钣金件结构设计准则

钣金件结构设计准则内容摘要：

钣金件结构设计准则 钣金件结构设计准则一 1 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艺三类: (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 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并给出相应的例子。 2. 1 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 和图2 以及图3)。 图4a 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 2. 2 节省原料准则 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。 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5 和图6)。 (2) 巧妙排列(见图7)。 (3) 将大平面处的材料取出用于更小的构件(见图8 和图9)。 2. 3 足够强度刚度准则 薄板由于很小的壁厚,所以刚度是很低的。 尖角刚度不足,应以钝角取代之(见图10)。 两孔之间的距离若太小,则在切割时有产生裂纹的可能(见图11)。 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,可见这样的薄板结构应避免(见图12)。 2. 4 可靠冲裁准则 图13a 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。 2. 5 避免粘刀准则 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14 和图15)。 2. 6 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(见图16 、图17以及图18)。 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(见图19)。 2. 7 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20 、图21)。 钣金件结构设计准则二 1 引言 在薄板件结构设计准则(一) 一文中, 作者提出了七条薄板件的结构设计准则: 简单形状准则, 节省原料准则, 足够强度刚度准则, 可靠冲裁准则,避免粘刀准则, 弯曲棱边垂直切割面准则, 平缓弯曲准则。 本文在上文的基础上再推荐七条薄板件的结构设计准则。 2 结构设计准则 2. 1 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115 倍的板厚; 二是不要完全的圆形, 这样加工起来困难,图1b 和图2b 所示的卷边比各自a 所示的卷边易加工。 2. 2 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3 和图4)。 2. 3 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5 是一个纯弯曲成形的结构。 图6 是对应于图5 的改进结构。 后者比前者加工容易。 图7b 的结构比其图7a 的结构易加工。 2. 4 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8a 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8b 所示结构没有潜在的连通失稳惯性轴, 图9 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(见图10)。 2. 5 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11 是一个卡车上的电瓶箱, 它受动载作用, 图11a 结构在压槽端都产生了疲劳破坏。 而图11b 结构就不存在这一问题。 陡峭的压槽端面应避免(见图12) , 可能的情况下压槽延至边界(见图13)。 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14)。 2. 6 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15 和图16 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15b、16b 结构。 ) 2. 7 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17)。 资料来自于 杨文彬 (南京化工大学 南京 210009) 008。