Composant chimique du tube de bobine en acier inoxydable 310, effet des défauts de surface du fil d'acier trempé à l'huile sur la durée de vie en fatigue des ressorts de soupape dans les moteurs automobiles

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Tubes enroulés en acier inoxydable 310/tubes enroulésComposition chimiqueet composition

Le tableau suivant montre la composition chimique de l'acier inoxydable de nuance 310S.

Fournisseurs de tubes enroulés capillaires en acier inoxydable 310, 10*1mm 9.25*1.24mm

Propriétés physiques

Les propriétés physiques de l'acier inoxydable de nuance 310S sont présentées dans le tableau suivant.

Propriétés mécaniques

Le tableau suivant présente les propriétés mécaniques de l'acier inoxydable de nuance 310S.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques de l'acier inoxydable de nuance 310S sont indiquées dans le tableau suivant.

Autres désignations

D'autres désignations équivalentes à l'acier inoxydable de nuance 310S sont répertoriées dans le tableau suivant.

Le but de cette étude est d'évaluer la durée de vie d'un ressort de soupape d'un moteur automobile lors de l'application de microdéfauts à un fil trempé à l'huile de qualité 2300 MPa (fil OT) avec une profondeur de défaut critique de 2,5 mm de diamètre.Premièrement, la déformation des défauts de surface du fil OT lors de la fabrication du ressort de soupape a été obtenue par analyse par éléments finis à l'aide de méthodes de sous-simulation, et la contrainte résiduelle du ressort fini a été mesurée et appliquée au modèle d'analyse de la contrainte du ressort.Deuxièmement, analysez la résistance du ressort de soupape, vérifiez la contrainte résiduelle et comparez le niveau de contrainte appliquée avec les imperfections de surface.Troisièmement, l'effet des microdéfauts sur la durée de vie du ressort a été évalué en appliquant la contrainte sur les défauts de surface obtenue à partir de l'analyse de la résistance du ressort aux courbes SN obtenues à partir de l'essai de fatigue par flexion lors de la rotation du fil OT.Une profondeur de défaut de 40 µm est la norme actuelle pour gérer les défauts de surface sans compromettre la durée de vie en fatigue.
L’industrie automobile a une forte demande de composants automobiles légers pour améliorer le rendement énergétique des véhicules.Ainsi, l’utilisation d’aciers avancés à haute résistance (AHSS) a augmenté ces dernières années.Les ressorts de soupape de moteur automobile sont principalement constitués de fils d'acier trempés à l'huile (fils OT) résistants à la chaleur, à l'usure et sans affaissement.
En raison de leur haute résistance à la traction (1900-2100 MPa), les fils OT actuellement utilisés permettent de réduire la taille et la masse des ressorts de soupapes du moteur, d'améliorer le rendement énergétique en réduisant la friction avec les pièces environnantes1.En raison de ces avantages, l'utilisation de fil machine à haute tension augmente rapidement et le fil machine à ultra haute résistance de classe 2300MPa apparaît l'un après l'autre.Les ressorts de soupape des moteurs automobiles nécessitent une longue durée de vie car ils fonctionnent sous des charges cycliques élevées.Pour répondre à cette exigence, les fabricants considèrent généralement une durée de vie en fatigue supérieure à 5,5 × 107 cycles lors de la conception des ressorts de soupape et appliquent une contrainte résiduelle à la surface du ressort de soupape par le biais de processus de grenaillage et de thermorétraction pour améliorer la durée de vie en fatigue2.
De nombreuses études ont été réalisées sur la durée de vie des ressorts hélicoïdaux dans les véhicules dans des conditions normales de fonctionnement.Gzal et coll.Des analyses analytiques, expérimentales et par éléments finis (EF) de ressorts hélicoïdaux elliptiques avec de petits angles d'hélice sous charge statique sont présentées.Cette étude fournit une expression explicite et simple de l'emplacement de la contrainte de cisaillement maximale par rapport au rapport d'aspect et à l'indice de rigidité, et fournit également un aperçu analytique de la contrainte de cisaillement maximale, un paramètre critique dans les conceptions pratiques3.Pastorcic et coll.Les résultats de l'analyse de la destruction et de la fatigue d'un ressort hélicoïdal retiré d'une voiture particulière après une panne de fonctionnement sont décrits.À l’aide de méthodes expérimentales, un ressort brisé a été examiné et les résultats suggèrent qu’il s’agit d’un exemple de rupture par fatigue-corrosion4.trou, etc. Plusieurs modèles de durée de vie des ressorts à régression linéaire ont été développés pour évaluer la durée de vie en fatigue des ressorts hélicoïdaux automobiles.Putra et autres.En raison des irrégularités de la chaussée, la durée de vie du ressort hélicoïdal de la voiture est déterminée.Cependant, peu de recherches ont été menées sur la manière dont les défauts de surface qui surviennent au cours du processus de fabrication affectent la durée de vie des ressorts hélicoïdaux automobiles.
