钣金设计准则.docx

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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:
易变形,这样可用简单的加工工艺制造多种形式的构件。
薄板构件重量轻。
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。
易于裁剪、焊接,可制造大而复杂的构件。
形状规范,便于自动加工。
2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。
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
(a)不合理结构(b)改进结构
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2
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
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(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
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:
(a)不合理结构
(b)改进结构
(2)巧妙排列(见图4)。
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(a)不合理结构(b)改进结构
(3)将大平面处的材料取出用于更小的构件(见图5)。
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⑴、带斜边的折弯边应避开变形区
⑵.两孔之间的距离若太小,则在切割时有产生裂纹的可能。
足够强度刚度准则
。最小孔边距和孔间距见表。
简图
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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
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,。
⑶.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,(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。。
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对一般钢A±;对合金钢A±2t;对黄铜、铝A±;t—材料厚度。
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9
避免粘刀准则(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)。
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(a)不合理结构
(b)改进结构(不合理结构(b)改进结构
图10
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
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弯边位置设计工艺切口,防止折角处破裂。
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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。
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(a不合理结构(b)改进结构
图16图17
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,;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18
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19
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
(a)不合理结构
(b)改进结构
图20
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。
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(a)不合理结构(b)改进结构
图21
图22
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
(a)不合理结构(b)改进结构
图25
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26
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
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图28
冲裁件的构型准则
⑴.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。
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*t为材料厚度,。
⑵.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
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±。(t为材料壁厚)
、弯曲件的结构准则
⑴、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
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

2
15、20、Q235、Q235A、15

3
25、30、Q255

4
1Cr13、H62(M、Y、Y2、冷轧)(铜)

5
45、50

6
55、60

7
65Mn、60SiMn、1Cr17Ni7、1Cr17Ni7-Y、1Cr17Ni7-DY、
SUS301、0Cr18Ni9、SUS302

l弯曲半径是指弯曲件的内侧半径,t是材料的壁厚。
lt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40mm,若需大于40mm者,须经校核后方能使用。
⑵、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三R+2t方可。
①一般情况下的最小直边高度要求
弯曲件的直边高度最小值
②特殊要求的直边高度