के सापेक्ष अनुप्रस्थ दिशा में, थकान जीवन को गंभीर रूप से प्रभावित करता है।किसी सतह दोष की गहराई (h), चौड़ाई (w), और लंबाई (l) के प्रभाव को देखने के लिए उसके आयामों (α) और लंबाई (β) के अनुपात पर विचार करें।सतह की खराबी स्प्रिंग के अंदर होती है, जहां विफलता सबसे पहले होती है।
ठंडी वाइंडिंग के दौरान ओटी तार में प्रारंभिक दोषों के विरूपण की भविष्यवाणी करने के लिए, एक उप-सिमुलेशन दृष्टिकोण का उपयोग किया गया था, जिसमें विश्लेषण समय और सतह दोषों के आकार को ध्यान में रखा गया था, क्योंकि ओटी तार की तुलना में दोष बहुत छोटे होते हैं।वैश्विक मॉडल.
दो-चरण शॉट पीनिंग के बाद स्प्रिंग में अवशिष्ट संपीड़न तनाव की गणना परिमित तत्व विधि द्वारा की गई थी, विश्लेषणात्मक मॉडल की पुष्टि करने के लिए परिणामों की तुलना शॉट पीनिंग के बाद माप के साथ की गई थी।इसके अलावा, सभी विनिर्माण प्रक्रियाओं से वाल्व स्प्रिंग्स में अवशिष्ट तनाव को मापा गया और स्प्रिंग ताकत विश्लेषण पर लागू किया गया।
सतह के दोषों में तनाव की भविष्यवाणी स्प्रिंग की ताकत का विश्लेषण करके, कोल्ड रोलिंग के दौरान दोष की विकृति और तैयार स्प्रिंग में अवशिष्ट संपीड़न तनाव को ध्यान में रखकर की जाती है।
घूर्णी झुकने की थकान का परीक्षण वाल्व स्प्रिंग के समान सामग्री से बने ओटी तार का उपयोग करके किया गया था।ओटी लाइनों के लिए निर्मित वाल्व स्प्रिंग्स के अवशिष्ट तनाव और सतह खुरदरापन विशेषताओं को सहसंबंधित करने के लिए, प्रीट्रीटमेंट प्रक्रियाओं के रूप में दो-चरण शॉट पीनिंग और टोरसन को लागू करने के बाद घूर्णन झुकने थकान परीक्षणों द्वारा एसएन वक्र प्राप्त किए गए थे।
स्प्रिंग शक्ति विश्लेषण के परिणामों को वाल्व स्प्रिंग थकान जीवन की भविष्यवाणी करने के लिए गुडमैन समीकरण और एसएन वक्र पर लागू किया जाता है, और थकान जीवन पर सतह दोष गहराई के प्रभाव का भी मूल्यांकन किया जाता है।
इस अध्ययन में, ऑटोमोटिव इंजन वाल्व स्प्रिंग के थकान जीवन का मूल्यांकन करने के लिए 2.5 मिमी व्यास वाले 2300 एमपीए ओटी ग्रेड तार का उपयोग किया गया था।सबसे पहले, तार का तन्य फ्रैक्चर मॉडल प्राप्त करने के लिए उसका तन्य परीक्षण किया गया।
ओटी तार के यांत्रिक गुणों को ठंडी घुमावदार प्रक्रिया और स्प्रिंग ताकत के परिमित तत्व विश्लेषण से पहले तन्य परीक्षणों से प्राप्त किया गया था।सामग्री का तनाव-खिंचाव वक्र 0.001 एस-1 की तनाव दर पर तन्य परीक्षणों के परिणामों का उपयोग करके निर्धारित किया गया था, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।1. SWONB-V तार का उपयोग किया जाता है, और इसकी उपज शक्ति, तन्य शक्ति, लोचदार मापांक और पॉइसन का अनुपात क्रमशः 2001.2MPa, 2316MPa, 206GPa और 0.3 है।प्रवाह तनाव पर तनाव की निर्भरता इस प्रकार प्राप्त की जाती है:
चावल।2 तन्य फ्रैक्चर प्रक्रिया को दर्शाता है।विरूपण के दौरान सामग्री इलास्टोप्लास्टिक विरूपण से गुजरती है, और जब सामग्री में तनाव अपनी तन्य शक्ति तक पहुँच जाता है तो सामग्री संकीर्ण हो जाती है।इसके बाद, सामग्री के भीतर रिक्तियों का निर्माण, विकास और जुड़ाव सामग्री के विनाश का कारण बनता है।
नमनीय फ्रैक्चर मॉडल एक तनाव-संशोधित महत्वपूर्ण विरूपण मॉडल का उपयोग करता है जो तनाव के प्रभाव को ध्यान में रखता है, और पोस्ट-नेकिंग फ्रैक्चर क्षति संचय विधि का उपयोग करता है।यहां, क्षति की शुरुआत को तनाव, तनाव त्रिअक्षीयता और तनाव दर के कार्य के रूप में व्यक्त किया गया है।तनाव त्रिअक्षीयता को प्रभावी तनाव द्वारा गर्दन के गठन तक सामग्री के विरूपण के कारण होने वाले हाइड्रोस्टेटिक तनाव को विभाजित करके प्राप्त औसत मूल्य के रूप में परिभाषित किया गया है।क्षति संचय विधि में, विनाश तब होता है जब क्षति मूल्य 1 तक पहुँच जाता है, और 1 के क्षति मूल्य तक पहुँचने के लिए आवश्यक ऊर्जा को विनाश ऊर्जा (जीएफ) के रूप में परिभाषित किया जाता है।फ्रैक्चर ऊर्जा नेकिंग से लेकर फ्रैक्चर समय तक सामग्री के वास्तविक तनाव-विस्थापन वक्र के क्षेत्र से मेल खाती है।
पारंपरिक स्टील्स के मामले में, तनाव मोड के आधार पर, तन्य फ्रैक्चर, कतरनी फ्रैक्चर, या मिश्रित मोड फ्रैक्चर लचीलापन और कतरनी फ्रैक्चर के कारण होता है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। फ्रैक्चर तनाव और तनाव त्रिअक्षीयता के लिए अलग-अलग मान दिखाए गए हैं फ्रैक्चर पैटर्न.