Les défauts de surface qui surviennent au cours du processus de fabrication peuvent entraîner une concentration locale de contraintes dans les ressorts de soupape, ce qui réduit considérablement leur durée de vie en fatigue.Les défauts de surface des ressorts de soupape sont causés par divers facteurs, tels que des défauts de surface des matières premières utilisées, des défauts d'outils, une manipulation brutale lors du laminage à froid7.Les défauts de surface de la matière première sont fortement en forme de V en raison du laminage à chaud et de l'étirage multi-passes, tandis que les défauts provoqués par l'outil de formage et une manipulation imprudente sont en forme de U avec des pentes douces8,9,10,11.Les défauts en forme de V provoquent des concentrations de contraintes plus élevées que les défauts en forme de U, c'est pourquoi des critères stricts de gestion des défauts sont généralement appliqués au matériau de départ.
Les normes actuelles de gestion des défauts de surface pour les fils OT incluent ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 et KS D 3580. DIN EN 10270-2 spécifie que la profondeur d'un défaut de surface sur des diamètres de fil de 0,5 à 10 mm représente moins de 0,5 à 1 % du diamètre du fil.De plus, les normes JIS G 3561 et KS D 3580 exigent que la profondeur des défauts de surface du fil machine d'un diamètre de 0,5 à 8 mm soit inférieure à 0,5 % du diamètre du fil.Selon ASTM A877/A877M-10, le fabricant et l'acheteur doivent se mettre d'accord sur la profondeur admissible des défauts de surface.Pour mesurer la profondeur d'un défaut à la surface d'un fil, le fil est généralement gravé avec de l'acide chlorhydrique, puis la profondeur du défaut est mesurée à l'aide d'un micromètre.Cependant, cette méthode ne permet de mesurer les défauts que dans certaines zones et non sur toute la surface du produit final.Par conséquent, les fabricants utilisent des tests par courants de Foucault pendant le processus de tréfilage pour mesurer les défauts de surface des fils produits en continu ;ces tests peuvent mesurer la profondeur des défauts de surface jusqu'à 40 µm.Le fil d'acier de qualité 2300MPa en cours de développement a une résistance à la traction plus élevée et un allongement inférieur à celui du fil d'acier de qualité 1900-2200MPa existant, de sorte que la durée de vie en fatigue du ressort de soupape est considérée comme très sensible aux défauts de surface.Par conséquent, il est nécessaire de vérifier la sécurité de l'application des normes existantes pour contrôler la profondeur des défauts de surface du fil d'acier de qualité 1900-2200 MPa au fil d'acier de qualité 2300 MPa.
Le but de cette étude est d'évaluer la tenue en fatigue d'un ressort de soupape de moteur automobile lorsque la profondeur minimale du défaut mesurable par essai par courants de Foucault (soit 40 µm) est appliquée à un fil OT de qualité 2300 MPa (diamètre : 2,5 mm) : défaut critique profondeur .L’apport et la méthodologie de cette étude sont les suivants.
Comme défaut initial du fil OT, un défaut en forme de V a été utilisé, ce qui affecte sérieusement la durée de vie en fatigue, dans la direction transversale par rapport à l'axe du fil.Considérez le rapport entre les dimensions (α) et la longueur (β) d'un défaut de surface pour voir l'effet de sa profondeur (h), de sa largeur (w) et de sa longueur (l).Les défauts de surface se produisent à l’intérieur du ressort, là où la défaillance se produit en premier.
Pour prédire la déformation des défauts initiaux du fil OT lors du bobinage à froid, une approche de sous-simulation a été utilisée, qui prend en compte le temps d'analyse et la taille des défauts de surface, car les défauts sont très petits par rapport au fil OT.modèle global.
Les contraintes de compression résiduelles dans le ressort après grenaillage en deux étapes ont été calculées par la méthode des éléments finis, les résultats ont été comparés aux mesures après grenaillage pour confirmer le modèle analytique.De plus, les contraintes résiduelles dans les ressorts de soupape provenant de tous les processus de fabrication ont été mesurées et appliquées à l'analyse de la résistance des ressorts.
