تست خستگی فنری روش کنترل شده و قابل تکراری است که اندازه گیری می کند که فنر چند چرخه بار را قبل از ایجاد ترک یا شکستن کامل عنصر می تواند تحمل کند. در اینجا پاسخ مستقیم است: فنری که تست خستگی را پشت سر نگذاشته است، عمر مفید تایید شده ای ندارد و هیچ مهندس مسئول نباید آن را برای کاربردهای حیاتی ایمنی مشخص کند. در سراسر سیستمهای تعلیق خودرو، محرکهای هوافضا، مکانیزمهای دستگاههای پزشکی و ماشینآلات صنعتی، تست خستگی به عنوان دروازهای با کیفیت عمل میکند که ثابت میکند طراحی فنر و فرآیند تولید آن قادر به تحمل بارگذاری مکرر بدون خرابی زودرس هستند.
آزمایش خستگی فنری یک بار چرخهای را روی یک نمونه فنر در دامنه، فرکانس و تنش متوسط کنترلشده اعمال میکند، در حالی که مؤلفه را برای علائم شروع ترک، اعوجاج دائمی، شل شدن تنش یا شکست کامل بررسی میکند. آزمایش یا زمانی پایان مییابد که فنر به تعداد چرخههای مشخصی برسد، بدون اینکه هیچ گونه تخریبی نشان داده شود، یا زمانی که معیارهای شکست از پیش تعیینشده برآورده شوند.
مبانی نظری این آزمون است منحنی S-N ، منحنی Wohler نیز نامیده می شود. هر ماده فنری عمر خستگی محدودی دارد و این منحنی رابطه بین دامنه تنش اعمال شده و تعداد چرخه هایی که قطعه می تواند زنده بماند را ترسیم می کند. فنرها در مقایسه با اکثر عناصر ماشین غیرمعمول هستند زیرا کل عملکرد آنها ذخیره و آزادسازی انرژی است. هر فشرده سازی یا گسترش یک چرخه بار است. تست خستگی این تکرارها را در یک محیط آزمایشگاهی تکرار می کند تا سازنده بتواند ارزش طول عمر قابل اعتماد را ثبت کند.
یک دستگاه تست خستگی فنر فشرده سازی معمولی در فرکانس های بین کار می کند 1 هرتز و 50 هرتز . در فرکانس 20 هرتز، آزمایش 20 چرخه بار در ثانیه را تکمیل می کند، که به این معنی است که نیاز به 5 میلیون سیکل تقریباً به 69 ساعت آزمایش مداوم نیاز دارد. فنرهای تعلیق در وسایل نقلیه سبک به طور مرتب تایید می شوند 1 میلیون تا 10 میلیون چرخه ، در حالی که فنرهای مورد استفاده در قطارهای سوپاپ یا انژکتورهای سوخت ممکن است تعداد چرخه های بیشتری را در طول عمر مفید خود مشاهده کنند.
تست استحکام استاتیکی فقط به شما می گوید که یک فنر چقدر بار می تواند قبل از تسلیم شدن یا شکستن در یک کاربرد واحد تحمل کند. این اطلاعات مفید است، اما چیزی در مورد شکست تحت بارگذاری مکرر نمی گوید. تست خستگی این شکاف را پر می کند و پیامدهای عملی آن قابل توجه است.
اقتصاد مشخص است. یک آزمایش خستگی که در طول توسعه محصول انجام میشود، کسری از هزینه شکست یک میدان را هزینه میکند. در برنامه های خودرویی، یک فراخوان فنری که شامل 50000 دستگاه می شود، می تواند به راحتی از یک هزینه هشت رقمی از جمله تدارکات، کار مجدد و آسیب برند فراتر رود. تست خستگی ارزان ترین بیمه ای است که تولید کننده فنر می تواند بخرد.
هندسه های مختلف فنر و جهت های بارگذاری به روش های آزمایش متفاوتی نیاز دارند. چهار روش اصلی مورد استفاده در برنامه های کیفیت تولید فنری در زیر فهرست شده است.
