Nghiên cứu nâng cao sự hiểu biết và đưa ra một phương pháp thực tế để đánh giá hiệu suất của vòng bi được cacbon hóa vỏ.
Độ sâu vỏ được cacbon hóa tối ưu cho hiệu suất vòng bi SKF
Để tăng cường khả năng chống mài mòn và khả năng chịu tải, bề mặt tiếp xúc làm việc của vòng bi phải trải qua quá trình xử lý nhiệt cụ thể. Tùy thuộc vào các yếu tố như kích thước vòng bi và loại thép được sử dụng, các bộ phận có thể trải qua quá trình làm cứng hoặc làm cứng bề mặt. Quá trình làm cứng phù hợp với thép có hàm lượng cacbon cao, trong khi thép có hàm lượng cacbon thấp (< 0,25% cacbon) yêu cầu làm cứng vỏ, đạt được thông qua các quá trình như cacbon hóa. Làm cứng cảm ứng bề mặt là một phương pháp được sử dụng rộng rãi khác đối với thép cacbon trung bình.
Quá trình cacbon hóa liên quan đến việc khuếch tán nguồn carbon vào thép có hàm lượng carbon thấp ở nhiệt độ cao, tạo thành một lớp bề mặt cứng được gọi là “vỏ” khi tôi nguội. Khả năng chịu tải của vòng bi được làm cứng bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố như độ sâu của vỏ cứng và độ bền của lõi. Các nhà sản xuất vòng bi phải lựa chọn cẩn thận các loại thép và đảm bảo độ sâu vỏ thích hợp cho các ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, độ sâu vỏ quá mức không chỉ làm tăng chi phí sản xuất không cần thiết mà còn có thể dẫn đến khả năng nứt trong quá trình đông cứng và các tác dụng không mong muốn như quá trình oxy hóa giữa các hạt và hạt to [1].
Nghiền lõi [2, 3], một dạng hư hỏng trong ổ trục được làm cứng bề mặt, phát sinh do độ sâu vỏ không đủ hoặc tải tiếp xúc quá mức hoặc kết hợp cả hai. Sự hư hỏng này liên quan đến sự hình thành và lan truyền các vết nứt trong lõi vật liệu bên dưới lớp cứng. Sự khác biệt về độ cứng giữa lớp bề mặt và lõi góp phần đáng kể vào việc nghiền nát lõi, vì ứng suất do tiếp xúc lăn có thể vượt quá độ bền tĩnh hoặc độ bền mỏi của lõi. Nghiên cứu của Alfredsson và Olsson [4] và Lai et al. [5] đã quan sát thấy hiện tượng nghiền lõi trong các mẫu được làm cứng bề mặt chịu các điều kiện tải do mỏi tiếp xúc đứng (SCF). SCF là một thử nghiệm liên quan đến việc tạo vết lõm theo chu kỳ trên bề mặt mẫu thử bằng một quả bóng hoặc con lăn. Mô phỏng số [5] cho thấy độ sâu vỏ nông hoặc tải tiếp xúc quá mức gây ra ứng suất kéo dư đáng kể tại vùng chuyển tiếp giữa vỏ và lõi, dẫn đến hình thành vết nứt bên dưới tải SCF. Độ dẻo nghiêm trọng ở lõi làm suy yếu khả năng hỗ trợ của nó đối với lớp vỏ, gây ra sự uốn cong của lớp vỏ và có khả năng gây nứt nếu vượt quá giới hạn ứng suất. Ngoài khả năng nghiền lõi, khả năng chịu tải tĩnh của ổ trục được làm cứng bề mặt được biểu thị bằng biến dạng dẻo dưới tải tiếp xúc cố định. Tuy nhiên, tải trọng tĩnh định mức được xác định trong ISO 76 [6] không xét đến các ổ trục được làm cứng bề mặt. Các phương pháp tính toán [5] đã được đề xuất để đánh giá vết lõm nhựa của mương trong ổ xoay được tôi cứng bề mặt bằng cảm ứng.