Les contraintes dans les défauts de surface sont prédites en analysant la résistance du ressort, en tenant compte de la déformation du défaut lors du laminage à froid et de la contrainte de compression résiduelle dans le ressort fini.
L'essai de fatigue en flexion rotationnelle a été réalisé à l'aide d'un fil OT fabriqué dans le même matériau que le ressort de soupape.Afin de corréler les caractéristiques de contrainte résiduelle et de rugosité de surface des ressorts de soupape fabriqués avec les lignes OT, les courbes SN ont été obtenues par des essais de fatigue par flexion rotative après application de grenaillage et de torsion en deux étapes comme processus de prétraitement.
Les résultats de l'analyse de la résistance des ressorts sont appliqués à l'équation de Goodman et à la courbe SN pour prédire la durée de vie en fatigue des ressorts de soupape, et l'effet de la profondeur des défauts de surface sur la durée de vie en fatigue est également évalué.
Dans cette étude, un fil de qualité OT de 2 300 MPa et d'un diamètre de 2,5 mm a été utilisé pour évaluer la durée de vie en fatigue d'un ressort de soupape de moteur automobile.Dans un premier temps, un essai de traction du fil a été réalisé pour obtenir son modèle de rupture ductile.
Les propriétés mécaniques du fil OT ont été obtenues à partir d'essais de traction préalables à une analyse par éléments finis du processus d'enroulement à froid et de la résistance du ressort.La courbe contrainte-déformation du matériau a été déterminée à l'aide des résultats d'essais de traction à une vitesse de déformation de 0,001 s-1, comme le montre la fig.1. Le fil SWONB-V est utilisé et sa limite d'élasticité, sa résistance à la traction, son module élastique et son coefficient de Poisson sont respectivement de 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa et 0,3.La dépendance de la contrainte sur la déformation d'écoulement est obtenue comme suit :
Riz.La figure 2 illustre le processus de fracture ductile.Le matériau subit une déformation élastoplastique pendant la déformation et le matériau se rétrécit lorsque la contrainte dans le matériau atteint sa résistance à la traction.Par la suite, la création, la croissance et l’association de vides au sein du matériau conduisent à la destruction du matériau.
Le modèle de fracture ductile utilise un modèle de déformation critique modifié par la contrainte qui prend en compte l'effet de la contrainte, et la fracture après striction utilise la méthode d'accumulation des dommages.Ici, l’initiation des dommages est exprimée en fonction de la déformation, de la triaxialité des contraintes et de la vitesse de déformation.La triaxialité des contraintes est définie comme la valeur moyenne obtenue en divisant la contrainte hydrostatique provoquée par la déformation du matériau jusqu'à la formation du col par la contrainte effective.Dans la méthode d’accumulation de dégâts, la destruction se produit lorsque la valeur de dommage atteint 1, et l’énergie nécessaire pour atteindre la valeur de dommage de 1 est définie comme l’énergie de destruction (Gf).L'énergie de rupture correspond à la région de la véritable courbe contrainte-déplacement du matériau depuis la striction jusqu'au temps de rupture.
Dans le cas des aciers conventionnels, en fonction du mode de contrainte, une rupture ductile, une rupture par cisaillement ou une rupture en mode mixte se produit en raison de la ductilité et de la rupture par cisaillement, comme le montre la figure 3. La déformation à la rupture et la triaxialité des contraintes ont montré des valeurs différentes pour le modèle de fracture.
La rupture plastique se produit dans une région correspondant à une triaxialité de contrainte supérieure à 1/3 (zone I), et la déformation à la rupture et la triaxialité de contrainte peuvent être déduites d'essais de traction sur des éprouvettes présentant des défauts de surface et des entailles.Dans la zone correspondant à la triaxialité des contraintes de 0 ~ 1/3 (zone II), une combinaison de rupture ductile et de rupture par cisaillement se produit (c'est-à-dire via un essai de torsion. Dans la zone correspondant à la triaxialité des contraintes de -1/3 à 0 (III), la rupture par cisaillement provoquée par la compression, ainsi que la triaxialité de la déformation et de la contrainte de rupture peuvent être obtenues par un test de bouleversement.
