结构设计实例(灯具的结构设计)

家电产品结构设计课程大纲一.结构设计知识简述二.压铸件设计三.钣金件设计四.塑胶件设计一、结构设计知识简述随着电子技术的使用范围的推广，灯具的功能、体积、重量、动转可靠性以及对各种环境的适应性等诸多问题被纳入到结构设计的范畴，使灯具的结构设计逐步成为一个多学科的综合技术，未来的灯具在光学设计、热学设计、安全设计、机械设计与工艺设计的科学化程度将大大提高，各种专业软件的算法已经应用到或是即将应用到配光设计技术、温度模拟分布、热流模型的建立等方面，特别是灯具系统化设计的理论和技术，这些技术的应用使得纯机械技术和工艺失去意义，现有的结构设计方法也面临着新的变革。目前，灯具的结构设计大致包含以下内容：1、整机组装结构设计2、热设计3、电磁兼容性设计4、结构静力计算与动态参数设计5、防腐蚀设计6、连接设计7、可靠性试验（可靠性设计）综合上述，结构设计（灯具）现已包含着相当广泛的技术内容，其范围涉及到力学、机械学、材料学、热学、电学、化学、光学、美学、环境学等，本讲义不想涉入到上述的具体内容中去，而是配合上述过程问题讲述各种不同加工方式的结构的工艺性设计：压铸件工艺性设计、钣金件工艺性设计、塑胶件工艺性设计等。二、压铸件设计1、术语和定语流痕：指铸件表面与金属液流动方向一致且与金属基体颜色不一样的纹路。冷隔：指铸件表面有与周边熔接不良的小块。铬化：指铸件与铬酸溶液发生化学反应，在铸件表面形成一层薄的铬酸盐膜。欠铸：指铸件成形不饱满。网状毛刺：压铸件表面上有网状发丝一样凸起或凹陷的痕迹。溢流口：指金属液冷却凝固时为补偿金属收缩所设置的穴。2、铸件设计及工艺2.1、选材铝合金压铸件的常用材料有:日本工业标准牌号ADC1,ADC3,ADC10,和ADC12;美国工业标准牌号:A360和A380;我国标准:YL102,YL104,YL112和YL113，对于我司来讲，压铸件的选材统一要求为ADC12，珠三角压铸厂商常用材料为ADC10,ADC12和A380.以上几种材料的成份和力学性能见表1二、压铸件设计1材料成份和力学性能2.2、壁厚壁厚设计以均匀为佳,不均易产生缩孔和裂纹,易引起零件变形,同时会影响到模具的使用寿命。壁厚很厚的铸件内部易产生缩孔,影响材料的力学性能，对大形铝合金,其壁厚不宜超过6mm,因壁厚增加,其材料的力学性能将明显下降,因此推荐壁厚如表2。对外侧边缘壁厚,为保证良好的压铸成形,壁厚s=1/4h,且s=1.5mm,s为边缘壁厚,h为边缘壁的高度,如下图所示。合金牌号Si(%)Cu(%)Mg(%)Fe(%)Al抗拉强度(MPa)耐力(MPa)延伸率(%)硬度(HB)ADC107.5-9.52-40.31.3余量2411571.573.6ADC129.6-121.5-3.50.31.3余量2281541.474.1A3807.5-9.53-40.11.3余量2451.674二、压铸件设计2压铸件最小壁厚和正常壁厚例:壁厚设计-990801-89灯头壳-GF-A-C版壁的单面面积axb(cm2)=2525~100100~500500最小壁厚(mm)0.81.21.82.5正常壁厚(mm)2.02.53.04.0二、压铸件设计2.3、加强筋设计筋的目的是增加零件的强度和刚性,避免因单纯依靠加大壁厚而引起的气孔,裂纹和收缩缺陷,同时能使金属流路顺畅,改善压铸的工艺性.筋高不超过15倍壁厚，最大筋宽不超过1.5倍壁厚，对筋高30mm以下，拔模斜度不小于3°，筋高30mm以上，拔模斜度不小于2°(通常在我司为节省成本，减轻重量，拔摸斜度一般都放得很小，一般情拔1°，高筋高30mm以上的拔2度，对于批量不大的产品应该也不会有很大问题）,在特殊情况下加强筋端面的拔模度可设为0.5°。