基于有限元模擬的螺栓退刀槽滾壓輪優化及試驗研究

中圖分類號：TG729；TG668

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.009

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Optimization and Experimental Study of Bolt Retreat Groove Rolling Wheels Based on Finite Element Simulation

NIU Yanzhao1LIU Hongwei1SONG Yali2ZHU Xianglong1*HUANG Jiamei2KANG Renkel 1.School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning，116024 2.AVIC Changhe Aircraft Industry（Group） Corporation Ltd.，Jingdezhen，Jiangxi，333000

Abstract： The bolt retreat groove surfaces were susceptible to stress concentration and prone to fatigue failure. To bolster the fatigue resistance of bolt's retreat groove surfaces，a specialized rolling tool for the retreat grooves was engineered. The structure of the rolling whels was optimized based on finite element simulation outcomes of the interaction between the roling wheel and the bolt's retreat grooves. The optimized parameters were utilized to create the rolling tools，and a rolling experiments were carried out. The effectiveness of the rolling wheel parameter optimization was validated by assessing the rolled surface quality，fracture morphology，and fatigue life. The findings indicate that the most favorable residual stress results on the retreat groove surfaces are obtained with a YG8 material rolling wheel with diameter of 60mm and face angle of 45^° . A rolling wheel fillet radius of 0.9mm produces the deepest residual compressive stress layers，a radius of 1.1mm yields the highest subsurface residual compressive stress value，and a radius of 1.2mm generates the maximum surface compressive stress. Trials were conducted with rolling tools featuring three distinct fillet radii，and the extended fatigue life of the bolts is ascertained with a 0.9mm fillet radius rolling wheels，thereby confirming the optimal configuration of the rolling tools.

Key words： finite element simulation；bolt retreat groove；rolling wheel； fatigue life；residualstress

0 引言

超高強度鋼具有高強度和良好塑性等優點，被廣泛應用于航空航天關鍵承力部件的制造[]。采用 300M 鋼材料制造的超高強度螺栓被廣泛用于各種飛機結構件的裝配，如直升機槳轂中央件與支臂的連接螺栓、戰斗機發動機與機翼的緊固螺栓等。隨著航空飛機在極端環境中的應用日益增多，對關鍵承力螺栓的疲勞性能要求也越來越高，因此提高高強度鋼螺栓的疲勞性能對飛機安全飛行尤為重要[2]。

在飛機服役過程中，螺栓主要承受交變載荷和振動沖擊[3]，螺栓的根部圓角、退刀槽和螺紋根部是應力集中部位，容易發生疲勞破壞[4-5]。為提高螺栓抗疲勞性能，一般采用表面滾壓強化技術對螺栓表面進行處理。表面滾壓強化技術通過滾壓輪的作用載荷超出材料屈服極限來使材料表面發生局部塑性變形，從而改善表面形貌，引入加工硬化，增強表面疲勞抗力[6。現階段，國內外學者對螺栓表面滾壓進行了很多研究。在滾壓加工參數方面：王棟等通過單因素試驗探究了不同滾壓深度、滾壓速度和滾壓次數對螺紋根部表面完整性的影響，結果表明，滾壓強化技術可以顯著提高螺紋根部的表面完整性，滾壓深度影響最為顯著；曹鳳梅探究了不同滾壓力和滾壓圈數對滾壓后螺栓抗拉強度的影響，結果表明，螺栓抗拉強度及硬度值隨著滾壓力的增大而不斷增大；劉婧穎等9對TC4鈦合金螺栓根部圓角進行仿真，研究了不同滾壓轉速、時間和滾壓力等對螺栓根部圓角滾壓表面殘余應力的影響規律，結果表明，滾壓時間、滾壓力和滾壓轉速對鈦合金螺栓根部圓角殘余應力的影響程度逐漸減小。在滾壓工具結構參數方面：袁武華等[10]研究了滾輪圓角半徑對滾壓后螺栓疲勞性能的影響，結果表明，最佳滾輪圓角半徑為螺栓圓角半徑的 90%～95% ，尺寸過大或過小均會導致疲勞壽命顯著縮短；程明龍等[11]研究了滾輪型面夾角、直徑和圓弧半徑對滾壓表面殘余應力的影響規律，結果表明，滾輪型面夾角越小，滾壓后引入的殘余壓應力層越深，較小的滾輪直徑有利于引入較大的殘余壓應力和殘余應力層深，較大的圓弧半徑可獲得較高的表面殘余壓應力和最大殘余壓應力。