Pour les fils OT utilisés dans la fabrication des ressorts de soupapes de moteur, il est nécessaire de prendre en compte les fractures provoquées par diverses conditions de charge au cours du processus de fabrication et des conditions d'application.Par conséquent, des tests de traction et de torsion ont été effectués pour appliquer le critère de déformation de rupture, l'effet de la triaxialité des contraintes sur chaque mode de contrainte a été pris en compte et une analyse par éléments finis élastoplastiques à grandes déformations a été réalisée pour quantifier le changement de triaxialité des contraintes.Le mode de compression n'a pas été pris en compte en raison de la limitation du traitement de l'échantillon, à savoir le diamètre du fil OT n'est que de 2,5 mm.Le tableau 1 répertorie les conditions d'essai de traction et de torsion, ainsi que la triaxialité des contraintes et la déformation à la rupture, obtenues à l'aide de l'analyse par éléments finis.
La déformation à la rupture des aciers triaxiaux conventionnels sous contrainte peut être prédite à l'aide de l'équation suivante.
où C1 : \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) coupe nette (η = 0) et C2 : \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tension uniaxiale (η = η0 = 1/3).
Les lignes de tendance pour chaque mode de contrainte sont obtenues en appliquant les valeurs de déformation à la rupture C1 et C2 dans l'équation.(2);C1 et C2 sont obtenus à partir d'essais de traction et de torsion sur des échantillons sans défauts de surface.La figure 4 montre la triaxialité des contraintes et la déformation à la rupture obtenues à partir des tests et les lignes de tendance prédites par l'équation.(2) La ligne de tendance obtenue à partir du test et la relation entre la triaxialité des contraintes et la déformation à la rupture montrent une tendance similaire.La déformation à la rupture et la triaxialité des contraintes pour chaque mode de contrainte, obtenues à partir de l'application de lignes de tendance, ont été utilisées comme critères de rupture ductile.
L'énergie de rupture est utilisée comme propriété du matériau pour déterminer le temps de rupture après striction et peut être obtenue à partir d'essais de traction.L'énergie de rupture dépend de la présence ou de l'absence de fissures à la surface du matériau, puisque le temps de rupture dépend de la concentration des contraintes locales.Les figures 5a-c montrent les énergies de rupture d'échantillons sans défauts de surface et d'échantillons avec des encoches R0,4 ou R0,8 issus d'essais de traction et d'analyses par éléments finis.L'énergie de rupture correspond à l'aire de la véritable courbe contrainte-déplacement depuis la striction jusqu'au temps de fracture.
L'énergie de rupture d'un fil OT présentant de fins défauts de surface a été prédite en effectuant des tests de traction sur un fil OT présentant une profondeur de défaut supérieure à 40 µm, comme le montre la figure 5d.Dix éprouvettes présentant des défauts ont été utilisées dans les essais de traction et l'énergie de rupture moyenne a été estimée à 29,12 mJ/mm2.
Le défaut de surface normalisé est défini comme le rapport entre la profondeur du défaut et le diamètre du fil du ressort de soupape, quelle que soit la géométrie du défaut de surface du fil OT utilisé dans la fabrication des ressorts de soupape automobile.Les défauts des fils OT peuvent être classés en fonction de l'orientation, de la géométrie et de la longueur.Même avec la même profondeur de défaut, le niveau de contrainte agissant sur un défaut de surface dans un ressort varie en fonction de la géométrie et de l'orientation du défaut, de sorte que la géométrie et l'orientation du défaut peuvent affecter la résistance à la fatigue.Il est donc nécessaire de prendre en compte la géométrie et l’orientation des défauts qui ont le plus grand impact sur la tenue en fatigue d’un ressort afin d’appliquer des critères stricts de gestion des défauts de surface.En raison de la structure à grains fins du fil OT, sa durée de vie en fatigue est très sensible aux entailles.Par conséquent, le défaut qui présente la concentration de contraintes la plus élevée en fonction de la géométrie et de l’orientation du défaut doit être établi comme défaut initial à l’aide de l’analyse par éléments finis.Sur la fig.La figure 6 montre les ressorts de soupape automobile à ultra haute résistance de classe 2 300 MPa utilisés dans cette étude.
Les défauts de surface du fil OT sont divisés en défauts internes et défauts externes selon l'axe du ressort.En raison de la flexion lors du laminage à froid, les contraintes de compression et de traction agissent respectivement sur l'intérieur et l'extérieur du ressort.La rupture peut être provoquée par des défauts de surface apparaissant de l’extérieur en raison des contraintes de traction lors du laminage à froid.