प्लास्टिक की विफलता 1/3 (ज़ोन I) से अधिक की तनाव त्रिअक्षीयता के अनुरूप क्षेत्र में होती है, और फ्रैक्चर तनाव और तनाव त्रिअक्षीयता सतह दोष और पायदान वाले नमूनों पर तन्य परीक्षणों से निकाली जा सकती है।0 ~ 1/3 (जोन II) की तनाव त्रिअक्षीयता के अनुरूप क्षेत्र में, तन्य फ्रैक्चर और कतरनी विफलता का एक संयोजन होता है (यानी एक मरोड़ परीक्षण के माध्यम से)। -1/3 से 0 तक तनाव त्रिअक्षीयता के अनुरूप क्षेत्र में (III), संपीड़न के कारण होने वाली कतरनी विफलता, और फ्रैक्चर तनाव और तनाव त्रिअक्षीयता को परेशान परीक्षण द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।
इंजन वाल्व स्प्रिंग्स के निर्माण में उपयोग किए जाने वाले ओटी तारों के लिए, विनिर्माण प्रक्रिया और अनुप्रयोग स्थितियों के दौरान विभिन्न लोडिंग स्थितियों के कारण होने वाले फ्रैक्चर को ध्यान में रखना आवश्यक है।इसलिए, विफलता तनाव मानदंड को लागू करने के लिए तन्यता और मरोड़ परीक्षण किए गए थे, प्रत्येक तनाव मोड पर तनाव त्रिअक्षीयता के प्रभाव पर विचार किया गया था, और तनाव त्रिअक्षीयता में परिवर्तन की मात्रा निर्धारित करने के लिए बड़े उपभेदों पर इलास्टोप्लास्टिक परिमित तत्व विश्लेषण किया गया था।नमूना प्रसंस्करण की सीमा के कारण संपीड़न मोड पर विचार नहीं किया गया था, अर्थात्, ओटी तार का व्यास केवल 2.5 मिमी है।तालिका 1 में परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करके प्राप्त तन्यता और मरोड़ के साथ-साथ तनाव त्रिअक्षीयता और फ्रैक्चर तनाव के लिए परीक्षण स्थितियों को सूचीबद्ध किया गया है।
तनाव के तहत पारंपरिक त्रिअक्षीय स्टील्स के फ्रैक्चर तनाव का अनुमान निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके लगाया जा सकता है।
जहां C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) क्लीन कट (η = 0) और C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) एकअक्षीय तनाव (η = η0 = 1/3).
