钣金结构设计工艺手册36页Word格式.docx
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1.1.2.3铜和铜合金板
常用的铜和铜合金板材主要有两种,紫铜T2和黄铜H62,
紫铜T2是最常用的纯铜,外观呈紫色,又称紫铜,具有高的导电、导热性、良好的耐蚀性和成形性,但强度和硬度比黄铜低得多,价格也是非常昂贵,主要用作导电、导热和耐用消费品腐蚀元件,一般用于电源上需要承载大电流的零件。
黄铜H62,属高锌黄铜,具有较高的强度和优良的冷、热加工性,易用于进行各种形式的压力加工和切削加工。
主要用于各种深拉伸和折弯的受力零件,其导电性不如紫铜,但有较好强度和硬度,价格也比较适中,在满足导电要求的情况下,尽可能选用黄铜H62代替紫铜,可以大大降低材料成本,如汇流排,目前绝大部分汇流排的导电片都是采用黄铜H62,事实证明完全满足要求。
1.1.3材料对钣金加工工艺的影响
钣金加工主要有三种:
冲裁、弯曲、拉伸,不同的加工工艺对板材有不同要求,钣金的选材也应该根据产品的大致形状和加工工艺考虑板材的选择。
1.1.3.1材料对冲裁加工的影响
冲裁要求板材应具有足够的塑性,以保证冲裁时板材不开裂。
软材料(如纯铝、防锈铝、黄铜、紫铜、低碳钢等)具有良好的冲裁性能,冲裁后可获得断面光滑和倾斜度很小的制件;
硬材料(如高碳钢、不锈钢、硬铝、超硬铝等)冲裁后质量不好,断面不平度大,对厚板料尤为严重。
对于脆性材料,在冲裁后易产生撕裂现象,特别是宽度很小的情况下,容易产生撕裂。
1.1.3.2材料对弯曲加工的影响
需要弯曲成形的板材,应有足够的塑性、较低的屈服极限。
塑性高的板材,弯曲时不易开裂,较低屈服极限和较低弹性模量的板料,弯曲后回弹变形小,容易得到尺寸准确的的弯曲形状。
含碳量<0.2%的低碳钢、黄铜和铝等塑性好的材料容易弯曲成形;
脆性较大的的材料,如磷青铜(QSn6.5~2.5)、弹簧钢(65Mn)、硬铝、超硬铝等,弯曲时必须具有较大的相对弯曲半径(r/t),否则在弯曲过程中易发生开裂。
特别要注意材料的硬软状态的选择,对弯曲性能有很大的影响,很多脆性材料,折弯会造成外圆角开裂甚至折弯断裂,还有一些含碳量较高的钢板,如果选择硬质状态,折弯也会造成外圆角开裂甚至折弯断裂,这些都应该尽量避免。
1.1.3.3材料对拉伸加工的影响
板材的拉伸,特别是深拉伸,是钣金加工工艺中较难的一种,不仅要求拉伸的深度尽量小,形状尽可能简单、圆滑过渡,还要求材料有较好的塑性,否则,非常容易引起零件整体扭曲变形、局部打皱、甚至拉伸部位拉裂。
屈服极限低和板厚方向性系数大,板料的屈强比σs/σb越小,冲压性能就越好,一次变形的极限程度越大。
板厚方向性系数>
1时,宽度方向上的变形比厚度方向上的变形容易。
拉伸圆角R值越大,在拉伸过程中越不容易产生变薄和发生断裂,拉伸性能就越好。
常见的拉伸性能较好的材料有:
纯铝钣、08Al,ST16、SPCD。
1.1.3.4材料对刚度的影响
在钣金结构设计中,经常遇到钣金结构件的刚度不能满足要求,结构设计师往往会用高碳钢或不锈钢代替低碳钢,或者用强度硬度较高的硬铝合金代替普通铝合金,期望提高零件的刚度,实际上没有明显的效果。
