钣金件结构设计知识

钣金件结构设计知识钣金件结构设计知识 1 引言引言 薄板指板厚和其长宽相比小得多的钢板 它的横向抗弯能力差 不宜用于受横 向弯曲载荷作用的场合 薄板就其材料而言是金属 但因其特殊的几何形状厚 度很小 所以薄板构件的加工工艺有其特殊性 和薄板构件有关的加工工艺有 三类 1 下料 它包括剪切和冲裁 2 成形 它包括弯曲 折叠 卷边和深 拉 3 连接 它包括焊接 粘接等 薄板构件的结构设计主要应考虑加工工 艺的要求和特点 此外 要注意构件的批量大小 薄板构件之所以被广泛采用是因为薄板有下列优点 1 易变形 这样可用简单的加工工艺制造多种形式的构件 2 薄板构件重量轻 3 加工量小 由于薄板表面质量高 厚度方向尺寸公差小 板面不需加工 4 易于裁剪 焊接 可制造大而复杂的构件 5 形状规范 便于自动加工 2 结构设计准则结构设计准则 在设计产品零件时 必须考虑到容易制造的问题 尽量想一些方法既能使加工 容易 又能使材料节约 还能使强度增加 又不出废品 为此设计人员应该注 意以下制造方面事项 钣金件的工艺性是指零件在冲切 弯曲 拉伸加工中的难易程度 良好的工艺 应保证材料消耗少 工序数目少 模具结构简单 使用寿命高 产品质量稳定 在一般情况下 对钣金件工艺性影响最大的是材料的性能 零件的几何形状 尺寸和精度要求 如何在薄板构件结构设计时充分考虑加工工艺的要求和特点 这里推荐几条设 计准则 2 1 简单形状准则简单形状准则 切割面几何形状越简单 切割下料越方便 简单 切割的路径越短 切割量也 越小 如直线比曲线简单 圆比椭圆及其它高阶曲线简单 规则图形比不规则 图形简单 见图 1 a 不合理结构 b 改进结构 图图 1 图 2a 的结构只有在批量大时方有意义 否则冲裁时 切割麻烦 因此 小批 量生产时 宜用图 b 所示结构 a 不合理结构 b 改进结构 图图 2 2 2 节省原料准则 冲切件的构型准则 节省原料准则 冲切件的构型准则 节省原材料意味着减少制造成本 零碎的下角料常作废料处理 因此在薄板构 件的设计中 要尽量减少下脚料 冲切弃料最少以减少料的浪费 特别在批量 大的构件下料时效果显著 减少下角料的途径有 1 减少相邻两构件之间的距离 见图 3 a 不合理结构 b 改进结构 图图 3 2 巧妙排列 见图 4 a 不合理结构 b 改进结构 图图 4 3 将大平面处的材料取出用于更小的构件 见图 5 a 不合理结构 b 改进结构 图图 5 2 3 足够强度刚度准则足够强度刚度准则 带斜边的折弯边应避开变形区 两孔之间的距离若太小 则在切割时有产生裂纹的可能 零件上冲孔设计应考虑留有合适的孔边距和孔间距以免冲裂 零件的冲孔边缘 离外形的最小距离随零件与孔的形状不同有一定的限制 当冲孔边缘与零件外 形边缘不平行时 该最小距离应不小于材料厚度 t 平行时 应不小于 1 5t 最小孔边距和孔间距见表 模具制作上以圆孔最坚固好制造维修 唯开孔率较低 以正方形孔开孔率最高 但因是 90 度角 角边容易磨损崩塌 造成要修模而停 线 而六角形的开孔其大于 90 度的 120 度角比正方形孔开孔更坚固但开孔率在 边缘比正方形孔差一点 细长的板条刚度低 也易在剪裁时产生裂纹 特别是对刀具的磨损严重 细长的板条刚度低 也易在剪裁时产生裂纹 特别是对刀具的磨损严重 冲裁件的凸出或凹入部分的深度和宽度 一般情况下 应不小于 1 5t t 为料 厚 同时应该避免窄长的切口与和过窄的切槽 以便增大模具相应部位的刃口 强度 见图 3 3 1 对一般钢 A 1 5t 对合金钢 A 2t 对黄铜 铝 A 1 2t t 材料厚度 2 4 可靠冲裁准则可靠冲裁准则 