प्रत्येक तनाव मोड के लिए प्रवृत्ति रेखाएँ समीकरण में फ्रैक्चर स्ट्रेन मान C1 और C2 को लागू करके प्राप्त की जाती हैं।(2);C1 और C2 सतह दोषों के बिना नमूनों पर तन्यता और मरोड़ परीक्षणों से प्राप्त किए जाते हैं।चित्र 4 परीक्षणों से प्राप्त तनाव त्रिअक्षीयता और फ्रैक्चर तनाव और समीकरण द्वारा अनुमानित प्रवृत्ति रेखाओं को दर्शाता है।(2) परीक्षण से प्राप्त प्रवृत्ति रेखा और तनाव त्रिअक्षीयता और फ्रैक्चर तनाव के बीच संबंध एक समान प्रवृत्ति दिखाते हैं।प्रवृत्ति रेखाओं के अनुप्रयोग से प्राप्त प्रत्येक तनाव मोड के लिए फ्रैक्चर तनाव और तनाव त्रिअक्षीयता का उपयोग नमनीय फ्रैक्चर के मानदंड के रूप में किया गया था।
ब्रेक ऊर्जा का उपयोग गर्दन काटने के बाद टूटने का समय निर्धारित करने के लिए एक भौतिक संपत्ति के रूप में किया जाता है और इसे तन्य परीक्षणों से प्राप्त किया जा सकता है।फ्रैक्चर ऊर्जा सामग्री की सतह पर दरारों की उपस्थिति या अनुपस्थिति पर निर्भर करती है, क्योंकि फ्रैक्चर का समय स्थानीय तनाव की एकाग्रता पर निर्भर करता है।चित्र 5a-c सतह दोषों के बिना नमूनों की फ्रैक्चर ऊर्जा और तन्य परीक्षण और परिमित तत्व विश्लेषण से R0.4 या R0.8 पायदान वाले नमूने दिखाते हैं।फ्रैक्चर ऊर्जा गर्दन काटने से लेकर फ्रैक्चर समय तक वास्तविक तनाव-विस्थापन वक्र के क्षेत्र से मेल खाती है।
ठीक सतह दोष वाले ओटी तार की फ्रैक्चर ऊर्जा की भविष्यवाणी 40 µm से अधिक दोष गहराई वाले ओटी तार पर तन्य परीक्षण करके की गई थी, जैसा कि चित्र 5डी में दिखाया गया है।तन्यता परीक्षणों में दोष वाले दस नमूनों का उपयोग किया गया था और औसत फ्रैक्चर ऊर्जा 29.12 एमजे/मिमी2 अनुमानित की गई थी।
ऑटोमोटिव वाल्व स्प्रिंग्स के निर्माण में उपयोग किए जाने वाले ओटी तार की सतह दोष ज्यामिति की परवाह किए बिना, मानकीकृत सतह दोष को दोष की गहराई और वाल्व स्प्रिंग तार के व्यास के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।ओटी तार दोषों को अभिविन्यास, ज्यामिति और लंबाई के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है।समान दोष गहराई के साथ भी, स्प्रिंग में सतह दोष पर कार्य करने वाले तनाव का स्तर दोष की ज्यामिति और अभिविन्यास के आधार पर भिन्न होता है, इसलिए दोष की ज्यामिति और अभिविन्यास थकान शक्ति को प्रभावित कर सकता है।इसलिए, सतह दोषों के प्रबंधन के लिए कड़े मानदंड लागू करने के लिए दोषों की ज्यामिति और अभिविन्यास को ध्यान में रखना आवश्यक है जो स्प्रिंग के थकान जीवन पर सबसे अधिक प्रभाव डालते हैं।ओटी तार की महीन दाने वाली संरचना के कारण, इसका थकान जीवन खुजली के प्रति बहुत संवेदनशील होता है।इसलिए, दोष की ज्यामिति और अभिविन्यास के अनुसार उच्चतम तनाव एकाग्रता प्रदर्शित करने वाले दोष को परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करके प्रारंभिक दोष के रूप में स्थापित किया जाना चाहिए।अंजीर पर.6 इस अध्ययन में उपयोग किए गए अल्ट्रा-हाई स्ट्रेंथ 2300 एमपीए क्लास ऑटोमोटिव वाल्व स्प्रिंग्स को दर्शाता है।
ओटी तार के सतही दोषों को स्प्रिंग अक्ष के अनुसार आंतरिक दोषों और बाहरी दोषों में विभाजित किया गया है।कोल्ड रोलिंग के दौरान झुकने के कारण, संपीड़ित तनाव और तन्य तनाव क्रमशः स्प्रिंग के अंदर और बाहर पर कार्य करते हैं।फ्रैक्चर सतह के दोषों के कारण हो सकता है जो कोल्ड रोलिंग के दौरान तन्य तनाव के कारण बाहर से दिखाई देते हैं।