Bài viết này dựa trên một nghiên cứu mà chúng tôi đã công bố gần đây [7], nhằm mô tả đặc tính và mô hình hóa hoạt động vật liệu của vòng bi được cacbon hóa vỏ trong điều kiện SCF. Bằng cách đánh giá vết lõm nhựa bề mặt và nguy cơ nghiền nát lõi, nghiên cứu này cung cấp thông tin chi tiết cho các kỹ sư thiết kế và nhà sản xuất, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa hiệu suất của vòng bi được chế hòa khí trong vỏ.
Mô phỏng và mô hình hóa số SKF
Sự tương tác giữa con lăn và bề mặt rãnh trong vòng bi được cacbon hóa vỏ được mô phỏng bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) với mã thương mại ABAQUS. Mô phỏng bao gồm ba loại tiếp điểm: tiếp điểm điểm (PC), tiếp điểm đường thẳng (LC) và tiếp điểm hình elip (EC).
Do chúng tôi tập trung vào việc tìm hiểu phản ứng của vật liệu đối với tải trọng tiếp xúc đứng, nên đặc tính đàn hồi-dẻo của vật liệu là rất quan trọng trong mô hình FE. Việc mô tả biến dạng đàn hồi-dẻo liên quan đến mối quan hệ ứng suất-biến dạng, thường xuất phát từ các thử nghiệm kéo hoặc nén. Vì độ bền vật liệu có mối liên hệ phức tạp với độ cứng nên chúng tôi liên hệ gradient cường độ trong thành phần được cacbon hóa với cấu hình độ cứng. Bằng cách thiết lập các đường cong ứng suất-biến dạng cho cấu trúc lõi và cấu trúc vỏ cứng thông qua các thử nghiệm nén, chúng tôi sử dụng phép nội suy tuyến tính để ước tính mối quan hệ ứng suất-biến dạng đối với vật liệu có bất kỳ độ cứng nào khác.
Mô hình FE tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá vết lõm nhựa bề mặt và hư hỏng dưới bề mặt do tải trọng tiếp xúc đứng. Thông qua nghiên cứu tham số bao gồm các điều kiện tải trọng và cấu hình độ cứng khác nhau, chúng tôi rút ra các phương trình thực nghiệm biểu thị biến dạng dẻo của mương như một hàm của độ sâu vỏ, độ cứng vỏ và lõi, đường kính con lăn và áp suất tiếp xúc. Hơn nữa, nghiên cứu này cho phép thiết lập các giới hạn dung sai đối với hư hỏng dưới bề mặt trong các vòng bi được cacbon hóa trong trường hợp chịu tải trọng tiếp xúc đứng.
Hãy xem xét một thành phần có độ cứng đồng đều, giống như quá trình làm cứng xuyên suốt hoặc cấu trúc lõi trước khi cacbon hóa. Vết lõm dẻo bề mặt ( δ ) liên quan đến áp suất tiếp xúc tối đa ( p 0 ) và cường độ chảy của vật liệu ( σ y ) như sau:
Ở đây, D w là đường kính con lăn và (…)+ biểu thị dấu ngoặc McCauley, đặt số hạng về 0 nếu đại lượng kèm theo là âm. Hằng số k , không phụ thuộc vào vật liệu, kết nối áp suất tiếp xúc p 0 và ứng suất cực đại von Mises σ vM ( σ vM = kp 0 ). Đối với tiếp điểm điểm (PC), k = 0,62 và đối với tiếp điểm đường dây (LC), k = 0,56. Các hằng số B , n và m dành riêng cho từng vật liệu.
Nếu bộ phận trải qua quá trình cacbon hóa và làm cứng vỏ, vết lõm dẻo sẽ xảy ra do biến dạng cả vỏ và lõi. Phân vùng giữa những đóng góp này phụ thuộc vào độ sâu trường hợp tương đối ( h c / D w ). Ở đây, độ sâu trường hợp h c được định nghĩa là độ sâu tại đó độ cứng bằng HV550. Theo Lai và cộng sự. [5]:
trong đó vỏ [ δ / D w ] và lõi [ δ / D w ] lần lượt là các vết lõm nhựa cho vật liệu vỏ và lõi, được cho bởi phương trình. (1). tham số phân vùng ρ trong phương trình trên là hàm của độ sâu trường hợp tương đối h c / D w và áp suất tiếp xúc:
trong đó p r là áp suất tham chiếu được đặt thành 1000 MPa. Các hằng số G , u và v được xác định bằng cách khớp phương trình. (2) với phương trình. (3) đến dữ liệu vết lõm nhựa thu được từ tính toán FE, như minh họa trong hình. 1. Lưu ý rằng định mức tải trọng tĩnh đối với ổ trục đã được tôi cứng hoàn toàn được định nghĩa là áp suất tiếp xúc tương ứng với độ sâu vết lõm nhựa bề mặt là 10 -4 D w [6].