图 9a 所示的半圆切线结构冲裁加工很难 因为这要求准确地确定刀具和工件 之间的相对位置 准确测量定位不仅费时 更重要的是 刀具由可磨损和安装 的误差 精度通常达不到这么高的要求 这样的结构一旦加工稍有偏差 质量 很难保证 且切割外观差 所以应采用图 b 所示的结构 它可保证可靠的冲裁 加工质量 a 不合理结构 b 改进结构 图图 9 2 5 避免粘刀准则避免粘刀准则 穿破件的构型准则穿破件的构型准则 在构件中间冲裁切割时会出现刀具和构件粘接交紧的问题 解决的办法 1 留有一定的坡度 2 切割面连通 见图 10 和图 11 a 不合理结构 b 改进结构 a 不合理结构 b 改进结构 图图 10 图图 11 当搭接在一道工序中用冲切法制成 90 的弯边时 选材要注意材质不宜太硬 否则易在直角弯折处破裂 应在弯边位置设计工艺切口 防止折角处破裂 2 6 弯曲棱边垂直切割面准则弯曲棱边垂直切割面准则 薄板在切割加工以后 一般还要进一步进行成形加工 比如弯曲 弯曲棱边应 垂直于切割面 否则交汇处产生裂纹的危险升高 若因其它限制垂直要求不能 满足时 应在切割面和弯曲棱边交汇处设计一个圆角 其半径大于板厚的两倍 2 7 平缓弯曲准则平缓弯曲准则 陡峭的弯曲需特殊的工具 且成本高 此外 过小的弯曲半径易产生裂纹 在 内侧面上还会出现皱折 见图 16 图 17 a 不合理结构 b 改进结构 图图 16 a 不合理结构 b 改进结构 图图 17 2 8 避免小圆形卷边准则避免小圆形卷边准则 薄板构件的棱边常用卷边结构 这有多项好处 1 加强了刚度 2 避免了锋 利的棱边 3 美观 但卷边应注意两点 一是半径应大于 1 5 倍的板厚 二是 不要完全的圆形 这样加工起来困难 图 18b 所示的卷边比各自 a 所示的卷边易 加工 a 不合理结构 b 改进结构 图图 18 2 9 槽边不弯曲准则槽边不弯曲准则 弯曲棱边和槽孔棱边要相距一定的距离 推荐值是弯曲半径加上 2 倍的壁厚 弯曲区受力状态复杂 且强度较低 有缺口效应的槽孔也应排除在这个区域以外 既可以将整个槽孔远离弯曲棱边 也可以让槽孔横跨整个弯曲棱边 见图 19 a 不合理结构 b 改进结构 图图 19 2 10 复杂结构组合制造准则复杂结构组合制造准则 空间结构过于复杂的构件 完全靠弯曲成形比较困难 因此尽量将结构设计得简 单一些 在非复杂不可的情况下 可用组合构件 即将多个简单的薄板构件用焊 接 螺栓连接等方式组合在一起 图 20b 的结构比其图 20a 的结构易加工 a 不合理结构 b 改进结构 图图 20 2 11 避免直线贯通准则避免直线贯通准则 薄板结构有横向弯曲刚度较差的缺点 大平板结构易屈曲失稳 进一步还会弯 曲断裂 通常用压槽来提高其刚度 压槽的排列方式对提高刚度的效果影响很 大 压槽排列基本原则是避免无压槽区域直线贯通 贯通的低刚度窄带易成为整 个板面屈曲失稳的惯性轴 失稳总要围绕一个惯性轴 因此 压槽的排列要切断 这种惯性轴 使它越短越好 图 21a 所示的结构 无压槽区域形成多条贯通的窄 条 围绕这些轴 整个板的弯曲刚度没有改进 图 21b 所示结构没有潜在的连 通失稳惯性轴 图 22 列出了常见的压槽形状和排列方式 从左到右刚度增强效 果逐渐加大 不规则排列是避免直线贯通的有效方法 a 不合理结构 b 改进结构 图图 21 图图 22 2 12 压槽连通排列准则压槽连通排列准则 压槽的终点疲劳强度低是薄弱环节 如果压槽连通 其部分终点将消灭 图 23 是一个卡车上的电瓶箱 它受动载作用 图 23a 结构在压槽端都产生了疲劳破坏 而图 23b 结构就不存在这一问题 陡峭的压槽端面应避免 