از این روش برای فنرهای فشاری و کششی استفاده می شود. فنر بین دو صفحه نصب شده و با نیروی سینوسی یا جابجایی بارگذاری می شود. تست محوری رفتار مورد انتظار خدمات بیشتر فنرهای سیم پیچ را شبیه سازی می کند. تنظیم تست نیروی فنر، انحراف را اندازه گیری می کند و اولین افت ظرفیت حمل بار را با شروع انتشار ترک ها تشخیص می دهد.
فنرهای پیچشی با چرخاندن فنر در یک محدوده زاویه ای مشخص آزمایش می شوند. این تست شل شدن گشتاور را اندازه گیری می کند و ترک های پیچشی در امتداد بدنه سیم پیچ را بررسی می کند. خستگی پیچشی در فنرهای مورد استفاده در مکانیزم های درب، متعادل کننده های درب گاراژ و محرک های چرخشی رایج است. توزیع تنش اساساً با بارگذاری محوری متفاوت است و روش آزمایش باید تنش ناهمگن در سراسر مقطع سیم را در نظر بگیرد.
این بیشتر برای فنرهای مسطح، فنرهای برگ و عناصر سیمی خاص مرتبط است. فنر به طور مکرر در یک یا دو جهت با استفاده از فیکسچری که یک انحراف ثابت اعمال می کند خم می شود. تست های خستگی خمشی به ویژه به شرایط سطح حساس هستند زیرا حداکثر تنش در الیاف بیرونی ماده رخ می دهد.
بارهای سرویس واقعی به ندرت سینوسی با دامنه ثابت هستند. آزمایش خستگی تصادفی از تاریخچه های بار ثبت شده، اغلب از وسایل نقلیه یا ماشین آلات ابزاردار، برای اعمال بارگذاری طیفی واقعی استفاده می کند. این آزمایش الگوی آسیب تجمعی را که یک فنر در طول عمر مفید خود با آن مواجه می شود، بازتولید می کند. این روش گرانتر و کندتر است اما دقیقترین پیشبینیهای عمر سرویس را برای شرایط بارگذاری غیر ثابت ارائه میدهد.
انتخاب استاندارد بستگی به کاربرد، بازار جغرافیایی و مشخصات مشتری دارد. جدول زیر به طور خلاصه بیشترین استانداردهای مرجع در تست خستگی بهار را نشان می دهد.
| استاندارد | دامنه اولیه | استفاده معمولی |
|---|---|---|
| ISO 1099 | تست خستگی کنترل شده با کرنش محوری | خصوصیات خستگی عمومی فلز |
| ASTM E606 | تست خستگی کنترل شده از مواد فلزی | خستگی چرخه پایین و تحقیقات مواد |
| GB/T 3075 | تست خستگی تحت کنترل نیروی محوری | اعتبارسنجی خستگی چرخه بالا |
| JIS B 2709 | مشخصات تست فنر برگ | فنر برگ و سیستم تعلیق وسایل نقلیه سنگین |
هنگامی که مشتری استانداردی را مشخص نمی کند، اکثر تامین کنندگان فنری معتبر به طور پیش فرض این کار را انجام می دهند GB/T 3075 یا ASTM E606 برای اعتبارسنجی کلی خستگی فنر سیم پیچ مشخصات مشتری همچنین ممکن است شامل تعداد چرخه هدف، حداکثر درصد فروپاشی بار و محدودیتهای فرکانس آزمایش باشد که تعهدات قراردادی هستند که آزمایشگاه آزمایش باید از آنها پیروی کند.
عمر خستگی یک عدد نیست. تابعی از چندین پارامتر به هم پیوسته است و هر کدام باید در طول آزمایش ثبت و کنترل شوند. مهمترین متغیرها در جدول زیر آمده است.
