高强度螺栓热镦成形缺陷预测与工艺参数优化研究

引言:高强度螺栓作为关键的连接件，广泛应用于航空航天、机械制造、汽车工业等众多领域 。其质量与性能直接关乎到整个结构或设备的安全性与可靠性。热镦成形工艺凭借高效、材料利用率高等优势，成为高强度螺栓制造的常用方法。然而，在热镦成形过程中，因工艺参数选择不当，常出现过热过烧、折叠、裂纹、模具开裂等缺陷，严重影响产品质量与生产效率 。因此，对高强度螺栓热镦成形缺陷进行预测并优化工艺参数，具有重要的工程实际意义和理论研究价值。

一、高强度螺栓热镦成形工艺概述

（一）热镦成形原理

热镦成形是在加热状态下，对金属坯料施加外力，使其在模具型腔中产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸零件的加工方法。在高温环境下，金属的塑性增强、变形抗力降低，有利于实现较大变形量的成形 。对于高强度螺栓，通常将坯料加热到合适温度后，通过冲头的压力使其在模具中镦粗、成型头部等。

（二）热镦成形工艺流程

一般的高强度螺栓热镦成形工艺流程包括：原材料准备（根据螺栓规格选择合适的钢材，并进行下料）、坯料加热（利用感应加热等方式将坯料加热到预定的热镦温度）、热镦成形（在热镦设备上，通过模具对加热后的坯料进行镦制）、后续处理（如冷却、清理、热处理等） 。每个环节的工艺控制都对最终产品质量有重要影响。

（三）影响热镦成形质量的因素

影响高强度螺栓热镦成形质量的因素众多，主要包括坯料加热温度、镦制速度、模具与坯料间的摩擦因数、模具结构设计、材料性能等。其中，坯料加热温 直接影响金属的流动性和变形抗力；镦制速度决定了变形过程中的应变速率，进而影响材料的加工硬化和动态再结晶行为；摩擦因数影响金属在模具中的流动均匀性以及模具的磨损情况 。

二、热镦成形缺陷分析与预测

（一）常见缺陷类型

1.过热过烧：当坯料加热温度过高或在高温下停留时间过长时，会出现晶粒粗大的过热现象，严重时甚至晶界氧化、熔化，即过烧。过热过烧的螺栓力学性能显著下降，易发生断裂 。

2.折叠：在热镦过程中，金属流动不均匀，部分金属可能会被卷入到已成形部分，形成折叠缺陷。折叠处金属的连续性被破坏，降低了螺栓的强度和疲劳性能 。

3.裂纹：裂纹是热镦成形中较为严重的缺陷，可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹通常在热镦过程中高温阶段产生，与金属的凝固、收缩以及应力集中有关；冷裂纹则是在冷却过程中，由于组织转变产生的内应力以及氢的作用等因素导致 。

4.模具开裂：热镦过程中，模具承受着高温、高压以及反复的冲击载荷。如果模具材料选择不当、热处理工艺不合理或者工艺参数不合适，模具容易出现开裂现象，影响生产的连续性和成本 。

（二）缺陷预测方法

1.数值模拟：利用 Deform-3D 等有限元模拟软件，建立高强度螺栓热镦成形的数值模型。通过输入材料参数、工艺参数等，模拟热镦过程中的温度场、应力场、应变场分布，预测可能出现的缺陷位置和类型 。例如，通过分析等效应力和等效应变分布，可以判断金属流动是否均匀，从而预测折叠和裂纹产生的可能性；根据温度场分布，可判断是否存在过热过烧风险 。

2.实验研究：设计热镦成形实验，通过改变不同的工艺参数，观察螺栓的成形质量和缺陷情况。结合金相分析、力学性能测试等手段，深入研究缺陷产生的机理和影响因素 。例如，对出现裂纹的螺栓进行断口分析，探究裂纹产生的原因；通过金相观察，分析过热过烧对晶粒组织的影响 。

