喷丸强化在改善螺栓抗疲劳性能中的应用

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Application of Shot-Peening Strength on ImprovingAnti-fatigue Property of BoltQin Liujun Gu Boqin(College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Jiangsu Key Laboratory ofProcess Enhancement and New Energy Equipment Technology，N帅jing Jiangsu 210009，China)Abstract：The bolt used in compressor often causes fatigue failure under dynamic load.By the finite element softwareABAQUS，2D bolt model and 3 D bolt model for single shot-peening process were built.The results of 2D model analysisshow that the stress concentration value at the first thread of bolt and nut meshing is the greatest，where the fatigue failureis easy to occur；The stress concentration value at the transition section of bolt shaft and end is the minimum.The an alysisresults correspond with the real situation.Th rough 3 D shot-peening model analysis of bolt，the real bolt stress and strainvalues under diferent load were calculated，and the stress concentration value of diferent bolt sections and fatigue life val-He were obtained.By the comparison of the fatigu e life before and after shot-peening processing，the results show that aftershot。peening processing，the anti-fatigue property of bolts is improved.So it is feasible to improve the anti-fatigu e propertyof bolts by shot-peening processing，and the possibility of seal connection is enhanced。

Keywords：bolt；stress concentration；shot-peening；fatigue life螺纹连接件作为-种最常用的连接形式被广泛应用于机械、能源、化工等行业。在过程工业中，螺栓常常被用于螺栓法兰连接结构中，不仅用来保证结构连接的可靠性，同时又保证连接的密封性能。在动载荷作用下，螺栓 的破坏形式主要表现为疲劳破坏 。实际生产中，由于疲劳强度的不足，螺栓频基金项目：国家自然科学基金项目 (10872088)；扬子石化公司科技开发项目资助。

收稿 日期：2012-12-17作者简介：秦留军 (1986-)，硕士，研究方向为流体工程及密封技术 .E-mail：qlj8ll###163.com。

频出现断裂，给生产生活带来了很大的危害。因此，如何提高螺栓的抗疲劳性能，延长其使用寿命，成为研究的重点。选用更高强度的材料、加大过渡圆角半径和采用滚压工艺加工螺纹可以有效地提高螺栓的疲劳性能 J。喷丸工艺可以有效地改善金属材料的疲劳性能，提高零部件在动载荷作用下 的疲劳寿命 。随着计算机技术和有限元技术的飞速发展，研究人员建立了单粒弹丸和多粒弹丸撞击靶材的有限元模型，实现了喷丸工艺的数值化分析，为进-步研究喷丸机制奠定了-定的基础 。

本文作者探讨了玻璃喷丸工艺对提高螺栓疲劳寿命的影响，运用有限元软件 ABAQUS建立了喷丸前润滑与密封 第 38卷即螺栓光杆至螺纹的过渡处为20%，螺栓头至杆部的圆弧过渡处为 15% 。通过螺栓疲劳试验发现，螺母与螺栓旋合第-扣螺纹处最先出现疲劳失效∩知，数值分析与实际情况是-致的。

2 喷丸对螺栓抗疲劳性能的影响喷丸工艺是常用的提高金属材料疲劳寿命的-种冷加工工艺。当弹丸以-定的速度冲击工件表面时，由于表面不均匀的塑性变形，便在工件表面引入了残余压应力，从而有效阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，显著提高工件的使用寿命 ]。本文作者采用喷丸工艺来提高螺栓的抗疲劳性能。通过有限元软件ABAQUS建立弹丸撞击螺栓的三维有限元实体模型，求出喷丸前后的螺栓疲劳寿命。

螺栓材料定义为40Cr，弹丸定义为玻璃丸，材料参数列于表 1。并对实体网格细化，提高计算精度。螺栓、弹丸的网格划分如 图 4所示。采用C3D8R单元，定义弹丸速度为20 m/s。

图4 螺栓-弹丸喷丸处理网格模型Fig 4 Grid model of bolt and shot-peening process取螺栓预紧力分别为 30，55，83，100，125，143，169，190 MPa和螺栓载荷P46 MPa。分别进行有限元计算，得出喷丸前后螺栓节点的应变之差和应力均值。

根据40Cr钢光滑杆件疲劳试样应变-疲劳寿命回归方程△ N-n 056 50. 236 8 N-n 5B2。 (4)式中：△ 为应变差；N为螺栓疲劳寿命，次。

利用有限元计算得到的应力和应变值，可求出喷丸前后螺栓的疲劳寿命。计算结果列于表2中。

表2中，A6 和Ⅳ，为经过喷丸处理后螺栓节点的应变差值、应力和寿命值；△占 和Ⅳ：为未经喷丸处理的螺栓节点应变差值、应力和寿命值。通过对比表中喷丸前后螺栓的疲劳寿命可以看出，经过喷丸处理后螺栓的疲劳寿命值得到了明显的提高。螺栓喷丸前后的载荷-寿命曲线如图5所示。

表2 喷丸前后螺栓疲劳寿命Table 2 The fatigue life of bolt before and after shot-peening蚕萋、- 隶襄载p/Mea图5 螺栓喷丸前后疲劳寿命曲线Fig 5 Fatigue life Cll-qe$of bolt before and after shot-peening processing由表2和图5可知，经过喷丸后 ，螺栓的疲劳寿命得到了很大的提高。随着预紧力的增加，螺栓的疲劳寿命也逐渐提高。由此可知，喷丸工艺可以用来提高螺栓的抗疲劳性能，延长其疲劳寿命，为实际生产中螺栓的疲劳寿命不足问题，提供了可靠的解决方案。

3 结论(1)螺纹连接第-扣处的应力集中系数最大，在动载荷作用下，该处将首先出现破坏，理论分析与实际情况是相符的。

(2)随着预紧力的增加，螺栓的疲劳寿命也逐渐提高。即在螺栓承受载荷前，施加适当的预紧力，可以有效地提高螺栓的疲劳寿命。

(3)喷丸强化可有效改善螺栓的抗疲劳性能，与未喷丸强化处理的螺栓相比，喷丸处理后螺栓的疲劳寿命可提高3～8倍。