En pratique, le ressort est soumis à une compression et une relaxation périodiques.Lors de la compression du ressort, le fil d'acier se tord et, en raison de la concentration des contraintes, la contrainte de cisaillement à l'intérieur du ressort est supérieure à la contrainte de cisaillement environnante7.Par conséquent, s’il y a des défauts de surface à l’intérieur du ressort, la probabilité que le ressort se brise est la plus grande.Ainsi, le côté extérieur du ressort (l'endroit où une défaillance est attendue lors de la fabrication du ressort) et le côté intérieur (où la contrainte est la plus élevée dans l'application réelle) sont définis comme les emplacements des défauts de surface.
La géométrie des défauts de surface des lignes OT est divisée en forme de U, en forme de V, en forme de Y et en forme de T.Les défauts de type Y et T existent principalement dans les défauts de surface des matières premières, et les défauts de type U et V se produisent en raison d'une manipulation imprudente des outils lors du processus de laminage à froid.En ce qui concerne la géométrie des défauts de surface des matières premières, les défauts en forme de U résultant d'une déformation plastique non uniforme lors du laminage à chaud sont déformés en défauts de couture en forme de V, en forme de Y et en forme de T sous étirement multi-passes8, 10.
De plus, les défauts en forme de V, en forme de Y et en forme de T avec de fortes inclinaisons de l'encoche sur la surface seront soumis à une forte concentration de contraintes lors du fonctionnement du ressort.Les ressorts de soupape se plient lors du laminage à froid et se tordent pendant le fonctionnement.Les concentrations de contraintes des défauts en forme de V et en forme de Y avec des concentrations de contraintes plus élevées ont été comparées à l'aide de l'analyse par éléments finis, ABAQUS – logiciel commercial d'analyse par éléments finis.La relation contrainte-déformation est illustrée à la figure 1 et à l'équation 1. (1) Cette simulation utilise un élément rectangulaire bidimensionnel (2D) à quatre nœuds et la longueur minimale du côté de l'élément est de 0,01 mm.Pour le modèle analytique, des défauts en forme de V et en forme de Y d'une profondeur de 0,5 mm et d'une pente du défaut de 2° ont été appliqués à un modèle 2D d'un fil d'un diamètre de 2,5 mm et d'une longueur de 7,5 mm.
Sur la fig.La figure 7a montre la concentration des contraintes de flexion à l'extrémité de chaque défaut lorsqu'un moment de flexion de 1 500 Nmm est appliqué aux deux extrémités de chaque fil.Les résultats de l'analyse montrent que les contraintes maximales de 1 038,7 et 1 025,8 MPa se produisent respectivement au sommet des défauts en forme de V et en forme de Y.Sur la fig.La figure 7b montre la concentration des contraintes au sommet de chaque défaut provoquée par la torsion.Lorsque le côté gauche est contraint et qu'un couple de 1 500 N∙mm est appliqué au côté droit, la même contrainte maximale de 1 099 MPa se produit aux extrémités des défauts en forme de V et en forme de Y.Ces résultats montrent que les défauts de type V présentent une contrainte de flexion plus élevée que les défauts de type Y lorsqu'ils ont la même profondeur et la même pente du défaut, mais qu'ils subissent la même contrainte de torsion.Par conséquent, les défauts de surface en forme de V et en forme de Y avec la même profondeur et la même pente du défaut peuvent être normalisés en ceux en forme de V avec une contrainte maximale plus élevée causée par la concentration des contraintes.Le rapport de taille des défauts de type V est défini comme α = w/h en utilisant la profondeur (h) et la largeur (w) des défauts de type V et de type T ;ainsi, un défaut de type T (α ≈ 0), la géométrie peut être définie par la structure géométrique d'un défaut de type V.Par conséquent, les défauts de type Y et T peuvent être normalisés par des défauts de type V.En utilisant la profondeur (h) et la longueur (l), le rapport de longueur est autrement défini comme β = l/h.
Comme le montre la figure 811, les directions des défauts de surface des fils OT sont divisées en directions longitudinales, transversales et obliques, comme le montre la figure 811. Analyse de l'influence de l'orientation des défauts de surface sur la résistance du ressort par l'élément fini méthode.
