一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法

技术领域

本发明属于紧固件技术领域，该发明考虑到圆角滚压对螺栓表面形貌、加工硬化以及残余应力的作用，通过建立一种有效预测经圆角滚压后螺栓的疲劳寿命的方法，得到螺栓圆角滚压工艺参数控制范围。

背景技术

紧固件应用广泛，在机械设备里有着连接、调整甚至传动等作用，是影响设备的总成质量及使用寿命的核心基础零件，被誉为“工业之米”。螺栓是应用最广泛的紧固件，疲劳破坏是其失效的主要原因。在服役过程中，头下圆角是螺栓的主要应力集中部位之一，也是疲劳断裂的高发处。圆角滚压是螺栓制造的关键工艺，能显著提升螺栓头杆处的疲劳强度。头下圆角滚压能降低圆角粗糙度，减少表面缺陷，使表层发生加工硬化并形成残余压应力，抑制裂纹形成与扩展，从而大幅提升螺栓的疲劳寿命。

螺栓的圆角滚压工艺参数对于螺栓的强化作用复杂，目前对于这方面的研究较少且集中在试验部分，数值模拟分析更是罕见。实际生产过程中滚压参数往往根据现场生产经验确定，而不同规格不同材料的工件采取的工艺参数并没有形成一个系统的、标准的规范，很多产品往往选取同一工艺参数。将工艺-残余应力-疲劳性能有机地联系起来，这对工艺参数优化、产品性能提升以及新产品工艺设计具有指导意义。

发明内容

目前螺栓的头下圆角滚压工艺研究较少且以试验为主，而常见的螺栓的疲劳有限元分析并未考虑初始加工的作用。本发明结合ABAQUS和FE-safe建立螺栓圆角滚压和疲劳的有限元模型并与试验结果进行对比验证，基于此模型计算得到不同滚压工艺下的螺栓的疲劳寿命。模型除了考虑残余应力的作用，也将加工硬化以及表面粗糙度等因素引入模型，同时对网格尺寸以及疲劳算法进行了优化，疲劳寿命预测结果较为精准，可为螺栓头下圆角滚压工艺设计和优化提供指导。

本发明提供了一种基于ABAQUS和FE-safe建立的螺栓圆角滚压和疲劳有限元模型来预测螺栓滚压前后的疲劳寿命，并以此为依据来优化螺栓圆角滚压工艺。其操作如下：

本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，包括如下步骤：

步骤1，取与螺栓相同材质及处理状态的金属材料制备标准拉伸试样进行拉伸试验，获得相应材料的真应力应变曲线以及抗拉强度；采用不同滚压工艺对螺栓滚压，并测试滚压前后螺栓头下圆角的粗糙度；对未滚压和不同滚压工艺下的螺栓进行疲劳试验，得到未滚压螺栓及不同滚压工艺螺栓的疲劳寿命结果；

步骤2，根据螺栓的几何尺寸在ABAQUS中建立几何模型，定义材料参数及网格划分，对螺栓施加约束和疲劳载荷，采用不同的网格尺寸求解得到未滚压螺栓在一个周期载荷下应力分布的有限元结果文件；所述材料参数包括材料的弹性模量、常温拉伸应力-应变数据、泊松比、密度；

将ABAQUS求解得到的有限元结果文件导入FE-safe，输入材料参数和添加载荷谱，选定Morrow修正的采用最大主应变算法生成疲劳寿命计算文件，求解得到疲劳寿命第一仿真结果；在第一仿真结果中选择与步骤1中实测疲劳寿命误差值≤10％的疲劳寿命值所对应的网格尺寸作为螺栓圆角位置的网格尺寸，完成未滚压螺栓疲劳分析有限元模型的建立；在FE-safe中输入的材料参数包括材料类型、材料的弹性模量、材料的抗拉强度、材料的泊松比、未滚压螺栓的粗糙度；

步骤3，在步骤2得到的螺栓网格模型上，根据实际的滚压深度、滚压角度以及滚轮圆角半径，在ABAQUS中建立圆角滚压模型，再对螺栓施加约束和疲劳载荷，在ABAQUS中求解得到滚压后的螺栓在一个周期载荷下应力分布的有限元结果文件；

