鈑金件結構設計知識

1　引言

薄板指板厚和其長寬相比小得多的鋼板。它的橫向抗彎能力差，不宜用於受橫向彎曲載荷作用的場合。薄板就其材料而言是金屬，但因其特殊的幾何形狀厚度很小，所以薄板構件的加工工藝有其特殊性。和薄板構件有關的加工工藝有三類：(1)下料：它包括剪切和沖裁。(2)成形：它包括彎曲、摺疊、卷邊和深拉。(3)連接：它包括焊接、粘接等。薄板構件的結構設計主要應考慮加工工藝的要求和特點。此外，要注意構件的批量大小。

薄板構件之所以被廣泛採用是因為薄板有下列優點：

 (1)易變形，這樣可用簡單的加工工藝製造多種形式的構件。

 (2)薄板構件重量輕。

 (3)加工量小，由於薄板表面質量高，厚度方向尺寸公差小，板面不需加工。

 (4)易於裁剪、焊接，可製造大而複雜的構件。

 (5)形狀規範，便於自動加工。

2　結構設計準則

在設計產品零件時，必須考慮到容易製造的問題。盡量想一些方法既能使加工容易，又能使材料節約，還能使強度增加，又不出廢品。為此設計人員應該注意以下製造方面事項。

鈑金件的工藝性是指零件在沖切、彎曲、拉伸加工中的難易程度。良好的工藝應保證材料消耗少，工序數目少，模具結構簡單，使用壽命高，產品質量穩定。在一般情況下，對鈑金件工藝性影響最大的是材料的性能、零件的幾何形狀、尺寸和精度要求。

如何在薄板構件結構設計時充分考慮加工工藝的要求和特點，這裡推薦幾條設計準則。

2.1　簡單形狀準則

切割面幾何形狀越簡單，切割下料越方便、簡單、切割的路徑越短，切割量也越小。如直線比曲線簡單，圓比橢圓及其它高階曲線簡單，規則圖形比不規則圖形簡單(見圖1)。

(a)不合理結構
　(b)改進結構

圖1

圖2a的結構只有在批量大時方有意義，否則沖裁時，切割麻煩，因此，小批量生產時，宜用圖b所示結構。

(a)不合理結構
　(b)改進結構

圖2

2.2　節省原料準則（沖切件的構型準則）

節省原材料意味著減少製造成本。零碎的下角料常作廢料處理，因此在薄板構件的設計中，要盡量減少下腳料。沖切棄料最少以減少料的浪費。特別在批量大的構件下料時效果顯著，減少下角料的途徑有：

(1)減少相鄰兩構件之間的距離(見圖3)。

(a)不合理結構
(b)改進結構

圖3

(2)巧妙排列(見圖4)。

(a)不合理結構
(b)改進結構

圖4

(3)將大平面處的材料取出用於更小的構件(見圖5)。

(a)不合理結構
(b)改進結構

圖5

2.3　足夠強度剛度準則

⑴、帶斜邊的折彎邊應避開變形區

⑵.兩孔之間的距離若太小，則在切割時有產生裂紋的可能。

零件上沖孔設計應考慮留有合適的孔邊距和孔間距以免沖裂。零件的沖孔邊緣離外形的最小距離隨零件與孔的形狀不同有一定的限制。當沖孔邊緣與零件外形邊緣不平行時，該最小距離應不小於材料厚度t；平行時，應不小於1.5t。最小孔邊距和孔間距見表。

模具製作上以圓孔最堅固好製造維修，唯開孔率較低。

以正方形孔開孔率最高，但因是90度角，角邊容易磨損崩塌,造成要修模而停線.而六角形的開孔其大於90度的120度角比正方形孔開孔更堅固但開孔率在邊緣比正方形孔差一點。

⑶.細長的板條剛度低，也易在剪裁時產生裂紋，特別是對刀具的磨損嚴重。

沖裁件的凸出或凹入部分的深度和寬度，一般情況下，應不小於1.5t(t為料厚)，同時應該避免窄長的切口與和過窄的切槽，以便增大模具相應部位的刃口強度。見圖3.3.1。

對一般鋼A≥1.5t；對合金鋼A≥2t；對黃銅、鋁A≥1.2t；t—材料厚度。

2.4　可靠沖裁準則

圖9a所示的半圓切線結構沖裁加工很難。因為這要求準確地確定刀具和工件之間的相對位置。準確測量定位不僅費時，更重要的是，刀具由可磨損和安裝的誤差，精度通常達不到這麼高的要求。這樣的結構一旦加工稍有偏差，質量很難保證，且切割外觀差。所以應採用圖b所示的結構，它可保證可靠的沖裁加工質量。

(a)不合理結構
　(b)改進結構

圖9

2.5　避免粘刀準則(穿破件的構型準則)

在構件中間沖裁切割時會出現刀具和構件粘接交緊的問題。解決的辦法：(1)留有一定的坡度；(2)切割面連通(見圖10和圖11)。

(a)不合理結構
　(b)改進結構  (a)不合理結構
　(b)改進結構

圖10  圖11

當搭接在一道工序中用沖切法製成90°的彎邊時，選材要注意材質不宜太硬，否則易在直角彎折處破裂。應在彎邊位置設計工藝切口，防止折角處破裂。

2.6　彎曲棱邊垂直切割面準則

薄板在切割加工以後，一般還要進一步進行成形加工，比如彎曲。彎曲棱邊應垂直於切割面，否則交匯處產生裂紋的危險升高。若因其它限制垂直要求不能滿足時，應在切割面和彎曲棱邊交匯處設計一個圓角，其半徑大於板厚的兩倍。