可能的情况下压槽 延至边界 见图 24 压槽的贯通消除了薄弱的端部 但压槽的交汇处要有足 够大的空间 使得各压槽之间的相互影响减少 见图 25 a 不合理结构 b 改进结构 图图 23 a 不合理结构 b 改进结构 图图 24 a 不合理结构 b 改进结构 图图 25 2 13 空间压槽准则空间压槽准则 空间结构的失稳不只限于某一方面 因此 只在一个平面上设置压槽不能达到提 高整个结构抗失稳能力的效果 例如图 26 所示的 U 型和 Z 型结构 它们的失稳 会发生在棱边附近 解决这个问题的方法是将压槽设计成空间的 见图 26b 结 构 a 不合理结构 b 改进结构 图图 26 2 14 局部松驰准则局部松驰准则 薄板上局部变形受到严重阻碍时会出现皱折 解决的办法是在皱折附近设置几 个小的压槽 这样减低局部刚度 减少变形阻碍 见图 28 a 不合理结构 b 改进结构 图 28 2 15 冲裁件的构型准则冲裁件的构型准则 最小冲孔直径或方孔的最小边长 冲孔时 应受到冲头强度的限制 冲孔的尺寸不能太小 否则容易损坏冲头 最小冲孔直径及最小边长见表 t 为材料厚度 冲孔最小尺寸一般不小于 0 3mm 冲切缺口原则 冲切缺口应尽量避免尖角 如 a 图所示 尖角形式容易减短模具使用寿命 且 尖角处容易产生裂纹 应改为如 b 图所示 R 0 5t t 材料厚度 a 图 b 图 冲裁件的外形及内孔应避免尖角 在直线或曲线的连接处要有圆弧连接 圆弧 半径 R 0 5t t 为材料壁厚 2 16 弯曲件的结构准则 弯曲件的结构准则 板件最小弯曲半径 板件最小弯曲半径 材料弯曲时 其圆角区上 外层收到拉伸 内层则受到压缩 当材料厚度一定 时 内半径 r 越小 材料的拉伸和压缩就越严重 当外层圆角的拉伸应力超过 材料的极限强度时 就会产生裂缝和折断 因此 弯曲零件的结构设计 应避 免过小的弯曲圆角半径 为此规定最小弯曲半径 常用金属材料最小折弯半径列表常用金属材料最小折弯半径列表 序 号 材 料最小弯曲 半径 1 08 08F 10 10F DX2 SPCC E1 T52 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 1100 H24 T2 0 4t 2 15 20 Q235 Q235A 15 0 5t 3 25 30 Q255 0 6t 4 1Cr13 H62 M Y Y2 冷轧 铜 0 8t 5 45 50 1 0t 6 55 60 1 5t 7 65Mn 60SiMn 1Cr17Ni7 1Cr17Ni7 Y 1Cr17Ni7 DY SUS301 0Cr18Ni9 SUS302 2 0t l 弯曲半径是指弯曲件的内侧半径 t 是材料的壁厚 l t 为材料壁厚 M 为退火状态 Y 为硬状态 Y2 为 1 2 硬状态 对于如下图所示封闭式弯边零件 其弯边高度 h 最大不得超过 40 若需大于 40 者 须经校核后方能使用 弯曲的最小直边高度 弯曲的最小直边高度 弯曲的直边高度不宜过小 否则不易成形足够的弯矩 很难得到形状准确的零 件 其值 h R 2t 方可 一般情况下的最小直边高度要求 弯曲件的直边高度不宜太小 最小高度按图要求 h 2t 弯曲件的直边高度最小值 特殊要求的直边高度 如果设计需要弯曲件的直边高度 h 2t 则首先要加大弯边高度 弯好后再加 工到需要尺寸 或者在弯曲变形区内加工浅槽后 再折弯 特殊情况下的直边高度要求 弯边侧边带有斜角的直边高度 当弯边侧边带有斜角的弯曲件时 侧面的最小高度为 h 2 4 t 3mm 弯边侧边带有斜角的直边高度 弯曲的直边变形处理 弯曲的直边变形处理 