Thụt nhựa tiếp xúc hình elip [ δ / D w ] EC là kết quả của phép nội suy dựa trên tỉ số b / a giữa nghiệm cho tiếp điểm điểm và đường thẳng:
Từ phân tích FE, chúng tôi khám phá phản ứng của vật liệu liên quan đến ứng suất dư do độ dẻo gây ra. Khi ứng suất từ tải trọng tĩnh vượt quá giới hạn chảy của vật liệu lõi, dòng chảy dẻo sẽ xảy ra, dẫn đến hư hỏng vật liệu dưới bề mặt dưới dạng ứng suất dư. quả sung. 2a minh họa vùng ứng suất dư kéo trong vùng tạm thời của lõi trường hợp do ứng suất tiếp xúc cao. Một mô hình ứng suất dư có thể so sánh được đã được xác định trong các bộ phận được làm cứng bằng cảm ứng bề mặt chịu sự lõm của bi hoặc con lăn, như đã được chứng minh trong nghiên cứu trước đây [5]. Nghiên cứu đó tiết lộ rằng trong điều kiện tải SCF, ứng suất dư kéo có thể gây ra vết nứt hoặc tách lớp ở bề mặt vỏ và lõi.
Biểu thức cho ứng suất dư kéo dưới bề mặt do tải trọng tiếp xúc đứng, được thiết lập trước đó [5], có thể áp dụng cho các bộ phận được cacbon hóa trong trường hợp:
trong đó σ y là giới hạn chảy của vật liệu lõi, σ vM là ứng suất von Mises tương đương ở độ sâu h c tính từ bề mặt hoặc độ sâu mà tại đó độ cứng bằng HV550. C 0 , C 1 và C 2 là các hằng số, có thể được xác định bằng phương trình khớp. (5) đến kết quả FE. Điều quan trọng cần lưu ý là ứng suất von Mises ở đây được đánh giá bằng lý thuyết tiếp xúc đàn hồi Hertzian, biểu thị nghiệm ứng suất theo giả định về độ đàn hồi tuyến tính. quả sung. 2b cho thấy ứng suất dư kéo là hàm số của ứng suất von Mises tương đương ở độ sâu h c tính từ bề mặt tương ứng đối với tiếp điểm đường và điểm tiếp xúc. Ứng suất tới hạn S c có thể được đánh giá bằng cách sử dụng các nguyên tắc cơ học đứt gãy và phương pháp El Haddad [8] để xem xét các hiệu ứng vết nứt nhỏ, như đã trình bày chi tiết trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi [5].
SKF Thử nghiệm và xác minh mô hình
Các thử nghiệm SCF được tiến hành trên mẫu phẳng làm bằng tiêu chuẩn ASTM A534-18NiCrMo14-6. Hai mẫu đĩa trải qua quá trình cacbon hóa sau đó được làm cứng, tạo ra hai mẫu có độ cứng với độ sâu vỏ lần lượt là 0,5 mm và 0,9 mm. Thử nghiệm SCF sử dụng một đầu lõm con lăn có đường kính 10 mm và bán kính đỉnh là 98 mm, được làm bằng thép ASTM A295-52100 được tôi cứng. Máy đo biến dạng được dán ngay bên ngoài khu vực lõm để theo dõi sự thay đổi biến dạng trong quá trình thử nghiệm. Người ta đã chứng minh [4] rằng sự biến dạng tăng đột ngột cho thấy sự xuất hiện của vết nứt bên trong vùng chuyển tiếp vỏ-lõi, đóng vai trò là bằng chứng về sự cố vỡ lõi trong điều kiện tải SCF đối với bộ phận được làm cứng bề mặt.
quả sung. 3a hiển thị các vết lõm nhựa đo được so với các dự đoán mô hình bằng cách sử dụng các phương trình. (1) – (4), thể hiện sự phù hợp tốt giữa dự đoán và thực nghiệm.