Sur la fig.La figure 9a montre le modèle d'analyse de la contrainte du ressort de soupape du moteur.Comme condition d'analyse, le ressort a été comprimé d'une hauteur libre de 50, 5 mm à une hauteur dure de 21, 8 mm. Une contrainte maximale de 1 086 MPa a été générée à l'intérieur du ressort, comme le montre la figure 9b.Étant donné que la défaillance des ressorts de soupapes du moteur se produit principalement à l'intérieur du ressort, la présence de défauts de surface internes devrait sérieusement affecter la durée de vie du ressort.Par conséquent, les défauts de surface dans les directions longitudinale, transversale et oblique sont appliqués à l’intérieur des ressorts de soupape du moteur à l’aide de techniques de sous-modélisation.Le tableau 2 montre les dimensions des défauts de surface et la contrainte maximale dans chaque direction du défaut à la compression maximale du ressort.Les contraintes les plus élevées ont été observées dans la direction transversale et le rapport des contraintes dans les directions longitudinale et oblique par rapport à la direction transversale a été estimé entre 0,934 et 0,996.Le rapport de contrainte peut être déterminé en divisant simplement cette valeur par la contrainte transversale maximale.La contrainte maximale dans le ressort se produit au sommet de chaque défaut de surface, comme le montre la figure 9s.Les valeurs de contrainte observées dans les directions longitudinale, transversale et oblique sont respectivement de 2045, 2085 et 2049 MPa.Les résultats de ces analyses montrent que les défauts de surface transversale ont l'effet le plus direct sur la durée de vie en fatigue des ressorts de soupapes moteur.
Un défaut en forme de V, censé affecter le plus directement la durée de vie en fatigue du ressort de soupape du moteur, a été choisi comme défaut initial du fil OT, et la direction transversale a été choisie comme direction du défaut.Ce défaut se produit non seulement à l'extérieur, où le ressort de soupape du moteur s'est cassé lors de la fabrication, mais également à l'intérieur, où les contraintes les plus importantes se produisent en raison de la concentration des contraintes pendant le fonctionnement.La profondeur maximale des défauts est fixée à 40 µm, qui peut être détectée par détection de défauts par courants de Foucault, et la profondeur minimale est fixée à une profondeur correspondant à 0,1 % du diamètre du fil de 2,5 mm.La profondeur du défaut est donc comprise entre 2,5 et 40 µm.La profondeur, la longueur et la largeur des défauts avec un rapport de longueur de 0,1 à 1 et un rapport de longueur de 5 à 15 ont été utilisées comme variables et leur effet sur la résistance à la fatigue du ressort a été évalué.Le tableau 3 répertorie les conditions analytiques déterminées à l’aide de la méthodologie des surfaces de réponse.
Les ressorts de soupape de moteur automobile sont fabriqués par enroulement à froid, revenu, grenaillage et réglage thermique du fil OT.Les modifications des défauts de surface lors de la fabrication des ressorts doivent être prises en compte pour évaluer l'effet des défauts de surface initiaux des fils OT sur la durée de vie en fatigue des ressorts de soupapes du moteur.Par conséquent, dans cette section, l’analyse par éléments finis est utilisée pour prédire la déformation des défauts de surface du fil OT lors de la fabrication de chaque ressort.
Sur la fig.10 montre le processus de bobinage à froid.Au cours de ce processus, le fil OT est introduit dans le guide-fil par le rouleau d'alimentation.Le guide-fil alimente et soutient le fil pour éviter toute flexion pendant le processus de formage.Le fil passant à travers le guide-fil est plié par les première et seconde tiges pour former un ressort hélicoïdal ayant le diamètre intérieur souhaité.Le pas du ressort est produit en déplaçant l'outil pas à pas après un tour.
Sur la fig.La figure 11a montre un modèle éléments finis utilisé pour évaluer l'évolution de la géométrie des défauts de surface lors du laminage à froid.La formation du fil est principalement réalisée par la broche d'enroulement.Étant donné que la couche d'oxyde à la surface du fil agit comme un lubrifiant, l'effet de friction du rouleau d'alimentation est négligeable.Par conséquent, dans le modèle de calcul, le rouleau d'alimentation et le guide-fil sont simplifiés sous la forme d'une douille.Le coefficient de frottement entre le fil OT et l'outil de formage a été fixé à 0,05.Le plan du corps rigide 2D et les conditions de fixation sont appliqués à l'extrémité gauche de la ligne afin qu'elle puisse être alimentée dans la direction X à la même vitesse que le rouleau d'alimentation (0,6 m/s).Sur la fig.La figure 11b montre la méthode de sous-simulation utilisée pour appliquer de petits défauts aux fils.Pour prendre en compte la taille des défauts de surface, le sous-modèle est appliqué deux fois pour les défauts de surface d'une profondeur de 20 µm ou plus et trois fois pour les défauts de surface d'une profondeur inférieure à 20 µm.Les défauts de surface sont appliqués aux zones formées avec des étapes égales.Dans le modèle global du ressort, la longueur du morceau de fil droit est de 100 mm.Pour le premier sous-modèle, appliquez le sous-modèle 1 d'une longueur de 3 mm à une position longitudinale de 75 mm du modèle global.Cette simulation a utilisé un élément hexagonal tridimensionnel (3D) à huit nœuds.Dans le modèle global et le sous-modèle 1, la longueur latérale minimale de chaque élément est respectivement de 0,5 et 0,2 mm.Après analyse du sous-modèle 1, les défauts de surface sont appliqués au sous-modèle 2, et la longueur et la largeur du sous-modèle 2 sont 3 fois la longueur du défaut de surface pour éliminer l'influence des conditions aux limites du sous-modèle, dans De plus, 50 % de la longueur et de la largeur sont utilisés comme profondeur du sous-modèle.Dans le sous-modèle 2, la longueur minimale du côté de chaque élément est de 0,005 mm.Certains défauts de surface ont été appliqués à l'analyse par éléments finis, comme indiqué dans le tableau 3.