将ABAQUS求解得到的有限元结果文件导入FE-safe，考虑圆角表面的加工硬化以及粗糙度，选择不同疲劳寿命算法生成疲劳寿命计算文件，求解得到考虑圆角表面的加工硬化以及粗糙度的疲劳寿命第二仿真结果；在第二仿真结果中选择与步骤1中螺栓在圆角处断裂的实测疲劳寿命的误差值≤10％或在第二仿真结果中选择大于等于步骤1中螺栓在螺纹处断裂的实测疲劳寿命所对应的疲劳寿命算法确定为螺栓的疲劳寿命算法，完成螺栓圆角滚压-疲劳分析有限元模型的建立；

步骤4，按步骤3得到的螺栓滚压-疲劳分析有限元模型，输入不同的滚压工艺条件，求解得到不同滚压条件下螺栓的疲劳寿命，选定工艺条件，通过螺栓圆角滚压工艺试验，测试不同工艺对应的疲劳寿命，并与计算值进行比较，仿真与试验误差在10％以内,以此验证和优化模型；

步骤5，根据实际螺栓规格，通过螺栓圆角滚压-疲劳分析有限元模型，确定螺栓的最佳圆角滚压工艺。

作为优选，本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，步骤1的拉伸试验为GBT_228.1-2010标准，疲劳试验按NASM1312-11标准进行，粗糙度测试方法为样块比较法，测量标准为GB/T1031-1995。

本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，螺栓的滚压工艺参数可为：滚压力800N、滚压速度500rad/s、滚压时间2s，滚轮圆角半径为0.45mm。

作为优选，本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，根据螺栓的几何尺寸在ABAQUS中建立几何模型，定义材料参数及网格划分；所述材料参数包括：弹性模量、常温拉伸应力-应变数据、泊松比、密度；

将ABAQUS求解得到的有限元结果文件导入FE-safe，输入材料参数和添加载荷谱；其中输入到FE-safe的材料参数包括材料类型、弹性模量、抗拉强度、泊松比、粗糙度。

作为优选，本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，步骤2和3中模型与试样尺寸一致，试样为M6型平头和沉头TC4钛合金高锁螺栓，圆角处网格划分时，网格厚度为不超过0.01mm。

在工业上应用时，步骤2中，螺栓其余区域进行网格划分时，基于全局撒点进行划分。

作为优选，本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，步骤2中，

Morrow修正后的疲劳模型表达式为：

式中Δε

作为优选，本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，步骤3中圆角处的滚压后的螺栓选择的疲劳准则为Brown-Miller模型，Morrow修正后的疲劳寿命模型表达式为：

式中Δγ和Δε分别为临界面上的剪应变和正应变。修正后的模型中，抗拉强度、泊松比、粗糙度决定Δγ、Δε、b、c的值。

本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，步骤3中

滚压工艺参数是影响圆角处残余应力、加工硬化以及圆角尺寸变化来间接影响疲劳寿命的，就比如做锻造模拟，研究变形温度、变形速度、模具疲劳尺寸以及变形量等对成形的影响，没有一个直接的模型表达式，最后只能把仿真结果拟合一个方程反映规律。

本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，经优化后TC4钛合金M6螺栓最佳滚压工艺为：平头螺栓滚压深度为0.02mm、滚压角度45°，沉头螺栓的滚压深度为0.45mm、滚压角度为25°，两者最佳的滚轮半径为螺栓圆角尺寸的90％-95％。

本发明一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，经优化后TC4钛合金M6规格100°沉头螺栓的滚压优化工艺为：滚轮圆角半径为0.45mm、滚压角度25°、滚压深度0.045mm。

本发明利用ABAQUS和FE-safe建立螺栓圆角滚压和疲劳有限元模型并进行了试验验证，得到了螺栓疲劳寿命与圆角滚压工艺的关系,通过精准预测疲劳寿命，为螺栓头下圆角滚压工艺设计和优化提供一个可行的方法，减少了冗长繁重的工艺试验过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是ABAQUS结合FE-safe的疲劳计算流程图；

