一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法技术

本发明专利技术公开了一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，包括如下步骤：通过拉伸试验，获得螺栓材料的真应力应变曲线以及力学性能参数；测试未滚压和不同滚压工艺对应螺栓的粗糙度和疲劳寿命；结合ABAQUS和FE

【技术实现步骤摘要】
一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法


[0001]本专利技术属于紧固件
，该专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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残余应力
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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。

技术实现思路

[0004]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。本专利技术结合ABAQUS和FE
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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。
[0005]本专利技术提供了一种基于ABAQUS和FE
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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：
[0006]本专利技术一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，包括如下步骤：
[0007]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；
[0008]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
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应变数据、泊松比、密度；
[0009]将ABAQUS求解得到的有限元结果文件导入FE
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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
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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；
[0010]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；
[0011]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
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疲劳分析有限元模型的建立；
[0012]步骤4，按步骤3得到的螺栓滚压
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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；
[0013]步骤5，根据实际螺栓规格，通过螺栓圆角滚压
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疲劳分析有限元模型，确定螺栓的最佳圆角滚压工艺。
[0014]作为优选，本专利技术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
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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
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1995。
[0015]本专利技术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。
[0016]作为优选，本专利技术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
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应变数据、泊松比、密度；
[0017]将ABAQUS求解得到的有限元结果文件导入FE
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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。
[0018]作为优选，本专利技术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。
[0019]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。
[0020]作为优选，本专利技术一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，步骤2中，
[0021]Morrow修正后的疲劳模型表达式为：
[0022][0023]式中Δε
t
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总应变范围；N
f
‑
疲劳寿命；σ
′
f
‑
疲劳强度系数；ε
′
f
‑
疲劳延性系数；b
‑
疲劳强度指数；c
‑
疲劳延性指数；E
‑
材料的弹性模量；σ
m
为平均应力。上述公式中，抗拉强度、泊松比、粗糙度决定σ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺栓头下圆角滚压工艺优化方法，其特征在于，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网格模型的建立；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
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疲劳分析有限元模型的建立；步骤4，按步骤3得到的螺栓圆角滚压
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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，通过步骤4所得螺栓圆角滚压
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疲劳分析有限元模型，确定螺栓的最佳圆角滚压工艺。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁武华，邓建伟，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：