当 a R 时 弯曲后 b 面靠 a 处仍然有一段残余圆弧 为了避免残余圆 弧 必须使 a R 在 U 形弯曲件上 两弯曲边最好等长 以免弯曲时产生向一边移位 如不 允许 可设一工艺定位孔 防止侧面 梯形 弯曲时产生裂纹或畸形 应设计预留切槽 或将根部改 为阶梯形 槽宽 K 2t 槽深 L t R K 2 防止圆角在弯曲时受压产生挤料后起皱 应设计预留切口 如室外机侧板 上端 下端 圆角处切口形式 B 与盖板厚度 t 相等 防止弯曲后 直角的两侧平面产生褶皱 应设计预留切口 防止弯曲后 产生回弹的切口形式 a 1 5t t 材料厚度 防止冲孔后 弯曲产生裂纹的切口形式 防止弯曲时 一边向内产生收缩 可设计工艺定位孔 或两边同时折弯 还可用增加幅宽的办法来解决收缩问题 弯成直角的搭接形式 凸部的弯曲 凸部的弯曲 若象 a 图那样弯曲线和阶梯线一致 有时会在根部开裂变形 所以使弯曲线让 开阶梯线如图 b 或设计切口如 c d 那样 折弯件上的孔边距 折弯件上的孔边距 孔边距 先冲孔后折弯 孔的位置应处于弯曲变形区外 避免弯曲时孔会产生 变形 孔壁至弯边的距离见表 表 折弯件上的孔边距 防止弯曲时 弯曲面上的孔受力后会变形 孔边距 至底根部 其值 A 4 方可 弯曲边冲孔时 孔边到弯曲半径 R 中心的距离 L 不得过小 以免弯曲成型 后会使孔变形 其值 L 2t 方可 局部弯曲的工艺切口 局部弯曲的工艺切口 折弯件的弯曲线应避开尺寸突变的位置 局部弯曲某一段边缘时 为了防止尖角处应力集中产生弯裂 可将弯曲线移动 一定距离 以离开尺寸突变处 图 a 或开工艺槽 图 b 或冲工艺孔 图 c 注意图中的尺寸要求 S R 槽宽 k t 槽深 L t R k 2 当孔位于折弯变形区内 所采取的切口形式 当孔在折弯变形区内时 采用的切口形式示例 打死边的设计要求 打死边的设计要求 打死边的死边长度与材料的厚度有关 如下图所示 一般死边最小长度 L 3 5t R 其中 t 为材料壁厚 R 为打死边前道工序的最小内折弯半径 设计时添加的工艺定位孔 设计时添加的工艺定位孔 为保证毛坯在模具中准确定位 防止弯曲时毛坯偏移而产生废品 应预先在设 计时添加工艺定位孔 如下图所示 特别是多次弯曲成形的零件 均必须以工 艺孔为定位基准 以减少累计误差 保证产品质量 标注弯曲件相关尺寸时 要考虑工艺性 标注弯曲件相关尺寸时 要考虑工艺性 弯曲件的回弹 弯曲件的回弹 影响回弹的因素很多 包括 材料的机械性能 壁厚 弯曲半径以及弯曲时的 正压力等 折弯件的内圆角半径与板厚之比越大 回弹就越大 从设计上抑制回弹的方法示例 弯曲件的回弹 目前主要是由生产厂家在模具设计时 采取一定的措施进行规 避 同时 从设计上改进某些结构促使回弹角减小如下图所示 在弯曲区压制 加强筋 不仅可以提高工件的刚度 也有利于抑制回弹 2 16 拉深件的构形准则 拉深件的构形准则 a 拉深件的形状应尽量简单 对称 b 拉深件各部分尺寸比例要恰当 尽量避免设计宽凸缘和深度大的拉深件 D 凸 3d h 2d 因为这类零件要较多的拉深次数 c 拉深件的圆角半径要合适 圆角半径尽量取大些 以利于成型和减少拉深 次数 拉深件的圆角半径 拉深件或弯曲件冲孔的合适位置 防止拉深时产生扭曲变形 A B 宽度应相等 对称 即 A B 拉伸件设计图纸上尺寸标注的注意事项 拉伸件设计图纸上尺寸标注的注意事项 拉伸件由于各处所受应力大小各不相同 使拉伸后的材料厚度发生变化 一般 来说 底部中央保持原来的厚度 底部圆角处材料变薄 顶部靠近凸缘处材料 变厚 矩形拉伸件四周圆角处材料变厚 拉伸件产品尺寸的标准方法 