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1、 鈑金件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)大匯總，看完豁然開朗！ 機(jī)械前線，全國機(jī)械微教育領(lǐng)導(dǎo)者文丨百年孤獨(dú) 1 引言薄板指板厚和其長(zhǎng)寬相比小得多的鋼板。它的橫向抗彎能力差，不宜用于受橫向彎曲載荷作用的場(chǎng)合。薄板就其材料而言是金屬，但因其特殊的幾何形狀厚度很小，所以 薄板構(gòu)件的加工工藝有其特殊性。和薄板構(gòu)件有關(guān)的加工工 藝有三類： (1)下料：它包括剪切和沖裁。 (2)成形：它包括彎 曲、折疊、卷邊和深拉。 (3)連接：它包括焊接、粘接等。薄 板構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮加工工藝的要求和特點(diǎn)。此 外，要注意構(gòu)件的批

2、量大小。薄板構(gòu)件之所以被廣泛采用是 因?yàn)楸“逵邢铝袃?yōu)點(diǎn)： (1)易變形，這樣可用簡(jiǎn)單的加工工 藝制造多種形式的構(gòu)件。 (2)薄板構(gòu)件重量輕。 (3)加工量小， 由于薄板表面質(zhì)量高， 厚度方向尺寸公差小， 板面不需加工。 (4)易于裁剪、焊接， 可制造大而復(fù)雜的構(gòu)件。 (5)形狀規(guī)范， 便于自動(dòng)加工。 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在設(shè)計(jì)產(chǎn)品零件時(shí)，必須 考慮到容易制造的問題。盡量想一些方法既能使加工容易， 又能使材料節(jié)約，還能使強(qiáng)度增加，又不出廢品。為此設(shè)計(jì) 人員應(yīng)該注意以下制造方面事項(xiàng)。鈑金件的工藝性是指零件 在沖切、彎

3、曲、拉伸加工中的難易程度。良好的工藝應(yīng)保證 材料消耗少，工序數(shù)目少，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命高，產(chǎn) 品質(zhì)量穩(wěn)定。在一般情況下，對(duì)鈑金件工藝性影響最大的是 材料的性能、零件的幾何形狀、尺寸和精度要求。如何在薄板構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮加工工藝的要求和特點(diǎn)，這里推薦幾條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 2.1 簡(jiǎn)單形狀準(zhǔn)則切割面幾何形狀越簡(jiǎn)單，切割下料越方便、簡(jiǎn)單、切割的路徑越短，切割量也越小。如直線比曲線簡(jiǎn)單，圓比橢圓及其它高階曲線簡(jiǎn)單，規(guī) 則圖形比不規(guī)則圖形簡(jiǎn)單 (見圖 1) 。(a)不合理結(jié)構(gòu) (b) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 1 圖 2a 的結(jié)構(gòu)只有在批量大時(shí)方有

4、意義， 否則沖 裁時(shí)，切割麻煩， 因此，小批量生產(chǎn)時(shí)， 宜用圖 b 所示結(jié)構(gòu)。 (a)不合理結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 22.2 節(jié)省原料準(zhǔn)則 （沖 切件的構(gòu)型準(zhǔn)則）節(jié)省原材料意味著減少制造成本。零碎的 下角料常作廢料處理，因此在薄板構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，要盡量減 少下腳料。沖切棄料最少以減少料的浪費(fèi)。特別在批量大的 構(gòu)件下料時(shí)效果顯著，減少下角料的途徑有： (1) 減少相鄰兩 構(gòu)件之間的距離  (見圖  3)。 (a)不合理結(jié)構(gòu)  (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 3(2)巧妙排列 