上述研究表明，滾壓強化是提高螺栓疲勞抗力的有效方法，滾壓加工參數與滾壓輪結構參數對滾壓表面質量及疲勞性能都有重要影響作用，但上述研究集中于螺栓螺紋與根部圓角的滾壓應用。筆者所在團隊對螺栓退刀槽部位進行了滾壓工藝參數研究[12]，確定了較優的滾壓加工參數，因此，本文探索滾壓輪結構參數對滾壓表面質量影響，確定較優滾壓輪結構參數，這對設計螺栓退刀槽滾壓工具，進一步延長螺栓退刀槽疲勞壽命有著重要意義。

本文首先介紹了一種適用于螺栓退刀槽的滾壓工具結構，其次利用滾壓仿真指導滾壓輪結構優化，然后利用設計的滾壓工具進行試驗探索，最后以螺栓樣件進行滾壓應用與效果驗證。

1螺栓退刀槽滾壓工具結構

螺栓退刀槽部位由斜線-圓弧-直線-圓弧-斜線組成，其輪廓如圖1所示。根據退刀槽結構設計的滾壓工具如圖2所示，主要由滾壓輪、壓板、軸承、芯軸、叉架、銷軸、刀柄和拉緊螺釘組成。其中滾壓輪的結構特征如圖3所示，主要包括滾壓輪直徑、型面夾角和圓弧半徑。

2螺栓退刀槽滾壓有限元模擬

2.1 模型建立

考慮仿真效率，選取螺栓退刀槽直線段CD部位為建模對象，建立滾壓輪與螺栓退刀槽模型，如圖4所示。螺栓材料力學性能通過電液伺服動靜萬能試驗機按照《GB/T228.1—2021》進行拉伸試驗獲取，得到 300M 鋼材料的屈服強度為1632.9MPa ，抗拉強度為 1914.86MPa ，彈性模量為206.71GPa，泊松比為0.3。滾壓過程設置3個分析步：第1分析步為滾壓輪徑向進給至接觸螺栓退刀槽；第2分析步為軸向滾壓；第3分析步為滾壓輪退刀。滾壓過程中設置主軸轉速 600r/min 、進給量 0.02mm/r 、滾壓深度 0.11mm 。滾壓輪設置為剛體，網格類型為C3D10M；螺栓采用耦合約束，網格類型為C3D8R。

2.2 模型驗證

在有限元模擬結果中一般用等效塑性應變層表征硬化層[11]，螺栓在深度方向上的等效塑性應變分布如圖5a所示，在層深 404μm 位置等效塑性應變減小為0，表明最大硬化層深為 404μm 。在單點全自動顯微維氏硬度計上采用正四棱錐金剛石壓頭，加載質量 500g ，保荷 10s ，對螺栓進行維氏硬度檢測。螺栓在深度方向上的硬度分布如圖5b所示，距退刀槽表面 390μm 處硬度達到基體硬度，表明滾壓后螺栓退刀槽硬化層為 390μm 。

2.3不同滾壓輪參數模擬結果與分析

2.3.1 研究方案

為研究不同滾壓輪材料、直徑、型面夾角和圓孤半徑對螺栓滾壓后表面應力、應力層深和最大殘余應力的影響，本文采用表1所示的研究方案。

表1單因素方案

2.3.2 滾壓輪材料對殘余應力分布的影響

為研究滾壓輪材料對殘余應力的影響，對滾壓輪進行不同材料屬性設置，具體如表2所示。圖6所示為殘余應力分布結果，可知，不同材料的滾壓輪對螺栓滾壓表面殘余應力的影響具有明顯差異，但仍能明顯區分出當滾壓輪材料為YT15和M2高速鋼時，殘余應力分布都處于劣勢，因此對這兩種材料不予考慮。

當滾壓輪材料為YG8時，滾壓后螺栓表面殘余壓應力值為 45.84MPa ；當滾壓輪材料為YG10時，滾壓后螺栓表面殘余壓應力值為 41.79MPa ，兩者數值比較接近；當滾壓輪材料為YG15時，滾壓后螺栓表面殘余壓應力值最大，為136.14MPa 。對比最大殘余壓應力和應力層深發現，滾壓輪材料為YG8時退刀槽表面次表層殘余壓應力值最大，且壓應力層最深，與材料YG10和YG15相比，最大殘余應力值分別大 31.83% 和78.33% ，層深分別大 18.69% 和 15.61% 。綜合以上分析可知，滾壓輪材料為YG8時，退刀槽滾壓表面殘余應力綜合作用最優，因此，本文滾壓輪材料選擇YG8。