拉伸件产品尺寸的标准方法 在设计拉伸产品时 对产品图上的尺寸应明确注明必须保证外部尺寸或内部尺 寸 不能同时标注内外尺寸 拉伸件尺寸公差的标注方法 拉伸件尺寸公差的标注方法 拉伸件凹凸圆弧的内半径以及一次成形的圆筒形拉伸件的高度尺寸公差为双面 对称偏差 其偏差值为国标 GB 16 级精度公差绝对值的一半 并冠以 号 2 17 提高零件强度的合理构型准则 提高零件强度的合理构型准则 对较长的钣金件为了提高其强度 应该设计加固筋 在弯曲件的弯角处再作弯折 能起到筋条的加强作用 加强筋 加强筋 在板状金属零件上压筋 有助于增加结构刚性 加强筋结构及其尺寸选择参见 表 打凸间距和凸边距的极限尺寸 打凸间距和凸边距的极限尺寸 打凸间距和凸边距的极限尺寸按下表选取 百叶窗 百叶窗 百叶窗通常用于各种罩壳或机壳上起通风散热作用 其成型方法是借凸模的一 边刃口将材料切开 而凸模的其余部分将材料同时作拉伸变形 形成一边开口 的起伏形状 百叶窗的典型结构参见图 百叶窗尺寸要求 a 4t b 6t h 5t L 24t r 0 5t 2 18 钣金件常用螺钉底孔构型准则 钣金件常用螺钉底孔构型准则 孔翻边 孔翻边 孔翻边型式较多 本准则只关注要加工螺纹的内孔翻边 如图所示 螺 纹材料厚 度 t 翻边内孔 D1 翻边外孔 d2 凸缘高 度 h 预冲孔直 径 D0 凸缘圆角 半径 R 0 83 381 61 90 6 3 251 62 2M3 1 2 55 3 381 81 9 0 5 3 522 3 381 922 1 2 3 52 161 5 0 6 1 53 52 41 70 75 14 4622 30 5 4 351 922 7 4 52 162 31 2 4 652 41 5 0 6 4 462 42 5 1 5 4 652 71 8 0 75 M4 2 3 35 4 562 22 41 1 25 62 430 6 5 462 42 5 5 62 731 5 5 7532 5 0 75 5 533 22 4 2 5 753 62 7 1 M5 2 5 4 25 5 7543 11 25 1 57 033 60 75 6 73 24 2 7 03 63 62 7 342 5 1 7 042 8 2 5 7 34 53 1 25 M6 3 5 1 7 04 83 41 5 表 带螺纹孔的内孔翻边尺寸参数 螺钉 螺栓的过孔和沉头座 螺钉 螺栓的过孔和沉头座 螺钉 螺栓过孔和沉头座的结构尺寸按下表选取取 对于沉头螺钉的沉头座 如果板材太薄难以同时保证过孔 d2 和沉孔 D 应优先保证过孔 d2 用于螺钉 螺栓的过孔 用于沉头螺钉的沉头座及过孔 要求钣材厚度 t h 用于沉头铆钉的沉头座及过孔 要求钣材厚度 t h 2 19 钣金件的尺寸公差 钣金件的尺寸公差 公差是影响产品质量和价格的重要因素之一 在制造零件的时候 经验告诉我 们 无论投入多少成本和时间 完全按图纸上标注的尺寸准确地加工出来几乎 是不可能的 产品设计无论从性能上还是经济上都要满足用户的需要 从企业 本身来说 也必须保持正常的利润 为此公差必须由产品的性能和经济两方面来决定 所以设计要充分掌握公差的 原则 冲切件的尺寸公差 冲切件的尺寸公差 弯曲件的边高 弯曲件的边高 h 直线尺寸公差 直线尺寸公差 注 弯曲边长 L 直线尺寸公差按表规定 弯曲件的角度公差 弯曲件的角度公差 拉深件的高度 拉深件的高度 h 尺寸公差 尺寸公差 注 拉深边长 L 直线尺寸公差按表规定 冲切件的断面粗糙度 冲切件的断面粗糙度 2 20 冲切件的毛刺允许高度 冲切件的毛刺允许高度 冲裁件毛刺的极限值 冲裁件毛刺的极限值 