व्यवहार में, स्प्रिंग को समय-समय पर संपीड़न और विश्राम के अधीन किया जाता है।स्प्रिंग के संपीड़न के दौरान, स्टील का तार मुड़ जाता है, और तनाव की सांद्रता के कारण, स्प्रिंग के अंदर का कतरनी तनाव आसपास के कतरनी तनाव7 से अधिक होता है।इसलिए, यदि स्प्रिंग के अंदर सतह दोष हैं, तो स्प्रिंग के टूटने की संभावना सबसे अधिक है।इस प्रकार, स्प्रिंग का बाहरी भाग (वह स्थान जहां स्प्रिंग के निर्माण के दौरान विफलता की उम्मीद है) और आंतरिक भाग (जहां वास्तविक अनुप्रयोग में तनाव सबसे अधिक है) को सतह दोष के स्थानों के रूप में सेट किया गया है।
ओटी लाइनों की सतह दोष ज्यामिति को यू-आकार, वी-आकार, वाई-आकार और टी-आकार में विभाजित किया गया है।वाई-प्रकार और टी-प्रकार मुख्य रूप से कच्चे माल की सतह के दोषों में मौजूद होते हैं, और यू-प्रकार और वी-प्रकार के दोष कोल्ड रोलिंग प्रक्रिया में उपकरणों की लापरवाही से निपटने के कारण होते हैं।कच्चे माल में सतह दोषों की ज्यामिति के संबंध में, गर्म रोलिंग के दौरान गैर-समान प्लास्टिक विरूपण से उत्पन्न होने वाले यू-आकार के दोष मल्टी-पास स्ट्रेचिंग8, 10 के तहत वी-आकार, वाई-आकार और टी-आकार के सीम दोषों में विकृत हो जाते हैं।
इसके अलावा, सतह पर पायदान के तीव्र झुकाव के साथ वी-आकार, वाई-आकार और टी-आकार के दोष वसंत के संचालन के दौरान उच्च तनाव एकाग्रता के अधीन होंगे।वाल्व स्प्रिंग्स कोल्ड रोलिंग के दौरान मुड़ जाते हैं और ऑपरेशन के दौरान मुड़ जाते हैं।उच्च तनाव सांद्रता वाले वी-आकार और वाई-आकार के दोषों की तनाव सांद्रता की तुलना परिमित तत्व विश्लेषण, एबीएक्यूयूएस - वाणिज्यिक परिमित तत्व विश्लेषण सॉफ्टवेयर का उपयोग करके की गई थी।तनाव-तनाव संबंध चित्र 1 और समीकरण 1 में दिखाया गया है। (1) यह सिमुलेशन एक द्वि-आयामी (2डी) आयताकार चार-नोड तत्व का उपयोग करता है, और न्यूनतम तत्व पक्ष की लंबाई 0.01 मिमी है।विश्लेषणात्मक मॉडल के लिए, 0.5 मिमी की गहराई और 2° के दोष ढलान के साथ वी-आकार और वाई-आकार के दोषों को 2.5 मिमी के व्यास और 7.5 मिमी की लंबाई के साथ तार के 2डी मॉडल पर लागू किया गया था।
अंजीर पर.7ए प्रत्येक दोष की नोक पर झुकने वाले तनाव की सांद्रता को दर्शाता है जब प्रत्येक तार के दोनों सिरों पर 1500 एनएम का झुकने वाला क्षण लगाया जाता है।विश्लेषण के नतीजे बताते हैं कि 1038.7 और 1025.8 एमपीए का अधिकतम तनाव क्रमशः वी-आकार और वाई-आकार के दोषों के शीर्ष पर होता है।अंजीर पर.7बी मरोड़ के कारण होने वाले प्रत्येक दोष के शीर्ष पर तनाव एकाग्रता को दर्शाता है।जब बाईं ओर बाधित होता है और दाईं ओर 1500 N∙mm का टॉर्क लगाया जाता है, तो V-आकार और Y-आकार के दोषों की युक्तियों पर 1099 MPa का समान अधिकतम तनाव होता है।इन परिणामों से पता चलता है कि वी-प्रकार के दोष वाई-प्रकार के दोषों की तुलना में अधिक झुकने वाले तनाव को प्रदर्शित करते हैं, जब उनमें दोष की गहराई और ढलान समान होती है, लेकिन वे समान मरोड़ वाले तनाव का अनुभव करते हैं।इसलिए, समान गहराई और दोष ढलान के साथ वी-आकार और वाई-आकार की सतह के दोषों को तनाव एकाग्रता के कारण उच्च अधिकतम तनाव के साथ वी-आकार वाले लोगों के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है।वी-प्रकार दोष आकार अनुपात को वी-प्रकार और टी-प्रकार दोषों की गहराई (एच) और चौड़ाई (डब्ल्यू) का उपयोग करके α = w/h के रूप में परिभाषित किया गया है;इस प्रकार, एक टी-प्रकार दोष (α ≈ 0) इसके बजाय, ज्यामिति को वी-प्रकार दोष की ज्यामितीय संरचना द्वारा परिभाषित किया जा सकता है।इसलिए, वाई-प्रकार और टी-प्रकार के दोषों को वी-प्रकार के दोषों द्वारा सामान्यीकृत किया जा सकता है।गहराई (एच) और लंबाई (एल) का उपयोग करते हुए, लंबाई अनुपात को अन्यथा β = एल/एच के रूप में परिभाषित किया गया है।