例:特殊情况下加强筋的运用2.4、圆角圆角设计可使金属液流畅,气体易排出,有利于铸件成形，并能避免因锐角致使零件和模具产生裂纹,有利于提高模具寿命,因此对过渡处应避免锐角设计,圆角半径以取最大为原则,一般取值如下:对相等壁厚:1/2h=r=h对不等壁厚:1/4(h1+h2)=r=1/2(h1+h2)r为内圆角半径,h、h1和h2为壁厚二、压铸件设计2.5、拔模斜度拔模斜度的大小与零件的结构、高度、壁厚及表面粗糙度有关,在允许的范围内,尽可能取大值,有利于脱模。非圆形内侧壁的拔模斜度如下表,外侧取表下表值的一半。2.6、相邻距离尽量避免窄且深的凹穴设计，以免对应模具处出现窄而高的凸台，因受冲击易弯曲、断裂。如下图所示,当a过小时,易使模具在此处开裂,为使模具在此处有足够的强度,a值应不小于5mm。0°30’0°45’1°1°151°30’1°45’2°30’3°30’4°30’5°30’非圆形0°30’0°30’0°451°1°15’1°45’2°2°30’3°30’4°圆形180~250120~18080~12050~8030~5018~3010~186~103~6=3拔模高度二、压铸件设计示例:相邻距离的合理设计二、压铸件设计2.7、铸孔铝合金可铸最小孔径为2.5mm,可铸孔径大小与深度有关,对盲孔,孔深为孔径的3到4倍,对通孔,孔深为孔径的6到8倍。对孔径精度或孔距精度要求较高的,一般不直接铸孔,采用后序机加工处理,但对壁厚较厚的孔,为避免机加后出现表面有砂眼,一般先铸出底孔,然后用机加去除加工余量。2.8、文字和图案文字大小不小于5号字体,凸起高度0.3~0.5mm,线宽推荐0.8mm.,出模度10~15度,如果外壳表面采用喷粉处理，其外侧面的文字及图案的凸起高度采用0.5mm,如果凸起高度用0.5mm以下的话，外壳喷粉之后会其字形及图案就会模糊不清。2.9、表面质量2.9.1压铸面铝合金压铸表面粗糙度在Ra3.2~6.3,表面质量按粗糙度分为3级,详细见表：压铸表面质量分级,2.9.2表面缺陷压铸件各类表面缺陷不同级别的要求见表：面缺陷要求(JB2702-80)二、压铸件设计3、公差3.1尺寸公差压铸件尺寸公差依据国标GBT1804-M选取,铝合金公差一般按5级取,对分形面及活动部位尺寸公差需低一级,对有严格精度要求的可做到3级,对超出要求的可双方协商采用后加工来保证。3.2、平面度公差压铸件变形因素与模具的顶出机构、零件的结构、壁厚不均等有关,变形量如下表,对特别要求的,需采用后加工来保证。名义尺寸(长或宽)~2525~6363~100100~160160~250250~400400整形前0.20.30.450.71.01.52.2整形后0.10.150.200.250.30.40.5当设计隔爆型的灯具时,其精度及平面公差的精度高于模制品的正常控制精度,此时则需要安排机加的方式,而这时则要考虑产品的易加工程度,有时加工的方式而决定了产品的形状。（见附图3）二、压铸件设计4.、机加工模具因受高温冲击,表面比较容易冲蚀,考虑到模具寿命,模具上尽量避免使用行位、细长镶针等结构，在允许的情况下可不直接铸出,采用后序CNC或普通机床加工而成,同时因铸件的尺寸精度都比较低,对高精度的,也采用CNC加工而成,其精度按机加精度等级要求。结构设计时需考虑到机加定位面,以便能方便装夹，对于有防爆要求的接合面一定需要机加来保证其表面粗糙度及尺寸精度。4.1、表面处理4.1.1喷砂和喷丸对压铸件表面有外观要求时,可用喷砂处理,能掩盖表面压铸缺陷,一般表面喷砂后再喷油,能做比较美观的砂纹外观,喷丸除有喷砂功能外,同时还能增加铸件的强度用。4.1.2表面氧化铝合金氧化主要作用是提高其防腐能力,因铝合金含比较多的硅金属,阳极氧化只能为灰色,不能氧化成黑色。对防腐能力要求高的,一般表面先铬化处理,再涂装处理,。表面铬化有无色和黄色铬化两种,主要是在表面形成薄的铬化层,无色铬化可耐24小时常规盐雾测试,黄色铬化可耐48小时常规盐雾测试。二、压铸件设计4.1.3、表面电镀或化学镀铝合金一般镀铬或镀镍,主要用于外观装饰用,电镀和化学镀的主要缺陷体现为表面有针孔、气泡、镀层局部脱落、划伤等。