| پارامتر | تعریف | تاثیر بر نتایج |
|---|---|---|
| دامنه استرس | نیمی از تفاوت بین حداکثر و حداقل تنش در یک چرخه | دامنه بالاتر به شدت عمر خستگی را کوتاه می کند |
| استرس متوسط | میانگین حداکثر و حداقل تنش در یک چرخه | تنش متوسط کششی زندگی را کاهش می دهد. فشار متوسط استرس زندگی را افزایش می دهد |
| نسبت R | نسبت تنش حداقل به حداکثر تنش | R = 0.1 رایج است. R = -1 به معنای بارگذاری کاملاً معکوس است |
| فرکانس تست | چرخه در ثانیه | فرکانس های بسیار بالا می توانند باعث خود گرم شدن شوند |
| پیش بارگذاری یا کشش اولیه | سطح نیرو یا گشتاور در فنر در جابجایی صفر | میانگین استرس و در نتیجه عمر خستگی را تغییر می دهد |
دمای تست عامل دیگری است که نمی توان آن را نادیده گرفت. فنرها در محفظه موتور خودرو در دماهای بالا کار می کنند که هم آرامش و هم رشد ترک را تسریع می کند. برای کاربردهای با دمای بالا، آزمایش خستگی باید در حداکثر دمای عملیاتی مورد انتظار انجام شود تا دادههای مربوطه تولید شود.
انتخاب فرکانس نیز حیاتی است. تست در 30 هرتز در مقابل 5 هرتز می تواند نتایج متفاوتی را برای فنرهایی با میرایی داخلی بالا به همراه داشته باشد. فرکانس تست بیش از حد باعث خود گرم شدن می شود و ممکن است باعث خرابی در مکان اشتباه شود. اکثر آزمایشگاه ها فنرهای فشرده سازی را بین 10 تا 30 هرتز اجرا می کنند، مگر اینکه مشتری خواسته دیگری داشته باشد.
عمر خستگی فنر صرفاً با طراحی آن تعیین نمی شود. در واقع، بیشتر خرابیهای زودرس را میتوان به فرآیندهای تولیدی که باعث ایجاد نقص یا شرایط سطحی غیربهینه میشوند، ردیابی کرد. عوامل زیر تأثیر مستقیم و قابل سنجشی بر نتایج عمر خستگی دارند.
سیم بدون درز و تمیزی بالا با سطح صاف دارای مزیت خستگی قابل اندازه گیری نسبت به سیم دارای لپ های سطحی یا کربن زدایی است. سطح سیمی که تا عمق 0.05 میلی متری کربن زدایی می شود می تواند عمر خستگی را تا حداکثر کاهش دهد. 20 تا 30 درصد در مقایسه با سیم با بدنه کاملاً سخت شده. این به این دلیل است که شروع ترک در خستگی چرخه بالا به سطح حساس است.
ماشینهای شکلدهی فنر CNC که گام سیم پیچ، قطر و تنش پسماند را کنترل میکنند، یک مزیت متمایز دارند. هنگامی که سیم پیچ با خمش یا تغییر شکل بیش از حد خارج از توانایی مواد انجام می شود، باعث ایجاد ریزترک ها و تنش های پسماند کششی زیادی بر روی سطح می شود. یک دستگاه شکلدهی فنری CNC دقیق، فنرهایی با فاصله سیم پیچی سازگارتر و سطوح تنش ناشی از کمتر تولید میکند. رابطه بین دقت شکلدهی و عمر خستگی یکی از دلایل اصلی سرمایهگذاری تولیدکنندگان فنر متمرکز بر روی ماشینآلات CNC با دقت بالا است.
دستگاه شکل دهی فنر CNC 5 محوره CNC-635Z برای سیم پیچی دقیق این دستگاه CNC پنج محوره فنرهایی با گام و قطر دقیق تشکیل می دهد و تنش ناشی از آن را کاهش می دهد. تغذیه سیم چرخشی و کنترل چند محوره آن، تولید انواع فنر را امکان پذیر می کند و از مقاومت در برابر خستگی از طریق هندسه دقیق پشتیبانی می کند. مشاهده محصول → پس از شکل گیری فنر را خاموش و تمپر می کنند تا به سختی و چقرمگی مورد نظر دست یابد. فرآیند تلطیف جایی است که عمر خستگی تا حد زیادی تعیین می شود. تلطیف ناکافی ماده ای سخت اما شکننده و با تحمل ترک ضعیف تولید می کند. یک چرخه تمپرینگ بهینه، با استفاده از یک کوره فنری با یکنواختی دمایی دقیق، ساختاری ریز به مواد میدهد که در برابر رشد ترک مقاومت میکند. تحقیقات به طور مداوم نشان می دهد که یک فنر به طور مناسب می تواند نشان دهد 2 تا 5 برابر عمر خستگی یک فنر ضعیف در شرایط آزمایشی یکسان.