5、 (見圖  4)。(a)不合理結(jié)構(gòu)  (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖  4(3) 將大平面處的材料取出用于更小的構(gòu)件 (見圖 5)。 (a)不合理 結(jié)構(gòu) (b) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 52.3 足夠強(qiáng)度剛度準(zhǔn)則⑴、 帶 斜邊的折彎邊應(yīng)避開變形區(qū)⑵ .兩孔之間的距離若太小， 則在 切割時(shí)有產(chǎn)生裂紋的可能。零件上沖孔設(shè)計(jì)應(yīng)考慮留有合適 的孔邊距和孔間距以免沖裂。零件的沖孔邊緣離外形的最小 距離隨零件與孔的形狀不同有一定的限制。當(dāng)沖孔邊緣與零 件外形邊緣不平行時(shí)，該最小距離應(yīng)不小于材料厚度 t；平

6、 行時(shí)，應(yīng)不小于 1.5t。最小孔邊距和孔間距見表。模具制作上以圓孔最堅(jiān)固好制造維修，唯開孔率較低。以正方形孔開 孔率最高，但因是 90 度角，角邊容易磨損崩塌 ,造成要修模 而停線 .而六角形的開孔其大于 90 度的 120 度角比正方形孔 開孔更堅(jiān)固但開孔率在邊緣比正方形孔差一點(diǎn)。 ⑶ .細(xì)長(zhǎng)的板條剛度低，也易在剪裁時(shí)產(chǎn)生裂紋，特別是對(duì)刀具的磨損嚴(yán) 重。沖裁件的凸出或凹入部分的深度和寬度，一般情況下，應(yīng)不小于 1.5t(t 為料厚 )，同時(shí)應(yīng)該避免窄長(zhǎng)的切口與和過窄 的切槽，以便增大模具相應(yīng)部位的刃口強(qiáng)度。見圖 3.3.1。對(duì)一般鋼 A ≥

7、1.5t；對(duì)合金鋼 A ≥ 2t；對(duì)黃銅、鋁 A ≥ 1.2t；t—材料厚度。 2.4 可靠沖裁準(zhǔn)則圖 9a 所示的半圓切線結(jié)構(gòu)沖 裁加工很難。因?yàn)檫@要求準(zhǔn)確地確定刀具和工件之間的相對(duì)位置。準(zhǔn)確測(cè)量定位不僅費(fèi)時(shí)，更重要的是，刀具由可磨損和安裝的誤差，精度通常達(dá)不到這么高的要求。這樣的結(jié)構(gòu)一旦加工稍有偏差，質(zhì)量很難保證，且切割外觀差。所以應(yīng) 采用圖 b 所示的結(jié)構(gòu)，它可保證可靠的沖裁加工質(zhì)量。 (a)不 合理結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 92.5 避免粘刀準(zhǔn)則 ( 穿 破件的構(gòu)型準(zhǔn)則 )在構(gòu)件中間沖裁切割時(shí)會(huì)出現(xiàn)刀具和構(gòu)件 粘接交緊的問題。 解決的辦

8、法： (1)留有一定的坡度； (2)切割 面連通 (見圖 10 和圖 11)。 (a)不合理結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu) 圖 10 (a)不合理結(jié)構(gòu)  (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu) 圖 11 當(dāng)搭接在一道工序中用沖切法制成 90°的彎邊時(shí)，選 材要注意材質(zhì)不宜太硬，否則易在直角彎折處破裂。應(yīng)在彎 邊位置設(shè)計(jì)工藝切口， 防止折角處破裂。 2.6 彎曲棱邊垂直 切割面準(zhǔn)則薄板在切割加工以后，一般還要進(jìn)一步進(jìn)行成形 加工，比如彎曲。彎曲棱邊應(yīng)垂直于切割面，否則交匯處產(chǎn) 生裂紋的危險(xiǎn)升高。若因其它限制垂直要求不能滿足時(shí)，