对于同一种基材的材料,通过热处理、合金化能大幅提高材料的强度和硬度,但对刚度的改变很小,提高零件的刚度,只有通过变换材料、改变零件的形状,才能达到一定的效果,不同材料的弹性模量和剪切模量参见表1-2。
表1-2常见材料的弹性模量和剪切模量
名称
弹性模量E
GPa
切变模量G
灰铸铁
118~126
44.3
轧制锌
82
31.4
球墨铸铁
173
铅
16
6.8
碳钢、
镍铬钢
206
79.4
玻璃
55
1.96
铸钢
202
有机玻璃
2.35~29.4
轧制纯铜
108
39.2
橡胶
0.0078
冷拔纯铜
127
48
电木
1.96~2.94
0.69~2.06
轧制磷锡青铜
113
41.2
夹布酚醛塑料
3.95~8.83
冷拔黄铜
89~97
34.3~36.3
赛璐珞
1.71~1.89
0.69~0.98
轧制锰青铜
尼龙1010
1.07
轧制铝
68
25.5~26.5
硬四氯乙烯
3.14~3.92
拔制铝线
69
聚四氯乙烯
1.14~1.42
铸铝青铜
103
11.1
低压聚乙烯
0.54~0.75
铸锡青铜
高压聚乙烯
0.147~0.24
硬铝合金
70
26.5
混凝土
13.73~39.2
4.9~15.69
1.1.3.5常用板材的性能比较
表1-3几种常用板材的性能比较
材料
价格系数
搭接电阻(mΩ)
数控冲床加工性能
激光加工性能
折弯性能
涨铆螺母工艺性
压铆螺母工艺性
表面喷涂
切口防护性能。
冷軋钢板鍍藍鋅
1.0
好
一般
较好
冷軋钢板鍍彩鋅
1.2
27
连续电镀锌钢板
1.7
26
最差
热镀锌钢板
1.3
较差
覆铝锌板
1.4
23
差
不銹钢
6.5
60
很差
防锈鋁板
2.9
46
极差
硬铝、超硬铝板
3.0
T2铜板
5.6
黄铜板
5.0
注:
1,表中的数据与材料具体的牌号和厂家均有关系,仅作为定性参考之用。
2,铝合金、铜合金板材在激光切割上加工性极差,一般不能采用激光加工。
1.2冲孔和落料:
1.2.1冲孔和落料的常用方式
1.2.1.1数控冲冲孔和落料:
数控冲冲孔和落料,就是利用在数控冲床上的单片机预先输入对钣金零件的加工程序(尺寸,加工路径,加工工具等等信息),使数控冲床采用各种刀具,通过丰富的NC指令可以实现各种各样的冲孔、切边、成形等形式的加工。
数控冲一般不能实现形状太复杂的冲孔和落料。
特点:
速度快,省模具。
加工灵活,方便。
基本上能够满足样品下料生产中的需要。
注意的问题及要求:
薄材(t<
0.6)不好加工,材料易变形;
加工范围受刀具,夹爪等限制;
适中的硬度和韧性有较好的冲裁加工性能;
硬度太高会使冲裁力变大,对冲头和精度都有不好的影响;
硬度太低,使冲裁时变形严重,精度受到很大的限制;
高的塑性对成形加工有利,但不适合于蚕食、连续冲裁,对冲孔和切边也不太合适;
适当的韧性对冲裁是有益的,它可以抑制冲孔时的变形程度;
韧性太高则使冲裁后反弹严重,反而影响了精度。
数控冲一般适合冲裁T=3.5~4mm以下的低碳钢、电解板、覆铝锌板、铝板、铜板、T=3mm以下的不锈钢板,推荐的数控冲床加工的板料厚度为:
铝合金板和铜板为0.8~4.0,低碳钢板为0.8~3.5mm,不锈钢板0.8~2.5mm。
对铜板加工变形较大,数控冲加工PC和PVC板,加工边毛刺大,精度低。
冲压时用的刀具直径和宽度必须大于料厚,比如Φ1.5的刀具不能冲1.6mm的材料.
