裝配應(yīng)力對(duì)螺釘質(zhì)量的影響及改善

史群伊

寧波方太廚具有限公司 浙江寧波 315336

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，質(zhì)量是產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，只有提升產(chǎn)品質(zhì)量，開發(fā)和制造出低成本、高質(zhì)量的產(chǎn)品，才能在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

本人結(jié)合質(zhì)量需求和工作范疇選取了裝配應(yīng)力導(dǎo)致爐頭螺釘斷裂的質(zhì)量問題，結(jié)合應(yīng)力變形的產(chǎn)生原理及理論消除減少方法，改善灶具因應(yīng)力變形導(dǎo)致不良，從而提升灶具質(zhì)量，規(guī)避后續(xù)新品開發(fā)時(shí)重復(fù)同類質(zhì)量問題。

本論文正是以此作為背景，闡述了本人對(duì)裝配應(yīng)力的理解及改善措施。

選題背景及意義：

產(chǎn)品年產(chǎn)量突破100W臺(tái)，并產(chǎn)量每年以20%增長，質(zhì)量的提升尤為重要。在線質(zhì)量問題排在前列的裝配應(yīng)力變形不良項(xiàng)為：固定基座螺釘斷裂，不良產(chǎn)生無規(guī)律且固定爐頭螺釘斷裂問題隱患較大，將嚴(yán)重影響過程質(zhì)量、市場(chǎng)質(zhì)量。因此，選取裝配應(yīng)力對(duì)螺釘質(zhì)量的影響及改善。

1 裝配應(yīng)力的基本概念

裝配應(yīng)力——在超靜定結(jié)構(gòu)中，由于制造、裝配不準(zhǔn)確，在結(jié)構(gòu)裝配好后不受外力作用即已存在的應(yīng)力。

1.1 應(yīng)力集中的概念

應(yīng)力集中：由于桿件外形突然變化而引起局部應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象。

截面尺寸改變?cè)郊眲。窃郊?，孔越小，?yīng)力集中的程度越嚴(yán)重。在構(gòu)件上開孔、開槽時(shí)采用圓形、橢圓或帶圓角的，避免或禁開方形及帶尖角的孔槽，在截面改變處盡量采用光滑連接等。

（a）靜載荷作用下：

塑性材料所制成的構(gòu)件對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度較小；

脆性材料所制成的構(gòu)件必須要考慮應(yīng)力集中的影響。

（b）動(dòng)載荷作用下：

無論是塑性材料制成的構(gòu)件還是脆性材料所制成的構(gòu)件都必須要考慮應(yīng)力集中的影響。

1.2 擠壓力圖示

2 裝配應(yīng)力在爐頭固定螺釘斷裂上的影響

2.1 固定基座螺釘斷裂

在鑄鐵爐頭固定螺釘主要為M4X12碳鋼鍍鋅自攻鎖緊螺釘，主要造成螺釘?shù)膽?yīng)力有兩大類：剪切力、橫向擠壓力；而造成螺釘裝配應(yīng)力的主要為裝配各部件公差累加，而固定結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生應(yīng)力較大，都集中在螺釘上。導(dǎo)致碳鋼螺釘無法承受應(yīng)力變形斷裂。

2.2 螺釘模擬受力分析

所用軟件為ANSYS15.0。模擬主要針對(duì)以下情況：（1）螺釘與基座接觸面不平，導(dǎo)致螺釘受力不均勻；（2）基座與螺釘孔不同心，導(dǎo)致螺釘受到橫向力作用。

現(xiàn)假定螺釘需要鎖緊力（為均布力和集中力之和）為1000N（100公斤），橫向力為100N（10公斤）。兩因子兩水品，不做中心點(diǎn)，不重復(fù)，共4個(gè)模擬。

螺釘受力均勻，且不受橫向力作用

螺釘受力不均勻，均布力與集中力（實(shí)際上為集中于一小塊面積上的均布力）各占50%，不受橫向力

螺釘受力均勻，受橫向力作用

螺釘受力不均勻，均布力與集中力各占50%，受橫向力作用

假定嚙合面距離螺釘頭部5mm，螺釘為M4*12，模擬過程略。

模擬結(jié)果：

結(jié)果一，螺釘受力均勻，且不受橫向力作用。均布力1000N。最大應(yīng)力為134.29Mpa，最大應(yīng)力（圖中紅色Max位置）位于嚙合處。此時(shí)螺釘基本不可能斷裂。

結(jié)果二，螺釘受力不均勻，且不受橫向力作用。均布力500N，集中力500N。最大應(yīng)力為568.43Mpa，最大應(yīng)力位于嚙合處。該最大應(yīng)力已經(jīng)超過了螺釘?shù)臉O限應(yīng)力，螺釘基本上可以確定已經(jīng)斷了。

結(jié)果三，螺釘受力均勻，受橫向力作用。均布力1000N，橫向力100N最大應(yīng)力為260.12Mpa，最大應(yīng)力位于嚙合處。該最大應(yīng)力雖然有增加，但是距離螺釘?shù)臉O限應(yīng)力很遠(yuǎn)，螺釘也不太可能斷。

結(jié)果四，螺釘受力不均勻，受橫向力作用。均布力500N，集中力500N，橫向力100N。最大應(yīng)力為699.26Mpa，最大應(yīng)力位于嚙合處。最大應(yīng)力達(dá)到最大，超過螺釘極限應(yīng)力約60%，螺釘基本也斷了。

結(jié)論：從以上模擬情況看，可以得出以下結(jié)論：

（1）螺釘受力不均勻?yàn)閷?dǎo)致螺釘易斷的主要原因；

（2）橫向力也對(duì)螺釘斷裂起了很大的促進(jìn)作用

（3）不同受力情況的螺釘最大應(yīng)力均位于嚙合面附近的第一個(gè)齒根部（現(xiàn)狀）

（4）采用不銹鐵螺釘將使螺釘?shù)那?qiáng)度增加。

2.3 減小裝配應(yīng)力

原裝配為超靜定結(jié)構(gòu)。

固定進(jìn)氣管→預(yù)擰銅管→固定爐頭

各部件累加的公差值為3.26mm，原螺釘直徑為M4，基本偏大半個(gè)螺紋孔，螺釘固定后橫向力非常大。

2.4 改善方案

（1）固定結(jié)構(gòu)從超靜定結(jié)構(gòu)改為靜定結(jié)構(gòu)。消除應(yīng)力。

更改工藝：固定爐頭→預(yù)擰銅管→固定進(jìn)氣管

利用進(jìn)氣管上腰型孔，使公差累加值在進(jìn)氣管腰型孔上進(jìn)行補(bǔ)償。使應(yīng)力消除。

（2）提升螺釘質(zhì)量，更改材質(zhì)，為不銹鐵。提升螺釘自身性能。

（3）對(duì)所有灶具型號(hào)固定爐頭或固定基座螺釘進(jìn)行改善。

（4）導(dǎo)入技術(shù)CBB從設(shè)計(jì)時(shí)就考慮進(jìn)補(bǔ)償位。

3 結(jié)論與展望

本文論述了裝配應(yīng)力導(dǎo)致了爐頭固定螺釘斷裂，利用ANSYS 15.0軟件模擬螺釘受力分析進(jìn)行改善，并從工藝上消除、減小應(yīng)力源，把超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)。以爐頭固定螺釘斷裂這案例，輻射到灶具所有螺釘，降低裝配應(yīng)力對(duì)螺釘質(zhì)量的影響，這樣可以進(jìn)一步提高灶具安裝可靠性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量、消除隱患和提高顧客滿意度。