9、應(yīng) 在切割面和彎曲棱邊交匯處設(shè)計(jì)一個(gè)圓角，其半徑大于板厚 的兩倍。 2.7 平緩彎曲準(zhǔn)則陡峭的彎曲需特殊的工具， 且成 本高。此外，過小的彎曲半徑易產(chǎn)生裂紋，在內(nèi)側(cè)面上還會(huì) 出現(xiàn)皺折 (見圖 16、圖 17)。(a)不合理結(jié)構(gòu) (b) 改進(jìn)結(jié)構(gòu) 圖 16(a)不合理結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 172.8 避免小圓 形卷邊準(zhǔn)則薄板構(gòu)件的棱邊常用卷邊結(jié)構(gòu) ,這有多項(xiàng)好處。 (1) 加強(qiáng)了剛度 ;(2) 避免了鋒利的棱邊 ;(3) 美觀。但卷邊應(yīng)注意兩 點(diǎn),一是半徑應(yīng)大于 1.5 倍的板厚 ;二是不要完全的圓形 ,這樣加工起來困難 ,圖 18b 所

10、示的卷邊比各自 a 所示的卷邊易加 工。（ a）不合理結(jié)構(gòu) （ b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 182.9 槽邊不彎曲準(zhǔn)則彎曲棱邊和槽孔棱邊要相距一定的距離 ,推薦值 是彎曲半徑加上 2 倍的壁厚。彎曲區(qū)受力狀態(tài)復(fù)雜 ,且強(qiáng)度較低。有缺口效應(yīng)的槽孔也應(yīng)排除在這個(gè)區(qū)域以外。既可以將 整個(gè)槽孔遠(yuǎn)離彎曲棱邊 ,也可以讓槽孔橫跨整個(gè)彎曲棱邊 (見 圖 19)。（ a）不合理結(jié)構(gòu) （ b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 192.10 復(fù) 雜結(jié)構(gòu)組合制造準(zhǔn)則空間結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的構(gòu)件 ,完全靠彎曲 成形比較困難。 因此盡量將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單一些 ,在非復(fù)雜不 可的情況下

11、 ,可用組合構(gòu)件 ,即將多個(gè)簡(jiǎn)單的薄板構(gòu)件用焊接 , 螺栓連接等方式組合在一起。圖 20b 的結(jié)構(gòu)比其圖 20a 的結(jié) 構(gòu)易加工。（ a）不合理結(jié)構(gòu) （b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 202.11 避免直線貫通準(zhǔn)則 薄板結(jié)構(gòu)有橫向彎曲剛度較差的缺點(diǎn)。大平板結(jié)構(gòu)易屈曲失穩(wěn)。進(jìn)一步還會(huì)彎曲斷裂。通常用壓槽來提高其剛度。壓槽 的排列方式對(duì)提高剛度的效果影響很大 ,壓槽排列基本原則是避免無壓槽區(qū)域直線貫通。貫通的低剛度窄帶易成為整個(gè) 板面屈曲失穩(wěn)的慣性軸。失穩(wěn)總要圍繞一個(gè)慣性軸 ,因此 ,壓槽的排列要切斷這種慣性軸 ,使它越短越好。 圖 21a 所示的結(jié)

12、構(gòu),無壓槽區(qū)域形成多條貫通的窄條。圍繞這些軸 ,整個(gè)板的彎曲剛度沒有改進(jìn)。圖 21b 所示結(jié)構(gòu)沒有潛在的連通失穩(wěn)慣 性軸 ,圖 22 列出了常見的壓槽形狀和排列方式 ,從左到右剛度 增強(qiáng)效果逐漸加大 ,不規(guī)則排列是避免直線貫通的有效方法。 （a）不合理結(jié)構(gòu) （b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 21 圖 222.12 壓 槽連通排列準(zhǔn)則壓槽的終點(diǎn)疲勞強(qiáng)度低是薄弱環(huán)節(jié) ,如果壓 槽連通 ,其部分終點(diǎn)將消滅。圖 23 是一個(gè)卡車上的電瓶箱 ,它 受動(dòng)載作用 ,圖 23a 結(jié)構(gòu)在壓槽端都產(chǎn)生了疲勞破壞。而圖 23b 結(jié)構(gòu)就不存在這一問題。陡峭的壓槽端面應(yīng)