Sur la fig.La figure 12 montre la répartition des contraintes dans les fissures superficielles après écrouissage d'une bobine.Le modèle général et le sous-modèle 1 montrent quasiment les mêmes contraintes de 1076 et 1079 MPa au même endroit, ce qui confirme l'exactitude de la méthode de sous-modélisation.Des concentrations de contraintes locales se produisent aux limites du sous-modèle.Apparemment, cela est dû aux conditions aux limites du sous-modèle.En raison de la concentration des contraintes, le sous-modèle 2 avec défauts de surface appliqués montre une contrainte de 2449 MPa à la pointe du défaut lors du laminage à froid.Comme le montre le tableau 3, les défauts de surface identifiés par la méthode des surfaces de réponse ont été appliqués à l'intérieur du ressort.Les résultats de l’analyse par éléments finis ont montré qu’aucun des 13 cas de défauts de surface n’a échoué.
Au cours du processus d'enroulement, dans tous les processus technologiques, la profondeur des défauts de surface à l'intérieur du ressort a augmenté de 0,1 à 2,62 µm (Fig. 13a) et la largeur a diminué de 1,8 à 35,79 µm (Fig. 13b), tandis que la longueur a augmenté de 0,72. –34,47 µm (Fig. 13c).Étant donné que le défaut transversal en forme de V est fermé en largeur par flexion pendant le processus de laminage à froid, il est déformé en un défaut en forme de V avec une pente plus raide que le défaut d'origine.
Déformation en profondeur, largeur et longueur des défauts de surface du fil OT dans le processus de fabrication.
Appliquez des défauts de surface à l'extérieur du ressort et prédisez la probabilité de rupture lors du laminage à froid à l'aide de l'analyse par éléments finis.Dans les conditions énumérées dans le tableau.3, il n'y a aucune probabilité de destruction des défauts de la surface extérieure.En d’autres termes, aucune destruction ne s’est produite à la profondeur des défauts de surface allant de 2,5 à 40 µm.
Pour prédire les défauts de surface critiques, les fractures externes lors du laminage à froid ont été étudiées en augmentant la profondeur du défaut de 40 µm à 5 µm.Sur la fig.14 montre des fractures le long de défauts de surface.La fracture se produit dans des conditions de profondeur (55 µm), de largeur (2 µm) et de longueur (733 µm).La profondeur critique d’un défaut de surface à l’extérieur du ressort s’est avérée être de 55 µm.
Le processus de grenaillage supprime la croissance des fissures et augmente la durée de vie en fatigue en créant une contrainte de compression résiduelle à une certaine profondeur à partir de la surface du ressort ;cependant, cela induit une concentration des contraintes en augmentant la rugosité de la surface du ressort, réduisant ainsi la résistance à la fatigue du ressort.Par conséquent, la technologie de grenaillage secondaire est utilisée pour produire des ressorts à haute résistance afin de compenser la réduction de la durée de vie causée par l'augmentation de la rugosité de surface provoquée par le grenaillage de précontrainte.Le grenaillage en deux étapes peut améliorer la rugosité de la surface, la contrainte résiduelle de compression maximale et la contrainte résiduelle de compression de surface, car le deuxième grenaillage est effectué après le premier grenaillage de précontrainte12,13,14.