冲裁件毛刺超过一定的高度是不允许的 冲压件毛刺高度的极限值 mm 见下表 表 冲压件毛刺高度的极限值 材料壁厚材料抗拉强度 N mm2 100 250 250 400 400 630 630 fmgfmgfmgfmg 0 7 1 0 0 120 170 230 090 130 170 050 070 1 0 030 040 05 1 0 1 6 0 170 250 340 120 180 240 070 110 150 040 060 08 1 6 2 5 0 250 370 5 0 180 260 350 110 160 220 060 090 12 2 5 4 0 0 360 540 720 250 370 5 0 2 0 3 0 4 0 090 130 18 f 级 精密级 适用于较高要求的零件 m 级 中等级 适用于中等要求的 零件 g 级 粗糙级 适用于一般要求的零件 设计图纸中毛刺的标注要求 设计图纸中毛刺的标注要求 毛边方向 BURR SIDE 需要压毛边的部位 COIN 或 COIN CONTINUE 一般不要整个结构件断口 全部压毛边 这样会增加成本 尽量在下面情况使用 暴露在外面的断口 人 手经常触摸到的锐边 需要过线缆的孔或槽 有相对滑动的部位 图 钣金结构设计图纸中毛刺的标注示例 2 21 钣金表面处理及钣金材料 钣金表面处理及钣金材料 压印工艺 压花工艺简介 压印工艺 压花工艺简介 压印 压花工艺在钣金件上应用很多 包括标签粘贴位置指示 产品编码 生 产日期 版本 厂家代号 甚至图案等 都可以利用这两种工艺进行加工 压印工艺 压印是使材料厚度发生变化 将挤压的材料充塞在有起伏的模腔内 使零件上 形成起伏花纹或字样 一般情况下是在封闭模中进行 以免金属被挤到模子型腔外面 对于比较大的 零件或形状特殊成形后进行切边的零件 可在敞开模中进行 为使零件得到良 好的表面质量 成形前应将毛坯进行退火 酸洗 喷砂等处理 压花工艺 压花工艺与压印类似 只是变形的深度较小 所需的压力也较小 压花的方法 深度 h 0 3 0 4t 时 在光面凹模上进行 深度 h 0 4t 时 在带有与凸模 配合的相应凹槽的凹模上进行 其凹模的宽度要比凸模上的大一些 深度要比 凸模上的浅 高碳钢 低碳钢对应的常用材料牌号列表 高碳钢 低碳钢对应的常用材料牌号列表 材料种材料种 类类 图纸标注牌号图纸标注牌号 实际可使用的材料实际可使用的材料 牌号牌号 材料规格 材料规格 mm 材材 料料 大大 类类 耐指纹 电镀锌 钢板 DX2 SECC N2 MSE CC U 低 碳 钢 热浸锌 板 DX2 GI St02Z低 碳 钢 覆铝锌 DX2 CS TAPE A 0 8 1 0 1 2 1 5 2 0 2 5 低 板碳 钢 耐指纹 电镀锌 钢板 DX2SECC 低 碳 钢 磷化镀 锌钢板 DX2SECC P BLCE Z P 低 碳 钢 冷轧钢 板 08SPCC 低 碳 钢 磷化镀 锌钢板 08SECC P 低 碳 钢 冷轧钢 板 0808F 低 碳 钢 冷轧钢 板 0808 低 碳 钢 冷轧钢 板 0810F 低 碳 钢 冷轧钢 板 0810 低 碳 钢 冷轧钢 板 0815F 低 碳 钢 热轧钢 板 Q235AQ235A 低 碳 钢 热轧钢 板 Q235A20 低 碳 钢 热轧钢 板 Q335A35 低 碳 钢 热轧钢 板 Q235A25 3 0 4 0 6 0 低 碳 钢 镀锡钢 板 马 E1 T52SPTE 2 8 2 8 T 2 5 0 4 低 碳 口铁 钢 弹簧钢 板 热 轧 65Mn65Mn0 1 高 碳 钢 弹簧钢 板 热 轧 65Mn60Si2Mn