如何利用倒R角规避应力集中于角部而发生破损的方法

如果你是机械设计工程师，我想你会经历过设计的零件断裂、折断的破损问题。如果发生在试制阶段还好，但若发生在量产后，有时会给顾客带来麻烦，会造成重大问题。
破损问题在形状上稍加考虑就能够避免。本文就利用倒R角规避应力集中于角部而发生破损的方法做一下介绍。

 

什么是应力集中？

“应力集中”是应力集中于材料某一部位的状态。“应力”是施加在材料单位截面积的荷载。另外，最大应力与平均应力之比叫做“应力集中系数”。
“应力集中系数”在零件形状发生急剧变化的部位会变大。因此应力在面与面垂直交叉的角部非常大。进行设计时，应事前了解容易发生应力集中的形状并注意预防破损。
在此介绍一下常见的容易发生应力集中的形状例子。

• 棒材
旋转的辊轴等是棒材的例子。辊轴有时要安装挡圈等，为了安装挡圈会加工细的沟槽。轴在沟槽的部位容易应力集中，有时会以该点为起点产生裂纹、折断。

• 钣金、冲压零件
在钣金和冲压零件中，会经常见到将板弯成直角时在弯曲的内侧却未带圆角的情况。在施加荷载时，在弯曲的内侧会有应力集中，有时会导致钣金破损。另外为了确保弯曲角度的精度，有一种加工方法是在弯曲根部事先做出被称为“楔角”的切痕。“楔角”容易应力集中，施加荷载使用时需要予以注意。

• 树脂
树脂的应力集中容易发生在被称为“卡扣”的形状上。“卡扣”是使树脂变形并嵌入对方零件进行固定的方法。也经常被叫做“掀钮”，它是玩具盖等常见的形状。在嵌入变形时会受到较大的力，应力就会集中在“卡扣”的根部。

 

倒R角来避免应力集中

为了避免应力集中进行倒R角是有效的。当倒R角时，能够使零件的形状变化变得平缓，应力集中变小。R角越大越好。但是零件与其他零件进行组装时，需要注意不要因为加大了R角而产生干涉。
在前述的例子中，可以如下倒R角。

• 棒材
挡圈的沟槽由于规定了推荐的尺寸，因此无法倒太大的R角。请在沟槽的根部采用R0.2左右的小R。

• 钣金、冲压零件
请在钣金的弯曲根部倒内R角。但是有时垂直度精度会下降，需要注意。而关于楔角，请通过加工协商来要求不要加“楔角”。也可以在图纸的附注中予以记载。

• 树脂
请在树脂的“卡扣”根部加R角。“卡扣”是为了能够嵌入而使树脂变形的形状。为了确认仅加R角是否足够，最好进行强度解析来确认应力是否足够小。

 

倒R角以外的防止破损方法

为了预防应力集中而造成的破损最好是倒R角，但有时在设计上无论如何都无法倒R角。这种情况下，最好研讨以下的方法。

• 改变材质
使用棒材SUM材料时，可以通过将材料变更为SUS材料来提高强度。另外如果是树脂材料，请选择“拉伸强度”大的材质。

• 添加加强筋
在强度较弱的部位添加加强筋。这是树脂常用的方法，钣金也可以添加加强筋。例如，可以在弯曲的两侧通过焊接来追加加强筋。另外，如果是冲压加工，也可以在外周拉伸的状态下进行弯曲。

• 放大
如果是棒状材料只要加大直径就会提高强度。另外，如果是钣金可以加大板厚。树脂的情况也同样，请加大厚度。注塑成型的情况下，提高平均厚度可以提高强度，并能够减少该部分相应的加强筋数量。在有的情况下还可以通过提高强度、降低重量来降低成本。可以制定若干方案，进行强度解析来加以比较。

 

总结
作为机械设计工程师必须设计不易损坏的产品。请掌握会受到多大程度的力，并使形状避免应力集中。通过倒R角来避免应力集中最为有效，但无法加R角时也有对策方法。由于最近的强度解析软件非常好用，请设计人员在制作3D模型后进行强度解析。