Sur la fig.15 montre un modèle analytique du processus de grenaillage.Un modèle élastique-plastique a été créé dans lequel 25 balles de tir ont été larguées dans la zone locale cible de la ligne OT pour le grenaillage.Dans le modèle d'analyse de grenaillage, les défauts de surface du fil OT déformés lors du bobinage à froid ont été utilisés comme défauts initiaux.Élimination des contraintes résiduelles résultant du processus de laminage à froid par revenu avant le processus de grenaillage.Les propriétés suivantes de la sphère de tir ont été utilisées : densité (ρ) : 7800 kg/m3, module d'élasticité (E) – 210 GPa, coefficient de Poisson (υ) : 0,3.Le coefficient de frottement entre la bille et le matériau est fixé à 0,1.Des projectiles d'un diamètre de 0,6 et 0,3 mm ont été éjectés à la même vitesse de 30 m/s lors des première et deuxième passes de forgeage.Après le processus de grenaillage (parmi d'autres processus de fabrication illustrés à la figure 13), la profondeur, la largeur et la longueur des défauts de surface à l'intérieur du ressort variaient de -6,79 à 0,28 µm, de -4,24 à 1,22 µm et de -2,59 à 1,69. µm, respectivement µm.Du fait de la déformation plastique du projectile éjecté perpendiculairement à la surface du matériau, la profondeur du défaut diminue, notamment, la largeur du défaut est considérablement réduite.Apparemment, le défaut a été comblé en raison d'une déformation plastique provoquée par le grenaillage.
Pendant le processus de rétraction thermique, les effets du retrait à froid et du recuit à basse température peuvent agir simultanément sur le ressort de soupape du moteur.Un réglage à froid maximise le niveau de tension du ressort en le comprimant à son niveau le plus élevé possible à température ambiante.Dans ce cas, si le ressort de soupape du moteur est chargé au-dessus de la limite d'élasticité du matériau, le ressort de soupape du moteur se déforme plastiquement, augmentant ainsi la limite d'élasticité.Après une déformation plastique, le ressort de soupape fléchit, mais la limite d'élasticité accrue assure l'élasticité du ressort de soupape en fonctionnement réel.Le recuit à basse température améliore la résistance à la chaleur et à la déformation des ressorts de soupape fonctionnant à des températures élevées2.
Les défauts de surface déformés lors du grenaillage lors de l'analyse FE et le champ de contraintes résiduelles mesuré avec un équipement de diffraction des rayons X (DRX) ont été appliqués au sous-modèle 2 (Fig. 8) pour déduire la modification des défauts lors du retrait thermique.Le ressort a été conçu pour fonctionner dans la plage élastique et a été comprimé de sa hauteur libre de 50,5 mm à sa hauteur ferme de 21,8 mm, puis laissé revenir à sa hauteur d'origine de 50,5 mm comme condition d'analyse.Lors du retrait thermique, la géométrie du défaut change de manière insignifiante.Apparemment, la contrainte de compression résiduelle de 800 MPa et plus, créée par le grenaillage, supprime la déformation des défauts de surface.Après retrait thermique (Fig. 13), la profondeur, la largeur et la longueur des défauts de surface variaient respectivement de -0,13 à 0,08 µm, de -0,75 à 0 µm et de 0,01 à 2,4 µm.
Sur la fig.La figure 16 compare les déformations de défauts en forme de U et en forme de V de même profondeur (40 µm), largeur (22 µm) et longueur (600 µm).Le changement de largeur des défauts en forme de U et en forme de V est plus important que le changement de longueur, qui est provoqué par la fermeture dans le sens de la largeur pendant le processus de laminage à froid et de grenaillage.Comparés aux défauts en forme de U, les défauts en forme de V se sont formés à une profondeur relativement plus grande et avec des pentes plus raides, ce qui suggère qu'une approche conservatrice peut être adoptée lors de l'application de défauts en forme de V.
Cette section traite de la déformation du défaut initial dans la ligne OT pour chaque processus de fabrication de ressorts de soupape.Le défaut initial du fil OT est appliqué à l’intérieur du ressort de soupape, là où une défaillance est attendue en raison des contraintes élevées lors du fonctionnement du ressort.Les défauts de surface transversaux en forme de V des fils OT ont légèrement augmenté en profondeur et en longueur et ont fortement diminué en largeur en raison de la flexion lors du bobinage à froid.La fermeture dans le sens de la largeur se produit lors du grenaillage avec peu ou pas de déformation de défaut notable lors de la prise thermique finale.Lors du processus de laminage à froid et de grenaillage, il se produit une déformation importante dans le sens de la largeur en raison de la déformation plastique.Le défaut en forme de V à l'intérieur du ressort de soupape se transforme en défaut en forme de T en raison de la fermeture de la largeur pendant le processus de laminage à froid.