जैसा कि चित्र 811 में दिखाया गया है, ओटी तारों के सतह दोषों की दिशाओं को अनुदैर्ध्य, अनुप्रस्थ और तिरछी दिशाओं में विभाजित किया गया है, जैसा कि चित्र 811 में दिखाया गया है। परिमित तत्व द्वारा स्प्रिंग की ताकत पर सतह दोषों के अभिविन्यास के प्रभाव का विश्लेषण तरीका।
अंजीर पर.9ए इंजन वाल्व स्प्रिंग तनाव विश्लेषण मॉडल दिखाता है।एक विश्लेषण स्थिति के रूप में, स्प्रिंग को 50.5 मिमी की मुक्त ऊंचाई से 21.8 मिमी की कठोर ऊंचाई तक संपीड़ित किया गया था, स्प्रिंग के अंदर 1086 एमपीए का अधिकतम तनाव उत्पन्न हुआ था, जैसा कि चित्र 9 बी में दिखाया गया है।चूंकि वास्तविक इंजन वाल्व स्प्रिंग्स की विफलता मुख्य रूप से स्प्रिंग के भीतर होती है, इसलिए आंतरिक सतह दोषों की उपस्थिति से स्प्रिंग के थकान जीवन को गंभीर रूप से प्रभावित होने की उम्मीद है।इसलिए, अनुदैर्ध्य, अनुप्रस्थ और तिरछी दिशाओं में सतह दोषों को उप-मॉडलिंग तकनीकों का उपयोग करके इंजन वाल्व स्प्रिंग्स के अंदर लागू किया जाता है।तालिका 2 सतह दोषों के आयाम और अधिकतम स्प्रिंग संपीड़न पर दोष की प्रत्येक दिशा में अधिकतम तनाव दिखाती है।सबसे अधिक तनाव अनुप्रस्थ दिशा में देखा गया, और अनुदैर्ध्य और तिरछी दिशाओं में अनुप्रस्थ दिशा में तनाव का अनुपात 0.934–0.996 अनुमानित किया गया था।इस मान को अधिकतम अनुप्रस्थ तनाव से विभाजित करके तनाव अनुपात निर्धारित किया जा सकता है।स्प्रिंग में अधिकतम तनाव प्रत्येक सतह दोष के शीर्ष पर होता है, जैसा कि चित्र 9s में दिखाया गया है।अनुदैर्ध्य, अनुप्रस्थ और तिरछी दिशाओं में देखे गए तनाव मान क्रमशः 2045, 2085 और 2049 एमपीए हैं।इन विश्लेषणों के नतीजे बताते हैं कि अनुप्रस्थ सतह दोषों का इंजन वाल्व स्प्रिंग्स के थकान जीवन पर सबसे सीधा प्रभाव पड़ता है।
एक वी-आकार का दोष, जो इंजन वाल्व स्प्रिंग की थकान जीवन को सबसे सीधे प्रभावित करता है, को ओटी तार के प्रारंभिक दोष के रूप में चुना गया था, और अनुप्रस्थ दिशा को दोष की दिशा के रूप में चुना गया था।यह दोष न केवल बाहर होता है, जहां निर्माण के दौरान इंजन वाल्व स्प्रिंग टूट जाता है, बल्कि अंदर भी होता है, जहां ऑपरेशन के दौरान तनाव एकाग्रता के कारण सबसे बड़ा तनाव होता है।अधिकतम दोष गहराई 40 µm पर सेट की गई है, जिसे एड़ी वर्तमान दोष का पता लगाने से पता लगाया जा सकता है, और न्यूनतम गहराई 2.5 मिमी तार व्यास के 0.1% के अनुरूप गहराई पर सेट की गई है।इसलिए, दोष की गहराई 2.5 से 40 µm तक है।0.1~1 की लंबाई अनुपात और 5~15 की लंबाई अनुपात के साथ दोषों की गहराई, लंबाई और चौड़ाई को चर के रूप में उपयोग किया गया था, और वसंत की थकान शक्ति पर उनके प्रभाव का मूल्यांकन किया गया था।तालिका 3 प्रतिक्रिया सतह पद्धति का उपयोग करके निर्धारित विश्लेषणात्मक स्थितियों को सूचीबद्ध करती है।
ऑटोमोटिव इंजन वाल्व स्प्रिंग्स का निर्माण ओटी तार की कोल्ड वाइंडिंग, टेम्परिंग, शॉट ब्लास्टिंग और हीट सेटिंग द्वारा किया जाता है।इंजन वाल्व स्प्रिंग्स के थकान जीवन पर ओटी तारों में प्रारंभिक सतह दोषों के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए स्प्रिंग निर्माण के दौरान सतह दोषों में परिवर्तन को ध्यान में रखा जाना चाहिए।इसलिए, इस खंड में, प्रत्येक स्प्रिंग के निर्माण के दौरान ओटी तार की सतह के दोषों के विरूपण की भविष्यवाणी करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग किया जाता है।
