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    鈑金加工件結構設計

    來源:屹合科技 發布日期:2020-10-05 14:44:01
    引言
     
    近來閑暇,總結、梳理了一下前幾年從事鈑金行業的所看到的文章和技術資料同大家分享也讓自己再次學習一下,在昨天分享了鈑金加工工藝的一些基礎知識,今天來同大伙兒說道說道鈑金件的結構設計。
     
    序言
     
    在一些小型鈑金加工生產企業特別是作坊式的加工單位,其沒有完善的設計與工藝部門,遇到新的、非常規鈑金件在打樣過程中經常產生加工工藝,零件加工困難等問題,不僅影響生產進度和交貨,也影響產品的質量如:
     
    1. 鈑金零件的折彎,經常會發生折彎碰刀的情況;
     
    2. 落料的外圓角、半圓凸臺、異型孔的規格太多,以及一些不合理的形狀設計,導致加工廠要多開很多不必要的落料模,大大增加模具的加工和管理成本;
     
    3. 噴塑和絲印,也經常出現噴涂選擇不合理導致廢品率較高、無法絲印等問題;
     
    4. 有些鈑金零件的點焊完全可以適當增加定位,不增加成本也不影響美觀,實際上大部分設計是靠生產的工裝定位,不僅麻煩、效率低,精度也不好;
     
    5. 很多可以避免焊接的鈑金零件,往往設計成角焊的結構形式,焊接和打磨都非常麻煩,不僅效率較低,而且外觀質量也經常得不到保證,等等。
     
    長期以來,這些相同的問題不斷地重復發生,無論對產品質量還是產品的生產和進度,都會產生不良的影響。
     
    我寫以下的內容就是為了方便做鈑金設計人員在結構設計時更好地保證設計出的零件有較好的加工工藝性,統一結構要素,減少不必要的開模,加快加工進度,降低加工成本,提高產品質量。
     
    一些資料的來源如下:
     
    《焊接設計簡明手冊》  機械工業出版社
     
    《焊接工藝人員手冊》  上??茖W技術出版社
     
    《表面工程手冊》 機械工業出版社
     
    《機械設計手冊》 化學工業出版社
     
    《電子設備設計手冊》 電子工業出版社
     
    《 結構工藝基本設計手冊》(試用稿)
     
    《工藝結構設計手冊》(數沖、激光、數折、非標螺母)
     
    《鈑金沖壓工藝手冊》國防工業出版社
     
    《冷沖壓及塑料成型工藝與模具設計》機械工業出版社
     
    《機械零件設計手冊》 冶金出版社
     
    《五金手冊》  機械工業出版社
     
    有興趣的朋友可以查閱這些書籍,在這里感謝中興公司,我這里寫的內容有不少是借鑒他們的結構設計手冊。由于時間和實際經驗有限,錯誤在所難免,懇請大家批評指正,
     
    鈑金零件設計工藝
     
    一. 常用鈑金加工材料介紹
     
    了解材料的綜合性能和正確的選材,對產品成本、產品性能、產品質量、加工工藝性都有重要的影響。
     
    1.鈑金材料的選材原則
     
    1.1選用常見的金屬材料,減少材料規格品種,在同一產品中,盡可能的減少材料的品種和板材厚度規格;
     
    1.2在保證零件的功能的前提下,盡量選用性價適中的材料品種,并降低材料的消耗,降低材料成本;
     
    1.3對于機柜和一些大的機箱,需要充分考慮降低整機的重量;
     
    1.4除保證零件的功能的前提外,還必須考慮材料的沖壓性能應滿足加工藝要求,以保證制品的加工的合理性和質量。
     
    2.幾種常用的板材介紹
     
    2.1鋼板
     
    2.1.1冷軋薄鋼板
     
    冷軋薄鋼板是碳素結構鋼冷軋板的簡稱,它是由碳素結構鋼熱軋鋼帶,經過進一步冷軋制成厚度小于4mm的鋼板。由于在常溫下軋制,不產生氧化鐵皮,因此,冷板表面質量好,尺寸精度高,再加之退火處理,其機械性能和工藝性能都優于熱軋薄鋼板。常用的牌號為低碳鋼08F和10#鋼,具有良好的落料、折彎性能。
     
