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如何利用倒R角規避應力集中于角部而發生破損的方法

發布日期: 2023-09-12

如果你是機械設計工程師,我想你會經歷過設計的零件斷裂、折斷的破損問題。如果發生在試制階段還好,但若發生在量產后,有時會給顧客帶來麻煩,會造成重大問題。
破損問題在形狀上稍加考慮就能夠避免。本文就利用倒R角規避應力集中于角部而發生破損的方法做一下介紹。

 

什么是應力集中?

“應力集中”是應力集中于材料某一部位的狀態?!皯Α笔鞘┘釉诓牧蠁挝唤孛娣e的荷載。另外,最大應力與平均應力之比叫做“應力集中系數”。
“應力集中系數”在零件形狀發生急劇變化的部位會變大。因此應力在面與面垂直交叉的角部非常大。進行設計時,應事前了解容易發生應力集中的形狀并注意預防破損。
在此介紹一下常見的容易發生應力集中的形狀例子。

? 棒材
旋轉的輥軸等是棒材的例子。輥軸有時要安裝擋圈等,為了安裝擋圈會加工細的溝槽。軸在溝槽的部位容易應力集中,有時會以該點為起點產生裂紋、折斷。

? 鈑金、沖壓零件
在鈑金和沖壓零件中,會經常見到將板彎成直角時在彎曲的內側卻未帶圓角的情況。在施加荷載時,在彎曲的內側會有應力集中,有時會導致鈑金破損。另外為了確保彎曲角度的精度,有一種加工方法是在彎曲根部事先做出被稱為“楔角”的切痕?!靶ń恰比菀讘?,施加荷載使用時需要予以注意。

? 樹脂
樹脂的應力集中容易發生在被稱為“卡扣”的形狀上?!翱邸笔鞘箻渲冃尾⑶度雽Ψ搅慵M行固定的方法。也經常被叫做“掀鈕”,它是玩具蓋等常見的形狀。在嵌入變形時會受到較大的力,應力就會集中在“卡扣”的根部。

 

倒R角來避免應力集中

在機械設計中,如何應用倒R角來避免應力集中

為了避免應力集中進行倒R角是有效的。當倒R角時,能夠使零件的形狀變化變得平緩,應力集中變小。R角越大越好。但是零件與其他零件進行組裝時,需要注意不要因為加大了R角而產生干涉。
在前述的例子中,可以如下倒R角。

? 棒材
擋圈的溝槽由于規定了推薦的尺寸,因此無法倒太大的R角。請在溝槽的根部采用R0.2左右的小R。

? 鈑金、沖壓零件
請在鈑金的彎曲根部倒內R角。但是有時垂直度精度會下降,需要注意。而關于楔角,請通過加工協商來要求不要加“楔角”。也可以在圖紙的附注中予以記載。

? 樹脂
請在樹脂的“卡扣”根部加R角?!翱邸笔菫榱四軌蚯度攵箻渲冃蔚男螤?。為了確認僅加R角是否足夠,最好進行強度解析來確認應力是否足夠小。

 

倒R角以外的防止破損方法

在機械設計中,還有倒R角以外的防止破損方法嗎?

為了預防應力集中而造成的破損最好是倒R角,但有時在設計上無論如何都無法倒R角。這種情況下,最好研討以下的方法。

? 改變材質
使用棒材SUM材料時,可以通過將材料變更為SUS材料來提高強度。另外如果是樹脂材料,請選擇“拉伸強度”大的材質。

? 添加加強筋
在強度較弱的部位添加加強筋。這是樹脂常用的方法,鈑金也可以添加加強筋。例如,可以在彎曲的兩側通過焊接來追加加強筋。另外,如果是沖壓加工,也可以在外周拉伸的狀態下進行彎曲。

? 放大
如果是棒狀材料只要加大直徑就會提高強度。另外,如果是鈑金可以加大板厚。樹脂的情況也同樣,請加大厚度。注塑成型的情況下,提高平均厚度可以提高強度,并能夠減少該部分相應的加強筋數量。在有的情況下還可以通過提高強度、降低重量來降低成本??梢灾贫ㄈ舾煞桨?,進行強度解析來加以比較。

 

總結
作為機械設計工程師必須設計不易損壞的產品。請掌握會受到多大程度的力,并使形狀避免應力集中。通過倒R角來避免應力集中最為有效,但無法加R角時也有對策方法。由于最近的強度解析軟件非常好用,請設計人員在制作3D模型后進行強度解析。

 

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