Đối với tất cả các thử nghiệm trên cả hai đĩa ở các tải trọng khác nhau, không có dấu hiệu nào cho thấy sự phát triển vết nứt bên ở các vùng dưới bề mặt được quan sát từ các tín hiệu của máy đo biến dạng. Điều tra kim loại sau thử nghiệm đã xác nhận không có vết nứt bên nào ở các vùng dưới bề mặt của đĩa được thử nghiệm. quả sung. 3b trình bày tất cả các bài kiểm tra SCF được nhóm trong Đĩa số 1 và Đĩa số 2, tương ứng với hai độ sâu trường hợp. Tải trọng tới hạn để nghiền nát lõi, biểu thị sự xuất hiện của vết nứt bên dưới bề mặt, được tính toán và vẽ trong Hình 2. 3b. Dự đoán của mô hình được coi là hợp lý, vì hầu hết tất cả các điểm dữ liệu thực nghiệm cho thấy không có sự nghiền nát lõi nào, đều nằm dưới tải trọng tới hạn được dự đoán. Điểm dữ liệu duy nhất cao hơn một chút so với tải tới hạn được dự đoán cho thấy dự đoán mô hình thận trọng. Đáng chú ý, các thử nghiệm SCF trên cả hai đĩa đều có tải trọng cực cao xét về áp suất tiếp xúc danh nghĩa. Chẳng hạn, tải cao nhất trên Đĩa số 1 tương ứng với áp suất Hertzian là 7,1 GPa, trong khi áp suất tiếp xúc tối đa cho Đĩa số 2 đạt 7,7 GPa. So với các thành phần được làm cứng bằng cảm ứng bề mặt [5], thép được cacbon hóa vỏ trong nghiên cứu này dường như ít bị nghiền nát lõi hơn, do các đặc tính của nó.
Các thử nghiệm vết lõm tĩnh cũng được thực hiện trên bề mặt rãnh của ổ đũa hình trụ (CRB). Mẫu thử nghiệm là một đoạn được cắt từ vòng trong CRB được làm bằng thép ASTM A534-18NiCrMo14-6 được cacbon hóa và cứng lại. Các con lăn hình trụ được tôi cứng qua có các đường kính khác nhau được sử dụng làm mũi lõm để đạt được điều kiện tải với độ sâu vỏ tương đối khác nhau về tỷ lệ h c / D w .
quả sung. 4 cho thấy các vết lõm dẻo cho hai độ sâu trường hợp tương đối, thu được từ phép đo và dự đoán bằng cách sử dụng các phương trình. (1) – (4), tương ứng. Có sự thống nhất khá tốt giữa thí nghiệm và dự đoán mô hình.
Để kết luận, nghiên cứu này đã đi sâu vào phản ứng vật liệu của các vòng được cacbon hóa trong trường hợp chịu tải SCF, sử dụng kết hợp mô phỏng số và nghiên cứu thực nghiệm. Bằng cách tập trung vào vết lõm nhựa bề mặt và sự nghiền nát lõi dưới bề mặt, các mô hình dựa trên phần tử hữu hạn của chúng tôi dự đoán chính xác hành vi biến dạng và hư hỏng vật liệu. Việc xác nhận thông qua các thử nghiệm SCF trên cả khối được cacbon hóa và vòng trong của ổ đũa hình trụ đã xác nhận độ tin cậy của mô hình. Công việc này không chỉ nâng cao hiểu biết mà còn cung cấp một phương pháp thực tế để đánh giá hiệu suất của vòng bi được chế tạo bằng vỏ trong điều kiện tiếp xúc đứng, có ý nghĩa tiềm năng trong việc tối ưu hóa thiết kế và độ bền trong các ứng dụng kỹ thuật.
 |
Ứng dụng SKF AuthenticateCó hai cách để kiểm tra tính xác thực bằng ứng dụng SKF Authenticate,
Tải xuống ứng dụng SKF Authenticate NGAY BÂY GIỜ trên App Store hoặc Google Play miễn phí bằng cách nhấp vào liên kết có liên quan hoặc quét mã dưới đây.
|