钣金件结构设计和工艺合理性

钣金件结构设计和工艺前言钣金件是目前最主要，也是最常见的一种结构件设计形式，它是由钣金材料经过冲压加工而成的。钣金件的几何形状、尺寸及加工精度的合理与否直接影响了零件的加工工艺，而加工工艺又对材料、工序、模具寿命、产品质量和产品成本产生制约。目前钣金件的基本加工方法有：冲裁、折弯、拉伸、成型等。以下将分别按钣金件的几种加工方法进行逐一说明。（文中的图例只表示设计规范及工艺要求，而不表示具体零件的结构设计图）1.冲裁冲裁分为普通冲裁和精密冲裁。目前在电子通信产品的结构件中通常是采用普通冲裁。下面所列出的冲裁工艺，是指普通冲裁的结构工艺性。1.1、冲裁件的形状和尺寸应尽可能简单、对称。冲裁件形状、尺寸简单、对称，可使冲裁排样时的废料最少，有利于节约用料。图例1图例1冲裁件的排样1.2、冲裁件的外形及内孔应避免尖角。对于冲裁件的外形及内孔，其直线或曲线的连接处应有圆弧连接过渡，通常圆弧半径R≥0.5t。（t为材料厚度）图例2图例2冲裁件外形及内孔的连接过渡圆角1.3、冲裁件应避免窄长的悬臂或凹槽冲裁件的凸出或凹入部分的长度和宽度，一般情况下，都应大于1.5t(t为材料厚度)。同时应避免窄长的切口与和过窄的切槽，以增大模具相应切口部位的刃口强度，提高模具的寿命，降低模具加工的难度。图例3（图1.2）图例3避免窄长的悬臂和凹槽1.4、冲孔形状和最小尺寸要求冲孔的形状应优先选用圆形孔，同时冲孔最小尺寸与孔的形状、材料机械性能和材料厚度有关。图例4图例4冲孔形状示例材料圆孔直径b矩形孔短边宽b高碳钢1.3t1.0t低碳钢、黄铜1.0t0.7t铝0.8t0.5t表1冲孔最小尺寸注：t为材料厚度，冲孔最小尺寸一般不小于0.3mm。高碳钢、低碳钢对应的常用材料牌号列表参见第5章的附录。1.5、冲裁的孔间距及孔边距零件的冲孔边缘到零件材料边缘的最小距离与零件和孔的形状有关，参见图例5。其中，当冲孔边缘与零件外形边缘不平行时，最小距离a应大于材料厚度t；而当冲孔边缘与零件外形边缘平行时，最小距离b应大于1.5t。（图1.4）图例5冲裁件孔边距、孔间距示意图1.6、折弯件及拉伸件中的冲孔在折弯件或拉伸件中冲孔时，其孔壁与零件直壁之间的距离与内圆角半径和材料厚度有关。参见图例6。图例6折弯件或拉伸件中孔壁与零件直壁间的距离1.7、螺钉、螺栓及铆钉的过孔和沉头孔螺钉、螺栓及铆钉的过孔和沉头孔的结构尺寸通常按所对应的表2、表3、表4选取。对于沉头螺钉、沉头铆钉的沉头孔，如果因钣金材料的厚度过小而难以同时保证过孔尺寸d2和沉孔尺寸D，应优先保证过孔尺寸d2。表2螺钉、螺栓的过孔尺寸表3沉头螺钉的沉头座孔及过孔尺寸（要求钣金材料厚度t≥h）如果钣金材料厚度th，则需要考虑在与其相连的零件上设计避让倒角或其他形式的避让凹槽。表4沉头铆钉的沉头孔及过孔尺寸（要求钣金材料厚度t≥h）如果钣金材料厚度th，则需要考虑在与其相连的零件上设计避让倒角或其他形式的避让凹槽。1.8、冲裁件毛刺的限值及图纸设计要求钣金材料冲裁后会在一侧平面上形成毛刺，为了保证零件的表面质量，防止造成不必要的伤人、伤物问题，通常对冲裁件的毛刺高度会有限制要求。参见表5。•表5冲裁件的毛刺高度限值（mm）材料厚度材料抗拉强度（N/mm2）＞100～250＞250～400＞400～630＞630fmgfmgfmgfmg＞0.7～1.00.120.170.230.090.130.170.050.070.10.030.040.05＞1.0～1.60.170.250.340.120.180.240.070.110.150.040.060.08＞1.6～2.50.250.370.50.180.260.350.110.160.220.060.090.12＞2.5～4.00.360.540.720.250.370.50.20.30.40.090.130.18注：f级（精密级）适用于要求较高的零件；m级（中等级）适用于中等要求的零件；g级（粗糙级）适用于要求较低的零件。