अंजीर पर.10 ठंडी घुमावदार प्रक्रिया को दर्शाता है।इस प्रक्रिया के दौरान, ओटी तार को फीड रोलर द्वारा वायर गाइड में डाला जाता है।तार गाइड निर्माण प्रक्रिया के दौरान झुकने से रोकने के लिए तार को पोषण और समर्थन देता है।वायर गाइड से गुजरने वाले तार को वांछित आंतरिक व्यास के साथ एक कॉइल स्प्रिंग बनाने के लिए पहली और दूसरी छड़ से मोड़ा जाता है।एक चक्कर के बाद स्टेपिंग टूल को घुमाकर स्प्रिंग पिच का निर्माण किया जाता है।
अंजीर पर.11ए एक परिमित तत्व मॉडल दिखाता है जिसका उपयोग कोल्ड रोलिंग के दौरान सतह दोषों की ज्यामिति में परिवर्तन का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है।तार का निर्माण मुख्यतः वाइंडिंग पिन द्वारा पूरा किया जाता है।चूँकि तार की सतह पर ऑक्साइड परत स्नेहक के रूप में कार्य करती है, फ़ीड रोलर का घर्षण प्रभाव नगण्य होता है।इसलिए, गणना मॉडल में, फ़ीड रोलर और वायर गाइड को बुशिंग के रूप में सरल बनाया गया है।ओटी तार और बनाने वाले उपकरण के बीच घर्षण का गुणांक 0.05 पर सेट किया गया था।2डी कठोर बॉडी प्लेन और फिक्सेशन की स्थिति को लाइन के बाएं छोर पर लागू किया जाता है ताकि इसे फीड रोलर (0.6 मीटर/सेकेंड) के समान गति से एक्स दिशा में फीड किया जा सके।अंजीर पर.11बी तारों में छोटे दोष लागू करने के लिए उपयोग की जाने वाली उप-सिमुलेशन विधि दिखाता है।सतह दोषों के आकार को ध्यान में रखने के लिए, उपमॉडल को 20 µm या अधिक की गहराई वाले सतह दोषों के लिए दो बार और 20 µm से कम गहराई वाले सतह दोषों के लिए तीन बार लागू किया जाता है।सतह दोषों को समान चरणों के साथ गठित क्षेत्रों पर लागू किया जाता है।स्प्रिंग के समग्र मॉडल में, तार के सीधे टुकड़े की लंबाई 100 मिमी है।पहले सबमॉडल के लिए, सबमॉडल 1 को 3 मिमी की लंबाई के साथ वैश्विक मॉडल से 75 मिमी की अनुदैर्ध्य स्थिति में लागू करें।इस सिमुलेशन में त्रि-आयामी (3डी) हेक्सागोनल आठ-नोड तत्व का उपयोग किया गया।वैश्विक मॉडल और सबमॉडल 1 में, प्रत्येक तत्व की न्यूनतम पार्श्व लंबाई क्रमशः 0.5 और 0.2 मिमी है।उप-मॉडल 1 के विश्लेषण के बाद, सतह दोषों को उप-मॉडल 2 पर लागू किया जाता है, और उप-मॉडल सीमा स्थितियों के प्रभाव को खत्म करने के लिए उप-मॉडल 2 की लंबाई और चौड़ाई सतह दोष की लंबाई से 3 गुना है। इसके अलावा, लंबाई और चौड़ाई का 50% उप-मॉडल की गहराई के रूप में उपयोग किया जाता है।उप-मॉडल 2 में, प्रत्येक तत्व की न्यूनतम पार्श्व लंबाई 0.005 मिमी है।जैसा कि तालिका 3 में दिखाया गया है, कुछ सतह दोषों को परिमित तत्व विश्लेषण पर लागू किया गया था।
अंजीर पर.12 कुंडली की ठंडी कार्यप्रणाली के बाद सतह की दरारों में तनाव के वितरण को दर्शाता है।सामान्य मॉडल और सबमॉडल 1 एक ही स्थान पर 1076 और 1079 एमपीए के लगभग समान तनाव दिखाते हैं, जो सबमॉडलिंग विधि की शुद्धता की पुष्टि करता है।स्थानीय तनाव सांद्रता सबमॉडल के सीमा किनारों पर होती है।जाहिर है, यह सबमॉडल की सीमा स्थितियों के कारण है।तनाव एकाग्रता के कारण, लागू सतह दोषों के साथ उप-मॉडल 2 कोल्ड रोलिंग के दौरान दोष की नोक पर 2449 एमपीए का तनाव दिखाता है।जैसा कि तालिका 3 में दिखाया गया है, प्रतिक्रिया सतह विधि द्वारा पहचाने गए सतह दोषों को स्प्रिंग के अंदर लागू किया गया था।परिमित तत्व विश्लेषण के परिणामों से पता चला कि सतह दोष के 13 मामलों में से कोई भी विफल नहीं हुआ।