0.6mm以下的材料一般不用NCT加工。
不锈钢材料一般不用NCT加工。
(当然,0.6~1.5mm的材料可以用NCT加工,但对刀具磨损大,现场加工出现的废品率的几率比其它GI等材料要高的多。
)
其它形状的冲孔落料希望尽可能简单、统一。
数控冲的尺寸要规格化,如圆孔,六边形孔、工艺槽最小宽度为1.2mm。
具体参考《钣金模具手册》。
1.2.1.2冷冲模冲孔和落料:
对产量较大,尺寸不太大的零件进行冲孔落料,为提高生产效率,而专门开的钣金冲压模具。
一般由凸模和凹模组成。
凹模一般有:
压入式,镶拼式等。
凸模一般有:
圆形,可更换;
组合式;
快装卸型等。
最常见的冲模有:
冲裁模(主要有:
开式落料模,闭式落料模,冲孔落料复合模,开式冲孔落料连续模,闭式冲孔落料连续模),弯曲模,压延模。
特点:
因为用冷冲模冲孔及落料基本可一次冲压完成,效率高,一致性好,成本低。
所以对于年加工量在5000件以上,零件尺寸不是太大的结构件,加工厂一般开冷冲模加工,在结构设计时就要考虑按开冷冲模加工的工艺特点设计。
比如零件不应出现尖角(除使用上必须外),需设计成圆角,可改善模具的质量和寿命,也使工件美观,安全,耐用;
为满足功能要求,零件的结构形状可以设计得更复杂等。
1.2.1.3密孔冲冲孔:
密孔冲可以视为数控冲的一种,对于有大量密孔的零件,为提高冲孔效率,精度等,专门开可一次冲大量密孔的冲孔模对工件进行加工。
如:
通风网板,进出风挡板等。
见图1-1所示。
图中阴影部分为密孔模,零件的密孔靠密孔模可快速冲出。
比一个一个的冲孔,大大的提高效率。
图11密孔冲示意图
密孔设计注意的问题及要求:
产品上密孔的设计应考虑密孔冲模具的加工特点是重复多次冲裁,这样在设计密孔的排布的时候应采用这样的原则:
1)设计密孔排布时首先考虑借用《钣金模具手册》上规划的密孔模,以减少模具成本;
2)同一类型的密孔排布时应统一,行间距规定一个不变的数值,列间距也规定一个不变的数值,这样同一类型的密孔模具可以通用,减少开模数量,降低了模具的成本;
3)同一类型的孔的尺寸应一致,如六方孔可以统一为内切圆Φ5的六方孔,此六方孔为公司六方孔的常用尺寸,占六方密孔的90%以上。
4)采用错位排布两行孔数不等时,必须满足两个要求,1,孔距较大,两孔的边缘距离大于2t(t为材料厚度);
2,总排数应该为偶数排,如图1-2所示;
图1-2密孔错位排布示意图
5)如果密孔的孔距很小,每排孔的数量必须为为偶数。
如图13所示,两个密孔之间的距离D小于2t时(t为材料厚度),因为模具的强度问题,则密孔模要间隔设置,图中阴影部分为密孔模。
可以看出,每排孔的数量必须为为偶数。
如果图1-2中的孔距也是这样很小时,因为每排的孔数不等(7空、8孔两种),则无法用密孔模一次性冲出。
图13密孔模
图1-1a的密孔模可设计成如图1-4所示。
图14密孔模
图1-1b的密孔模只能设计成如图1-5所示。
图15密孔模
设计密孔的排布时尽量按照上述要求设计,并且连续和有一定的规律性,便于开密孔模具,降低冲压成本,否则只能采用数冲或开很多套模具来完成加工。
如图1-6所示,图a,交错孔,行数不是偶数;
图b,中间缺孔;
图c,密孔距离太近,每行孔数和每列孔数都是奇数;
图d、e,密孔距离太近,密孔的每行孔数不相等,这些不能仅靠密孔模冲孔一次完成加工,还须用其它补加工方法才能完成。
图f,如果用密孔模加工,也需要用其它补加工方法才能完成,即使开落料模,也需要多副冲孔模完成,工艺性很差。
图16密孔排部示意图
1.2.1.4激光切割:
激光切割是由电子放电作为供给能源,利用反射镜组聚焦产生激光光束作热源的一种无接触切割技术,利用这种高密度光能来实现对钣金件的打孔及落料。
切割形状多样化,切割速度比线切割快,热影响区小,材料不会变形,切口细,精度及质量高,噪声小,无刀具磨损,无需考虑切割材料的硬度,可加工大型,形状复杂及其它方法难以加工的零件。
但其成本较高,同时会损坏工件的支撑台,而且切割面易沉积氧化膜,难处理。
一般只适合单件和小批量加工。
一般只用于钢板。
铝板及铜板一般不能用,因为材料传热太快,造成切口周围融化,不能保证加工精度及质量。
激光切割端面有一层氧化皮,酸洗不掉,有特殊要求的切割端面要打磨;
激光切割密孔变形较大,一般不用激光切割密孔。
1.2.1.5线切割:
线切割是把工件和电极丝(钼丝,铜丝)各作为一极,并保持一定距离,在有足够高的电压时形成火花隙,对工件进行电蚀切割的加工方法,切除的材料由工作液带走。
加工精度高,但加工速度较低,成本较高,且会改变材料表面性质。
一般用于模具加工,不用作加工生产用零件。