三、工艺参数优化研究

（一）正交实验设计

以坯料加热温度、镦制速度、摩擦因数为变量因素，设计正交实验方案。根据实际生产经验和材料特性，确定各因素的取值范围。例如，坯料加热温度可设置为900℃、950℃、1000℃；镦制速度设置为150mm/s、250mm/s、300mm/s；摩擦因数设置为 0.1、0.3、0.6 。通过正交实验，可以在较少的实验次数下，全面研究各因素及其交互作用对热镦成形质量的影响 。

（二）数值模拟与实验结合

将正交实验设计的参数组合输入到Deform-3D 数值模拟软件中，模拟热镦成形过程，得到不同参数组合下的镦制力、损伤值、等效应力、等效应变等结果 。同时，进行相应的热镦成形实验，验证模拟结果的准确性。对比模拟和实验结果，分析各工艺参数对热镦成形质量的影响规律 。例如，研究发现随着坯料加热温度升高，镦制力逐渐减小，这是因为温度升高使金属变形抗力降低；随着镦制速度增加，损伤值有一定变化，需要综合考虑其他因素来确定最佳镦制速度 。

（三）多目标优化

以减小镦制力、降低损伤值、优化等效应力和等效应变为目标，采用多目标优化算法对工艺参数进行寻优。常用的优化算法如遗传算法等，通过迭代计算，寻找满足多个目标要求的最优工艺参数组合 。经过优化计算，得到优化后的热镦成形参数为：坯料加热温度为 1020℃、镦制速度为300mm/s 、摩擦因数为0.3 。

四、优化结果验证与分析（一）模拟结果对比

将优化后的工艺参数重新输入到Deform-3D 软件中进行模拟，并与优化前的模拟结果对比。结果显示，优化后的热镦载荷、零件损伤值、等效应力、等效应变等指标均得到改善 。例如，优化后的最大等效应力明显降低，表明螺栓内部的应力分布更加均匀，降低了裂纹产生的风险；最大等效应变更加合理，有利于提高金属的流动性和成形质量 。

（二）生产实践验证

根据优化后的工艺参数进行实际生产，对生产出的高强度螺栓进行质量检测。微观检查结果显示，螺栓无裂纹、折叠、缺损等缺陷；金相等级符合技术要求，证明优化后的工艺参数能够有效提高产品质量 。同时，生产效率也有所提高，体现了工艺参数优化的实际价值 。

结语：本文通过对高强度螺栓热镦成形缺陷的预测和工艺参数优化研究，成功建立了热镦成形的Deform-3D数值仿真热力耦合模型和正交实验优化方案 。通过多目标优化，获得了优化后的热镦成形参数，经模拟和生产实践验证，该参数显著改善了热镦成形质量和效率 。研究成果为高强度螺栓的生产提供了科学合理的工艺参数和技术指导，有助于推动相关行业的发展 。未来的研究可以进一步深入探索更多复杂因素对热镦成形的影响，如材料微观组织演变、模具热疲劳等，以不断完善热镦成形工艺 。

[1]程鹏. 高强度 GH4169 螺栓温成形机理与工艺研究[D]. 北京:北京科技大学,2023.

[2]张翔. GH4169 高强度精密螺栓成形工艺研究[D]. 江西:南昌航空大学,2019.

[3]冷镦高强度螺栓用复相钢线材[Z]. 南京理工大学. 2005.

[4] 武 钢集 团昆 明钢 铁 股份 有限 公 司. 一 种 10.9 级 高强 度螺 栓用 钢 热轧 圆盘 条 的制 备方法:CN201710187077.8[P]. 2018-09-14.

[5] 武 钢集 团昆 明钢 铁 股份 有限 公 司. 一 种 10.9 级 高强 度螺 栓用 钢 热轧 圆盘 条 的制 备方法:CN201710187077.8[P]. 2017-07-07.