2.3.3 滾壓輪直徑對殘余應力分布的影響

滾壓輪不同直徑對螺栓滾壓后殘余應力的影響如圖7所示，可知，滾壓輪直徑在 45～65mm 范圍內，隨著直徑的增大，螺栓表面殘余應力先增大后減小再逐漸增大，但其增幅范圍很小。對比不同直徑的最大殘余壓應力和壓應力層深可知，滾壓輪直徑為 60mm 時，最大殘余壓應力最大，為 338.28MPa ，且壓應力層最深，為 1219.9μm 。綜合考慮螺栓滾壓后表面殘余應力、應力層深及最大殘余應力的數值，選擇滾壓輪直徑為 60mm 。

2.3.4 滾壓輪型面夾角對殘余應力分布的影響

滾壓輪型面夾角對殘余應力的影響如圖8所示，可知，當型面夾角由 35^° 增大到 45^° 時，最大殘余壓應力和應力層深逐漸減大；當型面夾角由45^° 增大到 55^° 時，最大殘余壓應力和應力層深都減小。型面夾角 45^° 是滾壓后螺栓最大殘余壓應力和應力層深的拐點，綜合考慮螺栓滾壓后表面殘余壓應力、應力層深和最大殘余壓應力的數值，選擇滾壓輪型面夾角為 45^° 。

2.3.5 滾壓輪圓弧半徑對殘余應力分布的影響

不同滾壓輪圓弧半徑對殘余應力的影響如圖9所示，可知，當圓弧半徑為 0.8mm 時，表面殘余應力為拉應力，其最大殘余壓應力也較小，故該參數不予考慮；圓弧半徑由 0.9mm 增大至 1.2mm 時，表面殘余壓應力不斷增大，但應力層深逐漸減小，圓弧半徑為 0.9mm 時的層深最大，圓弧半徑為 1.2mm 時的表面壓應力最大，兩者各具獨特優勢。對比圓弧半徑為 1mm 與 1.1mm 的殘余應力分布可發現，兩者應力層深相近，但圓弧半徑為 1.1mm 時的最大殘余壓應力和表面壓應力更優，因此認為圓弧半徑為 1.1mm 的滾壓輪優于1mm 的滾壓輪。

通過對滾壓輪材料、直徑、型面夾角和圓弧半徑的仿真分析可知，滾壓輪材料、直徑和型面夾角有確定的優化目標，然而當圓弧半徑為0.9、1.1和 1.2mm 時各具有不同的優勢，因此對圓弧半徑參數的優化存在多項選擇。為確定較優滾壓工具結構，根據模擬結果，確定滾壓輪材料為YG8、直徑為 60mm 和型面夾角為 45^° ，對不同圓弧半徑的滾壓工具進行設計研制與試驗研究。

3滾壓工具性能驗證

3.1 滾壓工具與樣件

基于有限元模擬結果，選擇滾壓輪材料為YG8、直徑為 60mm 和型面夾角為 45^° ，設計3種不同圓弧半徑的滾壓工具，如圖10所示。

采用與有限元模擬中相同的滾壓方案，在大連理工大學自主研發的滾壓強化工裝上對 300M 鋼樣件進行滾壓（圖11），滾壓現場如圖12所示。

3.2 檢測結果與分析

3.2.1 表面粗糙度檢測

利用ZYGO3D表面輪廓儀檢測 300M 鋼滾壓樣件表面粗糙度 Sa ，結果如圖13所示。

圖12滾壓試驗 Fig.12 Rolling test

由圖13可以看出，未滾壓的樣件表面有明顯的周向加工刀痕[13]，表面粗糙度高達 0.371μm ，樣件滾壓后表面粗糙度值明顯減小，但不同滾壓輪滾壓后的表面粗糙度有明顯差異。樣件經滾壓輪A、B和C滾壓后表面粗糙度分別為0.068μm、0.119μm 和 0.126μm 。與滾壓輪C滾壓后的樣件表面相比，滾壓輪A和B滾壓后表面粗糙度值更優，這可能是由于圓弧半徑越小，退刀槽表面受到滾壓輪的載荷越大，導致的塑性變形程度越大[14]，因此滾壓輪A圓弧半徑最小，表面粗糙度最優，而滾壓輪C圓弧半徑最大，塑性變形相對不均勻，表面粗糙度最差。