13、避免 ,可能的 情況下壓槽延至邊界 (見圖 24)。壓槽的貫通消除了薄弱的端部。但壓槽的交匯處要有足夠大的空間 ,使得各壓槽之間的相 互影響減少  (見圖  25)。（a）不合理結(jié)構(gòu)  （ b）改進(jìn)結(jié) 構(gòu)圖  23（ a）不合理結(jié)構(gòu)  （ b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖  24（ a） 不合理結(jié)構(gòu)  （ b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖  252.13  空間壓槽準(zhǔn) 則空間結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)不只限于某一方面 ,因此 ,只在

14、一個(gè)平面上 設(shè)置壓槽不能達(dá)到提高整個(gè)結(jié)構(gòu)抗失穩(wěn)能力的效果。例如圖 26 所示的 U 型和 Z 型結(jié)構(gòu) ,它們的失穩(wěn)會(huì)發(fā)生在棱邊附近。 解決這個(gè)問題的方法是將壓槽設(shè)計(jì)成空間的 (見圖 26b 結(jié)構(gòu)。) （a）不合理結(jié)構(gòu) （ b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖 262.14 局部松 馳準(zhǔn)則薄板上局部變形受到嚴(yán)重阻礙時(shí)會(huì)出現(xiàn)皺折。解決的 辦法是在皺折附近設(shè)置幾個(gè)小的壓槽 ,這樣減低局部剛度 ,減 少變形阻礙 (見圖 28)。（a）不合理結(jié)構(gòu) （ b）改進(jìn)結(jié) 構(gòu)圖 282.15 沖裁件的構(gòu)型準(zhǔn)則⑴ .最小沖孔直徑或方孔的最 小邊長(zhǎng)沖孔時(shí)，應(yīng)受到?jīng)_頭強(qiáng)度的限制，沖孔

15、的尺寸不能太 小，否則容易損壞沖頭。最小沖孔直徑及最小邊長(zhǎng)見表。 * t 為材料厚度， 沖孔最小尺寸一般不小于 0.3mm。⑵.沖切缺口 原則沖切缺口應(yīng)盡量避免尖角，如 a 圖所示。尖角形式容易 減短模具使用壽命，且尖角處容易產(chǎn)生裂紋。應(yīng)改為如 b 圖 所示。 R≥0.5t(t ─材料厚度 )a 圖 b 圖沖裁件 的外形及內(nèi)孔應(yīng)避免尖角。在直線或曲線的連接處要有圓弧 連接，圓弧半徑 R≥ 0.5t。（ t 為材料壁厚） 2.16、彎曲件的結(jié) 構(gòu)準(zhǔn)則⑴、板件最小彎曲半徑材料彎曲時(shí)，其圓角區(qū)上，外層收到拉伸，內(nèi)層則受到壓縮。當(dāng)材料厚度一定時(shí)，內(nèi)半徑

16、 r 越小，材料的拉伸和壓縮就越嚴(yán)重；當(dāng)外層圓角的拉伸應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫和折斷，因此，彎曲零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)避免過小的彎曲圓角半徑。為此規(guī)定 最小彎曲半徑。常用金屬材料最小折彎半徑列表序號(hào)材 料 最小彎曲半徑 108、 08F、 10、 10F、 DX2 、 SPCC、 E1-T52 、 0Cr18Ni9 、 1Cr18Ni9 、 1Cr18Ni9Ti 、 1100-H24 、 T20.4t215 、 20、Q235、Q235A 、150.5t325、30、Q2550.6t41Cr13 、H62(M 、 Y 、Y2 、冷軋 )(銅 )0.8t545 、501.0t655、601.5t765Mn 、60SiMn 、 1Cr17Ni7 、1Cr17Ni7-Y 、1Cr17Ni7-DY 、SUS301、0Cr18Ni9 、 SUS3022.0t