کوره فنری WNJ210 با کنترل دمای یکنواخت این کوره حرارتی مداوم گرمایش سریع و یکنواختی دمایی دقیق را ارائه می دهد که برای دستیابی به سختی و چقرمگی بهینه ضروری است. این به تولید یک ریزساختار مقاوم در برابر رشد ترک کمک می کند و عمر خستگی بهاره را افزایش می دهد. مشاهده محصول → برای فنرهای فشاری، سطوح انتهایی زمین بسیار مهم هستند. انتهای ناقص زمین، با تماس ناهموار یا لبههایی که گرد نیستند، یک تمرکز تنش موضعی ایجاد میکند که میتواند عمر خستگی را به طور چشمگیری کاهش دهد. ماشینهای آسیاب فنری CNC دقیق، تلرانسهای محکمی روی صافی و مربع بودن دارند و اطمینان حاصل میکنند که فنر در طول فشردهسازی بهصورت جانبی خم نمیشود. سنگ زنی همچنین عیوب سطح را از بین می برد و تنش پسماند فشاری را در انتهای فنر ایجاد می کند که برای مقاومت در برابر خستگی مفید است.
دستگاه آسیاب انتهای فنری CNC برای انتهای صاف و مربعی این ماشینهای سنگزنی با کنترل سروو، تحملهای محکمی را در صافی و مربع بودن انتهای فنر تضمین میکنند، عیوب سطح را از بین میبرند و تنش پسماند فشاری ایجاد میکنند. تنظیمات فشار و خوراک قابل برنامه ریزی باعث افزایش ثبات، کاهش غلظت استرس و بهبود عملکرد خستگی می شود. مشاهده محصول → برای فنرهای چرخه بالا، شات پینینگ یک لایه تنش پسماند فشاری در سطح ایجاد می کند. این لایه به عنوان یک مانع در برابر انتشار ترک عمل می کند. هنگامی که شات پنینگ اعمال می شود و در محدوده قطر توپ و پارامترهای پوشش کنترل می شود، عمر خستگی بهبود می یابد. 50% تا 200% بسته به مواد و شرایط آزمایش قابل دستیابی هستند.
درک تعامل بین این متغیرهای تولید برای هر تامین کننده فنری ضروری است. تنبیه ماشینهای CNC با هدایت دقیق، تلطیف کنترلشده، سنگزنی دقیق و ضربهگیری اختیاری تفاوت بین فنری است که ۲ میلیون چرخه را دوام میآورد و فنری که در شرایط بارگذاری مشابه ۱۰ میلیون چرخه زنده میماند.
محل و ظاهر یک ترک خستگی سرنخ های حیاتی در مورد علت اصلی ارائه می دهد. تحلیلگران باتجربه شکست این نشانه ها را برای بهبود فرآیندهای طراحی و ساخت مطالعه می کنند.
هر حالت شکست به یک اقدام اصلاحی خاص اشاره دارد. ترکخوردگی سطحی نیاز به کیفیت بهتر سطح سیم یا افزایش سطح شات دارد. اجزاء به فولاد تمیزتر نیاز دارند. کمانش به طراحی فنر متفاوت یا تجهیزات تست بهتر نیاز دارد. آرامش نیاز به یک فرآیند تلطیف بهتر یا مواد درجه بالاتر دارد.
یک پروتکل مفید تست خستگی از یک دنباله تعریف شده پیروی می کند. مراحل زیر یک طرح اولیه قابل اعتماد برای تولید کنندگان فنر و آزمایشگاه های آزمایش تشکیل می دهد.
پروتکل های آزمایشی که به صورت سه ماهه یا شش ماهه تکرار می شوند، تأیید کیفیت مداوم را ارائه می دهند. آزمایش خستگی دورهای دستههای تولیدی باعث کاهش کیفیت سیم، عملیات حرارتی یا دقت سنگزنی میشود که در غیر این صورت میتواند تا زمانی که خرابی میدان مشتری رخ دهد، شناسایی نشود.