在零件设计图纸中，通常对于零件的外表面、线缆过孔、人手容易触摸到的边缘等处需要进行去毛刺处理。2.折弯2.1、折弯件的最小弯曲半径钣金材料弯曲时，在其圆角区，外层受到拉伸，内层则受到压缩。当材料厚度一定时，内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。常用材料的最小弯曲半径见下表。序号材料最小弯曲半径108、08F、10、10F、SECC-N2、SPCC、SPTE、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1100-H24、T20.4t215、20、Q235、Q235A、15F0.4t325、30、Q2550.4t41Cr13、H62(M、Y、Y2、冷轧)0.4t545、500.4t655、600.4t765Mn、60SiMn、1Cr17Ni7、1Cr17Ni7-Y、1Cr17Ni7-DY、SUS301、0Cr18Ni9、SUS3020.4t•表6常用金属材料最小折弯半径注：弯曲半径是指弯曲件的内侧半径,t是材料厚度。M为退火状态，Y为硬状态，Y2为1/2硬状态。2.2、折弯件的直边高度2.2.1、一般情况下的直边最小高度折弯件的直边最小高度应：h＞2t，t为材料厚度。图例7h＞2t（图1.10）图例7折弯件的直边高度最小值2.2.2、特殊要求的直边高度加工方法如果设计需要折弯件的直边高度h≤2t,，则首先要加大折边高度，折弯后再加工到所需要的尺寸；或者在折弯变形区内首先加工出工艺压槽后，再折弯。参见图例8压槽h＜2t(图1.11）图例8特殊情况下的直边高度要求2.2.3、折弯件的侧边带有斜角时的直边高度要求当折弯件的侧边带有斜角时（见图例8），其侧面的直边最小高度要求为：h=（2～4）t＞3mm图1.12）图例9折弯侧边带有斜角的直边高度要求2.3、折弯件的孔边距一般要求当加工工序采用先冲孔后折弯时，孔的位置应设计在折弯变形区外，以避免折弯时孔发生变形。孔壁至折弯边的距离，参见表7。表7折弯件孔边距的一般要求2.4、局部折弯的工艺切口2.4.1、局部折弯的设计处理方法当局部折弯某一段边缘时，为了防止尖角处应力集中而产生弯裂，可将折弯线移动一定距离，以避开尺寸突变处（图例10-a)；或采用开工艺槽的方法处理（图例10-b)。尺寸要求：S≥R；槽宽k≥t；槽深L≥t+R+k/2。Lk（图1.13）工艺孔图例10局部折弯的设计处理方法2.4.2、当孔位于折弯变形区内的切口形式当孔在折弯变形区内时，可采用的切口形式，如图例11所示。（图1.14）弯曲线弯曲线图例11孔在折弯变形区内时的切口形式2.5、带斜边的折弯边应避开变形区对于带有斜边的折弯件，其折弯边应避开折弯变形区。图例12图例12带斜边的折弯边应避开变形区2.6、打死边的宽度要求打死边的死边允许最小宽度与材料厚度t及最小折弯内径R有关。如图例13所示，通常打死边的最小宽度L≥3.5t+R。其中t为材料厚度，R为打死边前道工序的最小折弯内径R。图例13打死边的最小宽度要求2.7、设计添加的工艺定位孔为保证折弯毛坯材料在模具中能准确定位，防止折弯时毛坯材料应偏移而产生废品，一般会预先在设计时添加工艺定位孔。特别是多次折弯成形的零件，均须按工艺孔为定位基准，以减少累计误差，保证产品质量。图例14工艺孔（图）图例14多次折弯时设计添加的工艺定位孔2.8、设计标注折弯件相关尺寸时，应考虑加工的工艺要求如下图例15所示：a）为先冲孔后折弯，尺寸L的精度容易保证，加工方便。b）和c)如果尺寸L精度要求高，则需要先折弯后加工孔，此种加工方式相对比较麻烦。（图1.19）图例15折弯件尺寸标注示例2.9、折弯件的回弹影响折弯件的回弹因素很多，主要包括：材料的机械性能、材料厚度、折弯半径以及折弯时的正压力等。2.9.1、折弯件的回弹量定性分析折弯件的内圆角半径与板材厚度之比越大，回弹就越大。2.9.2、设计上的抑制回弹方法折弯件的回弹，目前主要还是由生产厂家在模具设计时，通过采取一定的措施来进行规避。