滚压强化工艺对45钢螺纹齿根表面完整性的影响研究

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随着我国工业实力的持续增长,对机械设备的性能指标和要求逐渐提升,对机械设备结构中一些重要连接件如螺栓连接件也提出了更高的要求。螺栓连接件失效断裂主要发生在螺纹齿根,裂纹源集中在螺纹齿根部位,属于疲劳断裂。减小应力集中是延缓和推迟螺纹疲劳微裂纹形成的主要途径。要想提高关键部位螺栓连接件的使用寿命和疲劳性能,一方面要使用高强度乃至超高强度的螺栓材料,另一方面则需要使用强化加工工艺。螺纹齿根圆角滚压强化属于螺纹强化工艺的一种,该工艺使螺纹齿根金属材料表层发生弹塑性变形,从而降低螺纹齿根表面粗糙度值,形成晶粒细化层,提高螺纹表层的显微硬度,形成有利的残余应力场,最终可以提高螺纹的疲劳强度,增加使用寿命。本文以45钢螺纹试样为研究对象,开展螺纹齿根圆角滚压强化工艺参数对螺纹齿根表面完整性的影响研究,主要研究内容及结论如下:(1)自主研制了基于CA6140普通车床螺纹齿根滚压强化装置。整体装置主要有机械部分和液压部分组成。该装置采用对称结构,可以实现自平衡的功能,抵消径向力对螺纹试样及车床主轴的影响。(2)使用有限元分析软件ABAQUS/Explicit建立螺纹滚压强化的模型,通过对仿真结果的分析,预测实际滚压过程后残余应力的分布情况,得出了滚压深度和滚压速度对于残余应力的影响规律。(3)通过对45钢螺纹试样进行齿根滚压强化试验,研究了滚压强化工艺参数(滚压深度、滚压速度、滚压次数)对螺纹齿根表面粗糙度、表层显微硬度、残余应力,表层显微组织等表面完整性参数的影响规律。结果表明:表层残余应力呈勺型分布,残余压应力最大值随着滚压深度的增加而增加,而滚压速度和滚压次数的改变对残余压应力的影响较小;滚压强化工艺可以有效改善螺纹齿根的表面粗糙度;表层显微硬度得到了显著的提高,随着滚压深度的增加,显微硬度值呈现先增大再保持稳定的变化趋势;螺纹齿根表层形成了明显的晶粒细化层,其导致了试样残余应力,表层显微硬度的变化。
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