有些单板型材面板的方孔没有圆角,无法铣削,又因为铝合金不能用激光切割,如果没有冲压空间不能冲压,只能采取线切割加工,速度很慢,效率非常低,无法适应批量生产,设计应该避免这种情况。
1.2.1.6常用的三种落料和冲孔方法的特点对比
表1-4常见三种冲孔和落料加工特点比较注:
以下数据为冷轧钢板的数据。
激光切割
数控冲(包括密孔冲)
冷冲模
可加工材质
钢板
钢板,铜板、铝板
可加工料厚
1mm~8mm
0.6mm~3mm
一般小于4mm
加工最小尺寸(普通冷轧钢板)
最小细缝0.2mm
最小圆0.7mm
冲圆孔Ø
≧t
方孔小边W≧t
长槽宽W≧t
长槽宽W≧2t
孔与孔,孔与边的边缘最小距离
≧1t
孔与孔,孔与边的边缘优选距离
≧1.5t
一般加工精度
±
0.1mm
加工范围
2000X1350
外观效果
外缘光滑,切割端面有一层氧化皮
毛边大,且有带料毛边
少量毛边
曲线效果
光滑,形状多变
毛边大,形状规范;
加工速度
切割外圆快
冲制密孔快
最快
加工文字
刻蚀,较浅,尺寸不受限制
冲压凹形文字,符号较深;
尺寸受模具限制
冲压,凹形文字,符号,较深;
成形
不能
凹点,沉(沉)孔,小型拉伸等均可
可实现较复杂的形状
加工费用
较高
低
1.2.2冲孔落料的工艺性设计
1.2.2.1排布的工艺性设计
大批量及中批量生产,零件的材料费用占较大的比重,对材料的充分和有效利用,是钣金生产的一项重要经济指标。
所以在不影响使用要求的条件下,结构设计人员设计时,争取采用无废料或少废料的排布方法,如图1-7所示为无废料排布。
图17无废料排布
有些零件形状略加改变,就可以大大节约材料。
如图1-8所示,图2比图1省料。
图18略改设计的省料排部
1.2.2.2冲裁件的工艺性
对于数控冲床加工外圆角,需要专用的外圆刀具,为了减少外圆刀具,如图1-9所示本手册规范外圆角为:
1)90度直角外圆角系列半径为r2.0,r3.0、r5.0,r10,
2)135度的斜角的外圆角半径统一为R5.0,:
图19冲裁件的外圆角
冲孔优先选用圆形孔,圆孔应按照《钣金模具手册》中规定的系列圆孔选取,这样可以减少圆孔刀具的数量,减少数控冲床换刀时间。
由于受到冲孔凸模强度限制,孔径不能过小,其最小孔径与材料厚度有关。
在设计时孔的最小直径不应小于下表1-5所示的数值。
表1-5用普通冲床冲孔的最小尺寸
冲孔的最小直径或最小边长(t为材料厚度)
圆孔D(D为直径)
方孔L(L为边长)
腰圆孔、矩形孔a(a为最小边长)
高、中碳钢
≥1.3t
≥1.2t
≥1t
低碳钢及黄铜
≥0.8t
铝、锌
≥0.6t
布质胶木层压板
≥0.4t
≥0.35t
≥0.3t
冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不应过小,其值见图1-10:
图110冲裁件的孔与孔、孔与边缘之间的距离
考虑到模具的冲压加工中,采用复合模加工的孔与外形、孔与孔之间的精度较易保证,加工效率较高,而且模具的的维修成本,维修方便,考虑到以上原因,孔与孔之间,孔与外形之间的距离如果能满足复合模的最小壁厚要求,工艺性更好,如图1-11所示:
图111冲裁件的搭边要求
表1-6复合模加工冲裁件的搭边最小尺寸
t(0.8以下)
t(0.8~1.59)
t(1.59~3.18)
t(3.2以上)
D1
3mm
2t
D2
D3
1.6mm
2.5t
D4
如图1-12所示,先冲孔后折弯,为保证孔不变形,孔与弯边的最小距离
X≥2t+R
图112孔与弯边的最小距离
在拉深零件上冲孔时,见图1-13,为了保证孔的形状及位置精度以及模具的强度,其孔壁与零件直壁之间应保持一定距离,即其距离a1及a2应满足下列要求:
a1≥R1+0.5t,
a2≥R2+0.5t.
式中R1,R2-圆角半径;
t-板料厚度。
图113在拉深件上冲孔
1.2.2.3冲裁件的加工精度
图114冲裁件孔中心距的公差
图1-14冲裁件孔中心距的公差:
表1-7孔中心距的公差表单位:
mm
材料厚度
普通冲孔精度
高级冲孔精度
公称尺寸L
<
50
50~150
150~300
1
0.1
0.15
0.20
0.03
0.05
0.08
1~2
0.12
0.30
0.04
0.06
0.10
2~4
0.25
0.35
4~6
0.40
注:
使用本表数值时所有孔应是一次冲出的。
图1-15孔中心距与边缘距离公差:
图115孔中心与边缘距离的公差
冲压件设计尺寸基准的选择原则
1)冲压件的设计尺寸基准尽可能与制造的定位基准相重合,这样可以避免尺寸的制造误差。
2)冲压
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