सभी तकनीकी प्रक्रियाओं में घुमावदार प्रक्रिया के दौरान, स्प्रिंग के अंदर सतह दोषों की गहराई 0.1-2.62 µm (छवि 13 ए) बढ़ गई, और चौड़ाई 1.8-35.79 µm (छवि 13 बी) कम हो गई, जबकि लंबाई 0.72 बढ़ गई -34.47 µm (चित्र 13सी)।चूंकि अनुप्रस्थ वी-आकार का दोष कोल्ड रोलिंग प्रक्रिया के दौरान झुककर चौड़ाई में बंद हो जाता है, इसलिए यह मूल दोष की तुलना में तेज ढलान के साथ वी-आकार के दोष में विकृत हो जाता है।
विनिर्माण प्रक्रिया में ओटी वायर की सतह की गहराई, चौड़ाई और लंबाई में विकृति।
स्प्रिंग के बाहरी सतह पर दोष लागू करें और परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करके कोल्ड रोलिंग के दौरान टूटने की संभावना का अनुमान लगाएं।तालिका में सूचीबद्ध शर्तों के तहत.3, बाहरी सतह में दोषों के नष्ट होने की कोई संभावना नहीं है।दूसरे शब्दों में, 2.5 से 40 µm तक सतह दोष की गहराई पर कोई विनाश नहीं हुआ।
गंभीर सतह दोषों की भविष्यवाणी करने के लिए, कोल्ड रोलिंग के दौरान बाहरी फ्रैक्चर की जांच दोष की गहराई को 40 µm से बढ़ाकर 5 µm तक की गई।अंजीर पर.14 सतह दोषों के साथ फ्रैक्चर दिखाता है।फ्रैक्चर गहराई (55 µm), चौड़ाई (2 µm), और लंबाई (733 µm) की स्थितियों में होता है।स्प्रिंग के बाहर सतह दोष की गंभीर गहराई 55 μm निकली।
शॉट पीनिंग प्रक्रिया दरार की वृद्धि को दबा देती है और स्प्रिंग सतह से एक निश्चित गहराई पर अवशिष्ट संपीड़न तनाव पैदा करके थकान जीवन को बढ़ा देती है;हालाँकि, यह स्प्रिंग की सतह के खुरदरेपन को बढ़ाकर तनाव एकाग्रता को प्रेरित करता है, जिससे स्प्रिंग की थकान प्रतिरोध कम हो जाता है।इसलिए, शॉट पीनिंग के कारण सतह की खुरदरापन में वृद्धि के कारण थकान जीवन में कमी की भरपाई के लिए उच्च शक्ति स्प्रिंग्स का उत्पादन करने के लिए माध्यमिक शॉट पीनिंग तकनीक का उपयोग किया जाता है।दो-चरणीय शॉट पीनिंग से सतह की खुरदरापन, अधिकतम संपीड़ित अवशिष्ट तनाव और सतह संपीड़ित अवशिष्ट तनाव में सुधार हो सकता है क्योंकि दूसरा शॉट पीनिंग पहले शॉट पीनिंग12,13,14 के बाद किया जाता है।
अंजीर पर.15 शॉट ब्लास्टिंग प्रक्रिया का एक विश्लेषणात्मक मॉडल दिखाता है।एक इलास्टिक-प्लास्टिक मॉडल बनाया गया जिसमें शॉट ब्लास्टिंग के लिए 25 शॉटबॉल को ओटी लाइन के लक्षित स्थानीय क्षेत्र में गिराया गया।शॉट ब्लास्टिंग विश्लेषण मॉडल में, ठंडी वाइंडिंग के दौरान विकृत ओटी तार की सतह के दोषों को प्रारंभिक दोषों के रूप में उपयोग किया गया था।शॉट ब्लास्टिंग प्रक्रिया से पहले टेम्परिंग द्वारा कोल्ड रोलिंग प्रक्रिया से उत्पन्न होने वाले अवशिष्ट तनाव को हटाना।शॉट गोले के निम्नलिखित गुणों का उपयोग किया गया: घनत्व (ρ): 7800 किग्रा/एम3, लोचदार मापांक (ई) - 210 जीपीए, पॉइसन का अनुपात (υ): 0.3।गेंद और सामग्री के बीच घर्षण का गुणांक 0.1 पर सेट है।पहले और दूसरे फोर्जिंग पास के दौरान 0.6 और 0.3 मिमी के व्यास वाले शॉट्स को 30 मीटर/सेकेंड की समान गति से निकाला गया।शॉट ब्लास्टिंग प्रक्रिया के बाद (चित्र 13 में दर्शाई गई अन्य विनिर्माण प्रक्रियाओं के बीच), स्प्रिंग के भीतर सतह दोषों की गहराई, चौड़ाई और लंबाई -6.79 से 0.28 µm, -4.24 से 1.22 µm, और -2 .59 से 1.69 तक थी। µm, क्रमशः µm.सामग्री की सतह पर लंबवत प्रक्षेपित प्रक्षेप्य के प्लास्टिक विरूपण के कारण, दोष की गहराई कम हो जाती है, विशेष रूप से, दोष की चौड़ाई काफी कम हो जाती है।जाहिरा तौर पर, शॉट पीनिंग के कारण प्लास्टिक विरूपण के कारण दोष बंद हो गया था।