而设计上，也可以通过改进某些结构使回弹角减小。如图例16所示：在折弯区通过压制加强筋，不仅可提高零件的刚度，还有利于抑制零件回弹。图例16设计上抑制回弹的方法示例3、拉伸3.1、拉伸件底部的圆角半径要求如图例17所示，拉伸件底部与直壁之间的圆角半径应大于材料厚度t，即r1≥t。同时，为了使拉伸能够进行得更加顺利，一般取r1=(3～5)t，而最大圆角半径应小于或等于8倍的材料厚度，即r1≤8t。（图）Dd•图例17拉伸件圆角及圆形拉伸件内腔直径要求3.2、拉伸件凸缘与壁之间的圆角半径如上图例17所示，拉伸件凸缘与壁之间的圆角半径应大于材料厚度t的2倍，即r2≥2t。同时，为了使拉伸能够进行得更加顺利，一般取r2=(5～10)t，而最大凸缘半径应小于或等于8倍的材料厚度，即r2≤8t。3.3、圆形拉伸件的内腔直径圆形拉伸件的内腔直径应取D≥d+10t，（t为材料厚度）以便在拉伸时压板能压紧毛坯材料而不致发生起皱现象。参见图例173.4、矩形拉伸件相邻两壁间的圆角半径如图例18所示，矩形拉伸件相邻两壁间的圆角半径应取r3≥3t，（t为材料厚度）。为了减少拉伸次数应尽可能取r3≥H/5，以便一次拉出来。（图1.21）图例18矩形拉伸件相邻两壁间的圆角半径3.5、圆形无凸缘拉伸件一次成形时，其高度与直径的尺寸关系要求当圆形无凸缘拉伸件需要一次成形时，零件高度H和直径d之比应小于或等于0.4，即H/d≤0.4，如图例19所示。图例19圆形无凸缘拉伸件一次成形时，高度与直径的尺寸关系3.6、拉伸件尺寸标注的注意事项由于拉伸件在拉伸时各处所受的应力各不相同，拉伸后的材料厚度会发生变化。一般来说，底部中央会保持原来的材料厚度，底部圆角处的材料变薄，顶部靠近凸缘处的材料会变厚，矩形拉伸件四周圆角处材料变厚。3.6.1、拉伸件的尺寸标注要求在拉伸件的设计图纸中，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。3.6.2、拉伸件的尺寸公差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应为双面对称偏差，其偏差值取GBIT16级精度公差绝对值的一半，并冠以±号。4、成型4.1、加强筋在板状金属零件上进行压筋处理，有助于增加结构刚性，常见加强筋结构及其尺寸关系。参见下表8。表8常见加强筋结构及其尺寸关系4.2、打凸间距和凸包边距的最小尺寸对于打凸间距和凸包边距的最小尺寸，通常按表9的数据选取。表9打凸间距和凸包边距的最小尺寸4.3、百叶窗百叶窗常用于机柜、机箱或机盒的外壳上，起到通风散热作用。其成型方法是借助于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进行拉伸变形，从而形成一边开口，一边相连的起伏形状。百叶窗的典型结构形式参见图例20。百叶窗的尺寸设计要求如下：a≥4t；b≥6t；h≤5t；L≥24t；r≥0.5t。t为材料厚度。（图1.25）图例20百叶窗的结构形式4.4、孔翻边孔翻边形式较多，这里主要是介绍最常用的带螺纹孔的内孔翻边，如图例21所示。（图1.26）图例21带螺纹孔的内孔翻边结构示意图有关带螺纹孔的内孔翻边结构尺寸参数，参见表10。表10带螺纹孔的内孔翻边结构尺寸参数螺纹材料厚度t翻边内孔D1翻边外孔d2凸缘高度h预冲孔内径D0凸缘圆角半径RM30.82.553.381.61.90.613.251.62.20.53.381.81.93.5221.23.381.9220.63.52.161.51.53.52.41.70.75M413.354.4622.30.51.24.351.922.70.64.52.162.34.652.41.51.54.462.42.50.754.652.71.824.562.22.41M51.24.255.62.430.61.55.462.42.50.755.62.735.7532.525.533.22.415.753.62