    2.1.2連續電鍍鋅冷軋薄鋼板
     
    連續電鍍鋅冷軋薄鋼板,即“電解板”,指電鍍鋅作業線上在電場作用下,鋅從鋅鹽的水溶液中連續沉積到預先準備好的鋼帶表現上得到表面鍍鋅層的過程,因為工藝所限,鍍層較薄。
     
    2.1.3連續熱鍍鋅薄鋼板
     
    連續熱鍍鋅薄鋼板簡稱鍍鋅板或白鐵皮,是厚度0.25~2.5mm的冷軋連續熱鍍鋅薄鋼板和鋼帶,鋼帶先通過火焰加熱的預熱爐,燒掉表面殘油,同時在表面生成氧化鐵膜,再進入含有H2、N2混合氣體的還原退火爐加熱到710~920℃,使氧化鐵膜還原成海綿鐵,表面活化和凈化了的帶鋼冷卻到稍高于熔鋅的溫度后,進入450~460℃的鋅鍋,利用氣刀控制鋅層表面厚度。最后經鉻酸鹽溶液鈍化處理,以提高耐白銹性。與電鍍鋅板表面相比,其鍍層較厚,主要用于要求耐腐蝕性較強的鈑金件。
     
    2.1.4覆鋁鋅板
     
    覆鋁鋅板的鋁鋅合金鍍層是由55%鋁、43.4%鋅與1.6%硅在600℃高溫下固化而組成,形成致密的四元結晶體保護層,具有優良的耐腐蝕性,正常使用壽命可達25年,比鍍鋅板長3-6倍,與不銹鋼相當。覆鋁鋅板的耐腐蝕性來自鋁的障礙層保護功能,和鋅的犧牲性保護功能。當鋅在切邊、刮痕及鍍層擦傷部分作犧牲保護時,鋁便形成不能溶解的氧化物層,發揮屏障保護功能。
     
    上述2 、3 、4鋼板統稱為涂層鋼板,在國內鈑金行業廣泛采用,涂層鋼板加工后可以不再電鍍、油漆,切口不做特殊處理,便可直接使用,也可以進行特殊磷化處理,提高切口耐銹蝕的能力。從成本分析看,采用連續電鍍鋅薄鋼板,加工廠不必將零件送去電鍍,節省電鍍時間和運輸出費用,另外零件噴涂前也不用酸洗,提高了加工效率。
     
    2.2不銹鋼板
     
    因為具有較強的耐腐蝕能力、良好的導電性能、強度較高等優點,使用非常廣泛,但也要充分考慮它的缺點:
     
    1) 材料價格很較貴;
     
    2) 材料強度較高對數控沖床的刀具磨損較大一般不合適數控沖床上加工 ;
     
    3) 不銹鋼板的壓鉚螺母要采用高強度的特種不銹鋼材料的壓鉚螺母,價格很貴;
     
    4) 壓鉚螺母鉚接不牢固經常需要再點焊;表面噴涂的附著力不高(特別是鏡面板,如需噴涂需要對表面預先處理)、質量不宜控制;
     
    5) 材料回彈較大折彎和沖壓不易保證形狀和尺寸精度。
     
    6) 對于特種不銹鋼板,焊接成本高,且焊接質量很難保證。如SUS316,不能連續焊接。
     
    2.3鋁和鋁合金板
     
    通常使用的鋁和鋁合金板主要有以下三種材料:防銹鋁3A21、 防銹鋁5A02和 硬鋁2A06。
     
    防銹鋁3A21即為老牌號LF21,系AL—Mn合金,是應用最廣的一種防銹鋁。這種合金的強度不高(僅高于工業純鋁),不能熱處理強化。故常用冷加工方法來提高它的力學性能,在退火狀態下有高的塑性,在半冷作硬化時塑性尚好。冷作硬化時塑性低,耐蝕性好,焊接性良好。
     
    防銹鋁5A02即為老牌號LF2系AL—Mg防銹鋁,與3A21相比,5A02強度較高,特別是具有較高的疲勞強度、塑性與耐蝕性高。熱處理不能強化,用接觸焊和氫原子焊焊接性良好,氬弧焊時有形成結晶裂紋的傾向,合金在冷作硬化時有形成結晶裂紋的傾向。合金在冷作硬化和半冷作硬化狀態下可切削性較好,退火狀態下可切削性不良,可拋光。
     