مدت زمان به تعداد سیکل مورد نیاز و فرکانس آزمایش بستگی دارد. در 20 هرتز، یک میلیون سیکل حدود 14 ساعت طول می کشد. اعتبار سنجی استاندارد فنر خودرو با 5 میلیون سیکل در 25 هرتز تقریباً 56 ساعت کار مداوم نیاز دارد. معمولاً آزمایشاتی که 24 ساعت در روز با سیستم های خاموش کننده خودکار اجرا می شوند برای به حداقل رساندن زمان آزمایشگاه برنامه ریزی می شوند.
این اصطلاحات اغلب به جای یکدیگر استفاده میشوند، اما آزمایش چرخه معمولاً بر ارزیابی عملکرد عملکردی در تعداد دورههای رتبهبندی شده تمرکز دارد، در حالی که آزمایش خستگی به طور خاص رفتار مواد و انتشار ترک را هدف قرار میدهد. تست خستگی دقیق تر است و معمولاً شامل تعیین یک منحنی S-N یا حداقل یک نقطه شکست نهایی است.
هیچ شماره جهانی وجود ندارد. این کاملا به برنامه بستگی دارد. فنرهای استاندارد تعلیق خودرو معمولاً برای آنها مشخص می شود 1 میلیون تا 5 میلیون چرخه . فنرهای سوپاپ در موتورهای با کارایی بالا ممکن است به 50 میلیون چرخه یا بیشتر نیاز داشته باشند. مشخصات مشتری منبع معتبر برای تعداد چرخه مورد نیاز است.
شات پینینگ باعث ایجاد تنش پسماند فشاری در لایه سطحی فنر می شود. این حالت تنش با تنش های کششی ایجاد شده در حین بارگذاری سرویس مخالف است و شروع ترک را به طور قابل توجهی به تاخیر می اندازد. برای فولاد فنری با استحکام بالا، شات پینینگ می تواند عمر خستگی را بهبود بخشد 50% تا 200% یا more, and it is a standard process for springs that must survive high cycle counts.
تست خستگی رفتار را تحت شرایط بارگذاری تعریف شده پیش بینی می کند. در میدان، فنرها با دامنه متغیر، خوردگی، دما و بارهای دینامیکی مواجه هستند. در حالی که آزمایش خستگی آزمایشگاهی نمی تواند تمام شرایط دنیای واقعی را به طور کامل تکرار کند، زمانی که طیف بار آزمایشی با دقت انتخاب می شود، یک تخمین مبتنی بر آماری ارائه می دهد. نکته کلیدی ترکیب تست خستگی با اندازهگیری واقعی بار سرویس و ملاحظات محیطی است.
عیوب سطحی، کربن زدایی و تمرکز تنش در انتهای فنر، آسیب زاترین شرایط هستند. یک بریدگی تیز روی سطح سیم می تواند به عنوان محل شروع ترک عمل کند که عمر خستگی را با چندین مرتبه کاهش می دهد. به همین دلیل است که کنترل کیفیت در شرایط سیم، شرایط ابزار شکل دهی و آسیاب انتهایی در تولید فنر با خستگی بالا غیرقابل مذاکره است.
TK-13200، TK-7230 TK-13200, TK-7230 12AXES CNC فنری کویلینگ ...
مشاهده جزئیات
TK-13200، TK-7230 TK-13200, TK-7230 12AXES CNC فنری کویلینگ ...
مشاهده جزئیات
TK12120 دستگاه سیم پیچ فنری CNC TK-12120 12AXES ...
مشاهده جزئیات
TK-6160 دستگاه نورد فنری CNC TK-6160 ...
مشاهده جزئیات
TK-6120 دستگاه نورد فنری CNC TK-6120 ...
مشاهده جزئیات
TK-5200 دستگاه سیم پیچ فنری CNC TK-5200 5AXES ...
مشاهده جزئیات
TK-5160 دستگاه سیم پیچ فنری CNC TK-5160 5AXES ...
مشاهده جزئیات
TK-5120 دستگاه سیم پیچ فنری CNC TK-5120 5AXES ...
مشاهده جزئیات