图2为螺栓在初始应力为零时，圆角处的网格大小对疲劳寿命计算结果的影响。

图3为实施例1中螺栓疲劳寿命的预测云图。

图4是实施例1中不同滚压深度下的平头螺栓的疲劳寿命；

图5是实施例2中不滚压角度下的沉头螺栓的疲劳寿命。

图6为实施例1中滚轮不同滚压角度滚压后螺栓的疲劳寿命预测图；

图7为实施例2中不同滚压深度螺栓疲劳寿命预测结果图；

图8为实施例2中滚轮不同滚压角度滚压后螺栓的疲劳寿命预测结果图；

图9为实施例2中不同圆角尺寸滚轮滚压后螺栓的疲劳寿命预测结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于圆角滚压后螺栓的疲劳寿命的工艺优化方法，包括以下步骤：

步骤1：制得与螺栓相同状态材料的标准拉伸试样进行拉伸试验，获得相应的真应力应变曲线以及力学性能参数，进行未滚压和不同滚压工艺下的螺栓疲劳试验，测试滚压前后的粗糙度，得到相应的疲劳寿命结果；

本实例以M6规格的TC4平头高锁螺栓为研究对象，根据GBT_228.1-2010标准，将退火态Ti-6Al-4V的标准拉伸试样经固溶时效处理后在微机控制电子万能试验机WDW-300进行拉伸试验(温度24℃，相对湿度50％，变形速度为2mm/min)，利用设备自带的高精度引伸计(引伸计测定距离25mm)记录拉伸过程中的应力-应变数据。

螺栓的滚压工艺参数为滚压力800N、滚压速度500rad/s、滚压时间2s。用样块比较法估算圆角表面的粗糙度，测量标准为GB/T1031-1995。螺栓疲劳试验按NASM1312-11标准装配后在疲劳试验机上进行，疲劳最大载荷约8676N，最小载荷为最大载荷的10％，加载频率140HZ。

疲劳试验结果如表1所示，未滚压的螺栓疲劳断裂位置均在螺栓头下圆角处，滚压后的螺栓断裂位置均在螺纹处。

表1螺栓试样疲劳试验结果(单位/千次)

步骤2：结合ABAQUS和FE-safe仿真确定合适的网格尺寸和疲劳算法，得到未滚压螺栓的疲劳寿命。如图1所示，根据螺栓的几何形状和疲劳试验标准，在ABAQUS建立螺栓的几何模型并完成螺栓在疲劳载荷下的静力学分析，将其应力结果导入FE-safe中计算得到疲劳寿命，结合试验结果确定圆角处合适的网格尺寸大小(其中网格厚度为不超过0.01mm)以及疲劳算法。

具体的，ABAQUS涉及的材料模型参数包括：弹性模量、常温拉伸应力-应变数据、泊松比、密度，FE-safe涉及的材料模型参数包括：材料类型、弹性模量、抗拉强度、泊松比、粗糙度。基于步骤1的试验结果和相关文献，固溶时效后TC4的应力应变数据如表2所示，材料模型其他参数设置如表3所示。

表2TC4准静态拉伸塑性阶段真应力-应变数据

表3材料模型参数

网格质量是影响有限元精度的最核心因素之一，为了确定合理的网格尺寸大小，对网格大小对有限元结果的影响进行分析。螺栓在初始应力为零时，施加一定的载荷，圆角处的网格大小对疲劳计算(疲劳寿命为螺栓预测疲劳寿命的最小值)的影响如图2所示，拟合曲线方程为：

为了使计算精度和效率达到平衡，同时便于后续的数据处理，选定圆角处网格沿深度方向的大小为0.01mm，此时仿真结果收敛性较好。

步骤2选择的疲劳准则为最大主应变准则，并进行Morrow平均应力修正。

Morrow修正后的疲劳模型表达式为：

式中Δε

疲劳模型即为上述公式，即计算疲劳寿命的准则。

未滚压的螺栓疲劳有限元模拟结果如图3a所示，疲劳断裂位置同样在圆角位置，最小疲劳寿命为3.0万次，模拟计算结果与试验值接近，疲劳仿真模型可靠性较好。

步骤3：以步骤2的模型为基础，将复杂的滚压过程极简化为二维滚压模型，在ABAQUS中得到滚压后的残余应力分布结果以及疲劳载荷下的应力谱。结合ABAQUS和FE-safe仿真计算得到滚压后的螺栓的残余应力和疲劳寿命，结合试验结果选择合适的疲劳算法并优化模型。