गर्मी सिकुड़न प्रक्रिया के दौरान, ठंड सिकुड़न और कम तापमान एनीलिंग के प्रभाव एक ही समय में इंजन वाल्व स्प्रिंग पर कार्य कर सकते हैं।एक ठंडी सेटिंग स्प्रिंग को कमरे के तापमान पर उसके उच्चतम संभव स्तर तक संपीड़ित करके उसके तनाव स्तर को अधिकतम कर देती है।इस मामले में, यदि इंजन वाल्व स्प्रिंग को सामग्री की उपज शक्ति से ऊपर लोड किया जाता है, तो इंजन वाल्व स्प्रिंग प्लास्टिक रूप से विकृत हो जाता है, जिससे उपज शक्ति बढ़ जाती है।प्लास्टिक विरूपण के बाद, वाल्व स्प्रिंग मुड़ जाता है, लेकिन बढ़ी हुई उपज शक्ति वास्तविक संचालन में वाल्व स्प्रिंग की लोच प्रदान करती है।कम तापमान एनीलिंग उच्च तापमान पर संचालित वाल्व स्प्रिंग्स की गर्मी और विरूपण प्रतिरोध में सुधार करता है2।
एफई विश्लेषण में शॉट ब्लास्टिंग के दौरान विकृत सतह दोष और एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) उपकरण के साथ मापा गया अवशिष्ट तनाव क्षेत्र को गर्मी संकोचन के दौरान दोषों में परिवर्तन का अनुमान लगाने के लिए उप-मॉडल 2 (छवि 8) पर लागू किया गया था।स्प्रिंग को लोचदार रेंज में संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था और इसे 50.5 मिमी की मुक्त ऊंचाई से 21.8 मिमी की इसकी दृढ़ ऊंचाई तक संपीड़ित किया गया था और फिर विश्लेषण स्थिति के रूप में 50.5 मिमी की अपनी मूल ऊंचाई पर लौटने की अनुमति दी गई थी।ताप संकोचन के दौरान, दोष की ज्यामिति नगण्य रूप से बदल जाती है।जाहिरा तौर पर, शॉट ब्लास्टिंग द्वारा निर्मित 800 एमपीए और उससे अधिक का अवशिष्ट संपीड़न तनाव, सतह दोषों की विकृति को दबा देता है।ताप संकोचन (चित्र 13) के बाद, सतह दोषों की गहराई, चौड़ाई और लंबाई क्रमशः -0.13 से 0.08 µm, -0.75 से 0 µm, और 0.01 से 2.4 µm तक भिन्न होती है।
अंजीर पर.16 समान गहराई (40 µm), चौड़ाई (22 µm) और लंबाई (600 µm) के यू-आकार और वी-आकार के दोषों की विकृतियों की तुलना करता है।यू-आकार और वी-आकार के दोषों की चौड़ाई में परिवर्तन लंबाई में परिवर्तन से बड़ा होता है, जो कोल्ड रोलिंग और शॉट ब्लास्टिंग प्रक्रिया के दौरान चौड़ाई दिशा में बंद होने के कारण होता है।यू-आकार के दोषों की तुलना में, वी-आकार के दोष अपेक्षाकृत अधिक गहराई पर और तीव्र ढलानों के साथ बनते हैं, जिससे पता चलता है कि वी-आकार के दोषों को लागू करते समय एक रूढ़िवादी दृष्टिकोण अपनाया जा सकता है।
यह अनुभाग प्रत्येक वाल्व स्प्रिंग निर्माण प्रक्रिया के लिए ओटी लाइन में प्रारंभिक दोष की विकृति पर चर्चा करता है।प्रारंभिक ओटी तार दोष वाल्व स्प्रिंग के अंदर लागू होता है जहां स्प्रिंग के संचालन के दौरान उच्च तनाव के कारण विफलता की उम्मीद होती है।ओटी तारों की अनुप्रस्थ वी-आकार की सतह की खराबी गहराई और लंबाई में थोड़ी बढ़ गई और ठंडी वाइंडिंग के दौरान झुकने के कारण चौड़ाई में तेजी से कमी आई।अंतिम ताप सेटिंग के दौरान शॉट पीनिंग के दौरान चौड़ाई की दिशा में समापन होता है, जिसमें बहुत कम या कोई ध्यान देने योग्य दोष विरूपण नहीं होता है।कोल्ड रोलिंग और शॉट पीनिंग की प्रक्रिया में प्लास्टिक विरूपण के कारण चौड़ाई की दिशा में बड़ा विरूपण होता है।कोल्ड रोलिंग प्रक्रिया के दौरान चौड़ाई बंद होने के कारण वाल्व स्प्रिंग के अंदर वी-आकार का दोष टी-आकार के दोष में बदल जाता है।