史群伊

宁波方太厨具有限公司 浙江宁波 315336

随着市场竞争的日趋激烈，质量是产品的核心竞争力，只有提升产品质量，开发和制造出低成本、高质量的产品，才能在竞争中立于不败之地。

本人结合质量需求和工作范畴选取了装配应力导致炉头螺钉断裂的质量问题，结合应力变形的产生原理及理论消除减少方法，改善灶具因应力变形导致不良，从而提升灶具质量，规避后续新品开发时重复同类质量问题。

本论文正是以此作为背景，阐述了本人对装配应力的理解及改善措施。

选题背景及意义：

产品年产量突破100W台，并产量每年以20%增长，质量的提升尤为重要。在线质量问题排在前列的装配应力变形不良项为：固定基座螺钉断裂，不良产生无规律且固定炉头螺钉断裂问题隐患较大，将严重影响过程质量、市场质量。因此，选取装配应力对螺钉质量的影响及改善。

1 装配应力的基本概念

装配应力——在超静定结构中，由于制造、装配不准确，在结构装配好后不受外力作用即已存在的应力。

1.1 应力集中的概念

应力集中：由于杆件外形突然变化而引起局部应力急剧增大的现象。

截面尺寸改变越急剧，角越尖，孔越小，应力集中的程度越严重。在构件上开孔、开槽时采用圆形、椭圆或带圆角的，避免或禁开方形及带尖角的孔槽，在截面改变处尽量采用光滑连接等。

（a）静载荷作用下：

塑性材料所制成的构件对应力集中的敏感程度较小；

脆性材料所制成的构件必须要考虑应力集中的影响。

（b）动载荷作用下：

无论是塑性材料制成的构件还是脆性材料所制成的构件都必须要考虑应力集中的影响。

1.2 挤压力图示

2 装配应力在炉头固定螺钉断裂上的影响

2.1 固定基座螺钉断裂

在铸铁炉头固定螺钉主要为M4X12碳钢镀锌自攻锁紧螺钉，主要造成螺钉的应力有两大类：剪切力、横向挤压力；而造成螺钉装配应力的主要为装配各部件公差累加，而固定结构为超静定结构，产生应力较大，都集中在螺钉上。导致碳钢螺钉无法承受应力变形断裂。

2.2 螺钉模拟受力分析

所用软件为ANSYS15.0。模拟主要针对以下情况：（1）螺钉与基座接触面不平，导致螺钉受力不均匀；（2）基座与螺钉孔不同心，导致螺钉受到横向力作用。

现假定螺钉需要锁紧力（为均布力和集中力之和）为1000N（100公斤），横向力为100N（10公斤）。两因子两水品，不做中心点，不重复，共4个模拟。

螺钉受力均匀，且不受横向力作用

螺钉受力不均匀，均布力与集中力（实际上为集中于一小块面积上的均布力）各占50%，不受横向力

螺钉受力均匀，受横向力作用

螺钉受力不均匀，均布力与集中力各占50%，受横向力作用

假定啮合面距离螺钉头部5mm，螺钉为M4*12，模拟过程略。

模拟结果：

结果一，螺钉受力均匀，且不受横向力作用。均布力1000N。最大应力为134.29Mpa，最大应力（图中红色Max位置）位于啮合处。此时螺钉基本不可能断裂。

结果二，螺钉受力不均匀，且不受横向力作用。均布力500N，集中力500N。最大应力为568.43Mpa，最大应力位于啮合处。该最大应力已经超过了螺钉的极限应力，螺钉基本上可以确定已经断了。

结果三，螺钉受力均匀，受横向力作用。均布力1000N，横向力100N最大应力为260.12Mpa，最大应力位于啮合处。该最大应力虽然有增加，但是距离螺钉的极限应力很远，螺钉也不太可能断。

结果四，螺钉受力不均匀，受横向力作用。均布力500N，集中力500N，横向力100N。最大应力为699.26Mpa，最大应力位于啮合处。最大应力达到最大，超过螺钉极限应力约60%，螺钉基本也断了。

结论：从以上模拟情况看，可以得出以下结论：

（1）螺钉受力不均匀为导致螺钉易断的主要原因；

（2）横向力也对螺钉断裂起了很大的促进作用

（3）不同受力情况的螺钉最大应力均位于啮合面附近的第一个齿根部（现状）

（4）采用不锈铁螺钉将使螺钉的屈服强度增加。

2.3 减小装配应力

原装配为超静定结构。

固定进气管→预拧铜管→固定炉头

各部件累加的公差值为3.26mm，原螺钉直径为M4，基本偏大半个螺纹孔，螺钉固定后横向力非常大。

2.4 改善方案

（1）固定结构从超静定结构改为静定结构。消除应力。

更改工艺：固定炉头→预拧铜管→固定进气管

利用进气管上腰型孔，使公差累加值在进气管腰型孔上进行补偿。使应力消除。

（2）提升螺钉质量，更改材质，为不锈铁。提升螺钉自身性能。

（3）对所有灶具型号固定炉头或固定基座螺钉进行改善。

（4）导入技术CBB从设计时就考虑进补偿位。

3 结论与展望

本文论述了装配应力导致了炉头固定螺钉断裂，利用ANSYS 15.0软件模拟螺钉受力分析进行改善，并从工艺上消除、减小应力源，把超静定结构转化为静定结构。以炉头固定螺钉断裂这案例，辐射到灶具所有螺钉，降低装配应力对螺钉质量的影响，这样可以进一步提高灶具安装可靠性，提高产品的质量、消除隐患和提高顾客满意度。