    硬鋁2A06為老牌號的LY6,是常用的硬鋁牌號。硬鋁和超硬鋁比一般的鋁合金具有更高的強度和硬度,可以作為一些面板類的材料,但是塑性較差,不能進行折彎,折彎會造成外圓角部位有裂縫或者開裂。
     
    2.4銅和銅合金板
     
    常用的銅和銅合金板材主要有兩種,紫銅T2和黃銅H62,
     
    紫銅T2是最常用的純銅,外觀呈紫色,又稱紫銅,具有高的導電、導熱性、良好的耐蝕性和成形性,但強度和硬度比黃銅低得多,價格也是非常昂貴,主要用作導電、導熱和耐用消費品腐蝕元件,一般用于電源上需要承載大電流的零件。
     
    黃銅H62,屬高鋅黃銅,具有較高的強度和優良的冷、熱加工性,易用于進行各種形式的壓力加工和切削加工。主要用于各種深拉伸和折彎的受力零件,其導電性不如紫銅,但有較好強度和硬度,價格也比較適中,在滿足導電要求的情況下,盡可能選用黃銅H62代替紫銅,可以大大降低材料成本,如匯流排,目前絕大部分匯流排的導電片都是采用黃銅H62,事實證明完全滿足要求。
     
    二.材料對鈑金加工工藝的影響
     
    鈑金加工主要有:沖裁、折彎、拉伸、焊接、打磨(含拋光),不同的加工工藝對板材有不同要求,鈑金的選材也應該根據產品的大致形狀和加工工藝考慮板材的選擇。
     
    1. 材料對沖裁加工的影響
     
    沖裁要求板材應具有足夠的塑性,以保證沖裁時板材不開裂。軟材料(如純鋁、防銹鋁、黃銅、紫銅、低碳鋼等)具有良好的沖裁性能,沖裁后可獲得斷面光滑和傾斜度很小的制件;硬材料(如高碳鋼、不銹鋼、硬鋁、超硬鋁等)沖裁后質量不好,斷面不平度大,對厚板料尤為嚴 重。對于脆性材料,在沖裁后易產生撕裂現象,特別是寬度很小的情況下,容易產生撕裂。
     
    2. 材料對折彎加工的影響
     
    需要折彎成形的板材,應有足夠的塑性、較低的屈服極限。塑性高的板材,彎曲時不易開裂,較低屈服極限和較低彈性模量的板料,彎曲后回彈變形小,容易得到尺寸準確的的彎曲形狀。含碳量<0.2%的低碳鋼、黃銅和鋁等塑性好的材料容易彎曲成形;脆性較大的的材料,如磷青銅(QSn6.5~2.5)、彈簧鋼(65Mn)、硬鋁、超硬鋁等,彎曲時必須具有較大的相對彎曲半徑(r/t),否則在彎曲過程中易發生開裂。特別要注意材料的硬軟狀態的選擇,對彎曲性能有很大的影響,很多脆性材料,折彎會造成外圓角開裂甚至折彎斷裂,還有一些含碳量較高的鋼板,如果選擇硬質狀態,折彎也會造成外圓角開裂甚至折彎斷裂,這些都應該盡量避免。
     
    3.材料對拉伸加工的影響
     
    板材的拉伸,特別是深拉伸,是鈑金加工工藝中較難的一種,不僅要求拉伸的深度盡量小,形狀盡可能簡單、圓滑過渡,還要求材料有較好的塑性,否則,非常容易引起零件整體扭曲變形、局部打皺、甚至拉伸部位拉裂。屈服極限低和板厚方向性系數大,板料的屈強比σs/σb越小,沖壓性能就越好,一次變形的極限程度越大。板厚方向性系數>1時,寬度方向上的變形比厚度方向上的變形容易。拉伸圓角R值越大,在拉伸過程中越不容易產生變薄和發生斷裂,拉伸性能就越好。常見的拉伸性能較好的材料有:純鋁鈑、08Al,ST16、SPCD。
     
    4.材料對剛度的影響
     
    在鈑金結構設計中,經常遇到鈑金結構件的剛度不能滿足要求,結構設計師往往會用高碳鋼或不銹鋼代替低碳鋼,或者用強度硬度較高的硬鋁合金代替普通鋁合金,期望提高零件的剛度,實際上沒有明顯的效果。對于同一種基材的材料,通過熱處理、合金化能大幅提高材料的強度和硬度,但對剛度的改變很小,提高零件的剛度,只有通過變換材料、改變零件的形狀,才能達到一定的效果。

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