3.2.2 殘余應力檢測

利用X射線應力測定儀對 300M 鋼滾壓樣件進行殘余應力檢測，結果如圖14所示。由圖14可知，滾壓后樣件表面殘余壓應力比未滾壓前大，其中樣件經滾壓輪A滾壓后表面殘余壓應力增加 227.5MPa ；經滾壓輪B滾壓后表面殘余壓應力增加 277.66MPa ；經滾壓輪C滾壓后表面殘余壓應力增加 403.37MPa ，該增大趨勢與仿真結果相同，再次驗證了模型的準確性。

3.2.3 微觀組織的SEM表征

滾壓前后樣件的表層微觀組織如圖15所示。由圖15可以看出， 300M 鋼樣件表層微觀組織主要為回火馬氏體[15]，未滾壓樣件表層組織均勻分布，沒有明顯的梯度結構層[16]；滾壓后的樣件表層微觀組織均出現了明顯的塑性變形層。經滾壓輪A、B、C 滾壓的樣件塑性變形層厚度分別為 155.6μm 、141.6μm，101.0μm 。結果表明，隨著滾壓輪圓弧半徑的減小，塑性變形層厚度變大，這是因為圓弧半徑越小，使樣件表面受到的載荷越大，因此經滾壓輪A滾壓的樣件塑性變形程度最嚴重[17]]。

4螺栓滾壓應用

為了使螺栓能夠在退刀槽部位斷裂，設計圖16所示的螺栓樣件，利用三種不同圓弧半徑的滾壓工具對螺栓樣件進行滾壓，滾壓參數依然與有限元模擬中一致。

4.1 疲勞試驗

疲勞壽命測試方法為多級載荷加載[18]，載荷等級水平見表3，每級測試30萬次后提高一個等級，直至螺栓斷裂。加載頻率為 10Hz ，應力比r=0.1 ，疲勞測試結果如圖17所示。

由圖17可知，未滾壓螺栓疲勞壽命為31.26萬次，不同圓弧半徑的滾壓輪滾壓后的螺栓疲勞壽命有不同程度的延長，滾壓輪A、B、C滾壓后的螺栓疲勞壽命分別達90.77萬次、68.93萬次、65.04萬次。滾壓輪A滾壓后的螺栓疲勞壽命較未滾壓的延長了 190.34% ，較滾壓輪B滾壓后延長了 31.68% ，較滾壓輪C滾壓后延長了 39.56% 。

4.2 斷口檢測

在FEIQ45掃描電鏡上對滾壓前后螺栓的斷口形貌進行檢測，斷口形貌如圖18所示。

從圖18中可以看出，滾壓與未滾壓的螺栓斷口區域都依次出現裂紋萌生區、裂紋擴展區和瞬斷區[19]。其中未滾壓的螺栓斷口區域出現三個裂紋萌生區，且三個區域均出現在表層；滾壓輪A滾壓后的螺栓斷口區域出現一個裂紋萌生區，此裂紋萌生區出現在距離表層 746.4μm 的次表層區域；滾壓輪B滾壓后的螺栓斷口區域也出現一個裂紋萌生區，裂紋萌生區出現在表層；滾壓輪C滾壓后的螺栓斷口區域也僅出現一個裂紋萌生區，但此裂紋萌生區明顯是由螺栓表面缺陷引起的，因為螺栓經滾壓輪C滾壓后表面粗糙度較大導致缺陷的產生。

通過以上分析可得滾壓輪的最優參數為：材料YG8、直徑 60mm 、型面夾角 45^° 、圓弧半徑0.9mm ，此時的參數對滾壓后螺栓的表面質量及疲勞性能的提高程度最為顯著。

5結論

1）建立的螺栓退刀槽滾壓仿真模型有效，可依據殘余應力模擬結果指導滾壓輪參數優化。

2）當滾壓輪材料為YG8、直徑 60mm 和型面夾角 45^° 時滾壓表面殘余應力綜合最優；滾壓輪圓弧半徑為 0.9mm 時，螺栓滾壓后的應力層深最大， 1.1mm 時最大殘余壓應力最大，1.2mm 時表面殘余壓應力最大。

3）與滾壓輪B、滾壓輪C相比，滾壓輪A滾壓后的樣件表面壓應力最小，但表面粗糙度最好，塑性變形層厚度最深、疲勞壽命最優。

4）最優滾壓輪參數為：材料YG8、直徑60mm 、型面夾角 45^° 和圓弧半徑 0.9mm 。

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