电镀对铸件要求很高,铸件必须具有良好的压铸成形性能，表面光洁度要达到1.6。因此结构设计时必须考虑壁厚要均匀,且不宜太厚,一般不超过4mm,尽量采用大的圆角过渡,同时对模具要求浇道,溢流口,排气设计必须合理。电镀或化学镀的正常合格率为80%,如压铸成形较差,合格率可能会低于50%，这种工艺我司使用较少，只用在各种堵头及压紧螺母的锌合金铸件采用了这种工艺。4.1.4、表面喷涂表面喷涂一般为喷油和喷粉,主要用途用于外观或防腐蚀,涂层厚度一般60~120µm,纹路分光面和砂纹面(撒点)。涂层主要性能检测指标为涂层厚度测试,附着力测试及盐雾测试。5、铸件加工工艺5.1、铸件的一般加工流程如下：压铸成形去浇口溢流口去批锋抛光机加清洗表面处理三、钣金件设计1、术语和定语钣金件的工艺性是指零件在冲切、弯曲、拉伸，焊接等加工过程中的难易程度。2、优选材料及表面处理2.1、公司优选材料性能、用途、规格我司没有特别的单独规范来强制优先材料的选用，但在设计的默认过程中基本上有一个自发的优先选用行为：2.1.1普通碳素结构钢－普板(Q235)★常用厚度(mm)：0.5，0.8，1.0，1.2，1.5，2.0，2.5★常用表面处理：镀彩锌，镀蓝锌，镀镍、喷涂Q235是一种钢材的材质。Q代表的是这种材质的屈服，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。Q235根据性能中冲击温度的不同分为四个级别：Q235-A级，是不做冲击Q235-B级，是20度常温冲击；Q235-C级，是0度冲击；Q235-D级，是-20度冲击我们在设计时，通常在图纸材料栏里只写Q235，并没有表明其是哪一个级别的钢，这是不正确的。后来我询问了外协李工，供应商看到Q235材质的钣金件一般都用SPCC（冷扎钢板），附件摘录了一些关于SPCC材料的描述。三、钣金件设计2.1.2不锈钢板SUS304,SUS316(会接触酸碱溶液的零件使用)。★常用厚度：0.5，0.8，1.0，1.2，1.5，2.0。★常用表面处理：通常不做表面处理如果有特殊需要建议选用表面处理的不锈钢材料。如：SUS304HL(拉直纹)、SUS304BA(雾面)、SUS304Mirror(镜面)。2.1.3铝板:A1100（纯铝）、A5052（合金铝）、6061（合金铝）★常用厚度：1.0，1.2，1.5，2.0。★常用表面处理：拉丝氧化（发黑，发白）、喷砂氧化（不推荐使用，单面喷砂容易变形）、喷粉。如果零件要求导电，则需要在技术要求里注明导电氧化，导电氧化属化学氧化，颜色为淡黄色。2.1.4铜板:H62★常用厚度：0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0。★常用表面处理：镀镍、发黑氧化、不处理。2.2选择材料和表面处理的注意事项三、钣金件设计2.2.1选材时尽量减少品种规格，便于生产管理。2.2.2选材时要考虑材料的成本，在保证力学性能和质量的情况下，尽量选用价廉的材料。2.2.3建议钣金件最薄用0.8mm厚，最厚用2.5mm厚。0.5mm厚的冷轧钢板焊接、折弯后的尺寸都不容易控制，除了用于做成简单的屏蔽片或是弹片，应尽量少用。超过2.5mm厚冷轧钢板加工很困难，折弯很难控制，也应尽量少用。2.2.4需要焊接组合的零件建议选用Q235。2.2.5有较高的防腐要求或外观要求的零件建议选择不锈钢板，或铝板。2.2.6需要电镀的零件建议选用镀彩锌或镀兰锌的表面处理。表面电镀的防腐性比较：镀白锌→镀兰锌→镀彩锌→镀镍，防腐性减弱，价格增高。是镀锌时后要经过的两个处理工序，一个是除氢处理，二是钝化处理。除氢处理：零件在酸性溶液和阴极电解除油的过程中都有可能在基体晶格中渗氢,造成晶格扭歪,导致内应力大,产生氢脆，零件要求抗拉强度愈大，要求的除氢时间愈长钝化处理：二是把镀锌层放在以铬酸酐为主的溶液中进行化学处理,使其表面生成一层化学稳定性较高的、组织致密