在步骤2的模型的基础上，考虑到滚压对于螺栓圆角处形貌以及加工硬化的影响。基于步骤1的实验结果，滚压后的螺栓粗糙度为0.8μm，根据钛合金一般冷加工的加工硬化率，设置滚压后的螺栓表层网格强度为1300MPa，其余部分材料参数与步骤2一致。滚压工艺参数为滚压深度0.02mm、滚轮圆角半径为0.45mm、滚压角度45°。

步骤3中圆角滚压后的螺栓选择的疲劳疲劳准则为Brown-Miller模型，并进行Morrow平均应力修正。

步骤3中圆角处的滚压后的螺栓选择的疲劳准则为Brown-Miller模型，Morrow修正后的疲劳寿命模型表达式为：

式中Δγ和Δε分别为临界面上的剪应变和正应变。修正后的模型中，抗拉强度、泊松比、粗糙度决定Δγ、Δε、b、c的值。疲劳模型即为上述公式，即计算疲劳寿命的准则。螺栓滚压后的仿真计算疲劳寿命为49.4万次(如图3b)，由于模型中未考虑螺纹的影响，模拟计算值为圆角处的疲劳寿命。螺栓圆角处的模拟计算值大于试验值，而螺栓圆角的实际寿命也大于试验值，因此采用该模型对圆角滚压工艺与疲劳寿命的关系进行的分析是可靠的。

步骤4：根据优化后的模型得到不同滚压条件下螺栓的残余应力以及疲劳寿命结果，并以计算结果为依据得到优化工艺参数。

图4为不同滚压深度下的螺栓的疲劳寿命预测。随着滚压深度的增加，螺栓的疲劳寿命迅速上升，在滚压深度约为0.02mm时达到最大值约49.4万次，螺栓的疲劳寿命较滚压前提升了近17倍，疲劳破坏的位置为螺栓的圆角处。但随着滚压量的进一步增加，螺栓疲劳寿命迅速下降。

图5为不同圆角尺寸滚轮滚压后螺栓的疲劳寿命预测结果。滚轮圆角半径小于0.4mm，滚压后螺栓的疲劳寿命小于10万次；圆角半径为0.47mm时疲劳寿命达到最大值约75.9万次，螺栓的疲劳寿命较滚压前提升了近25倍；但滚轮圆角半径进一步增大，螺栓的疲劳寿命又迅速下降。

图6为滚轮不同滚压角度滚压后螺栓的疲劳寿命预测。滚压角度对平头螺栓疲劳寿命影响相对较小，而且由于平头螺栓的圆角与滚压夹具的关系，滚压角度也只能在极小范围内(10°)变动。因此，45°可以为最佳滚压角度。

根据以上计算结果，TC4钛合金M6平头高锁螺栓的滚压优化工艺为：滚轮圆角半径为0.47mm、滚压角度45°、滚压深度0.02mm。实测螺栓疲劳寿命20万次以上。

实施例2

与实施例1步骤一致，结合ABAQUS建立M6规格100°沉头TC4钛合金螺栓圆角滚压和疲劳的有限元模型，通过计算，分析工艺参数与疲劳寿命的关系，得到优化的工艺参数范围。

图7为不同滚压深度螺栓疲劳寿命预测结果，滚压深度增加，螺栓的疲劳寿命迅速上升且在滚压深度约0.045m m时达到最大值；随着滚压量进一步增加，螺栓疲劳寿命略有下降。根据加工要求，螺栓圆角处最大滚压深度不能超过0.05mm。

图8为滚轮不同滚压角度滚压后螺栓的疲劳寿命预测结果。随着滚压角度的增大，螺栓的疲劳寿命先增后减并且在滚压为25°时达到最大值。

图9为不同圆角尺寸滚轮滚压后螺栓的疲劳寿命预测结果。在0.2m m-0.45m m的范围内，螺栓的疲劳寿命随着滚轮圆角半径的增加呈指数上升。

根据以上计算结果，TC4钛合金M6规格100°沉头螺栓的滚压优化工艺为：滚轮圆角半径为0.45m m、滚压角度25°、滚压深度0.045mm。实测螺栓疲劳寿命20万次以上。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。