2.7　平緩彎曲準則

陡峭的彎曲需特殊的工具，且成本高。此外，過小的彎曲半徑易產生裂紋，在內側面上還會出現皺摺(見圖16、圖17)。

(a)不合理結構
　(b)改進結構

圖16

(a)不合理結構
(b)改進結構

圖17

2.8　避免小圓形卷邊準則

薄板構件的棱邊常用卷邊結構,這有多項好處。(1)加強了剛度;(2)避免了鋒利的棱邊;(3)美觀。但卷邊應注意兩點,一是半徑應大於1.5倍的板厚;二是不要完全的圓形,這樣加工起來困難,圖18b所示的卷邊比各自a所示的卷邊易加工。

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖18

2.9　槽邊不彎曲準則

彎曲棱邊和槽孔棱邊要相距一定的距離,推薦值是彎曲半徑加上2倍的壁厚。彎曲區受力狀態複雜,且強度較低。有缺口效應的槽孔也應排除在這個區域以外。既可以將整個槽孔遠離彎曲棱邊,也可以讓槽孔橫跨整個彎曲棱邊(見圖19)。

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖19

2.10　複雜結構組合製造準則

空間結構過於複雜的構件,完全靠彎曲成形比較困難。因此盡量將結構設計得簡單一些,在非複雜不可的情況下,可用組合構件,即將多個簡單的薄板構件用焊接,螺栓連接等方式組合在一起。圖20b的結構比其圖20a的結構易加工。

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖20

2.11　避免直線貫通準則

薄板結構有橫向彎曲剛度較差的缺點。大平板結構易屈曲失穩。進一步還會彎曲斷裂。通常用壓槽來提高其剛度。壓槽的排列方式對提高剛度的效果影響很大,壓槽排列基本原則是避免無壓槽區域直線貫通。貫通的低剛度窄帶易成為整個板面屈曲失穩的慣性軸。失穩總要圍繞一個慣性軸,因此,壓槽的排列要切斷這種慣性軸,使它越短越好。圖21a所示的結構,無壓槽區域形成多條貫通的窄條。圍繞這些軸,整個板的彎曲剛度沒有改進。圖21b所示結構沒有潛在的連通失穩慣性軸,圖22列出了常見的壓槽形狀和排列方式,從左到右剛度增強效果逐漸加大,不規則排列是避免直線貫通的有效方法。

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖21

圖22

2.12　壓槽連通排列準則

壓槽的終點疲勞強度低是薄弱環節,如果壓槽連通,其部分終點將消滅。圖23是一個卡車上的電瓶箱,它受動載作用,圖23a結構在壓槽端都產生了疲勞破壞。而圖23b結構就不存在這一問題。陡峭的壓槽端面應避免,可能的情況下壓槽延至邊界(見圖24)。壓槽的貫通消除了薄弱的端部。但壓槽的交匯處要有足夠大的空間,使得各壓槽之間的相互影響減少(見圖25)。

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖23

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖24

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖25

2.13　空間壓槽準則

空間結構的失穩不只限於某一方面,因此,只在一個平面上設置壓槽不能達到提高整個結構抗失穩能力的效果。例如圖26所示的U型和Z型結構,它們的失穩會發生在棱邊附近。解決這個問題的方法是將壓槽設計成空間的(見圖26b結構。)

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖26

2.14　局部松馳準則

薄板上局部變形受到嚴重阻礙時會出現皺摺。解決的辦法是在皺摺附近設置幾個小的壓槽,這樣減低局部剛度,減少變形阻礙(見圖28)。

（a）不合理結構
（b）改進結構

圖28

2.15 沖裁件的構型準則

⑴.最小沖孔直徑或方孔的最小邊長

沖孔時，應受到沖頭強度的限制，沖孔的尺寸不能太小，否則容易損壞沖頭。最小沖孔直徑及最小邊長見表。

* t為材料厚度，沖孔最小尺寸一般不小於0.3mm。

⑵.沖切缺口原則

沖切缺口應盡量避免尖角，如a圖所示。尖角形式容易減短模具使用壽命，且尖角處容易產生裂紋。應改為如b圖所示。

R≥0.5t(t─材料厚度)

a 圖  b 圖

沖裁件的外形及內孔應避免尖角。在直線或曲線的連接處要有圓弧連接，圓弧半徑R≥0.5t。（t為材料壁厚）

2.16、彎曲件的結構準則

⑴、板件最小彎曲半徑

材料彎曲時，其圓角區上，外層收到拉伸，內層則受到壓縮。當材料厚度一定時，內半徑r越小，材料的拉伸和壓縮就越嚴重；當外層圓角的拉伸應力超過材料的極限強度時，就會產生裂縫和折斷，因此，彎曲零件的結構設計，應避免過小的彎曲圓角半徑。為此規定最小彎曲半徑。

常用金屬材料最小折彎半徑列表

l 彎曲半徑是指彎曲件的內側半徑,t是材料的壁厚。

l t為材料壁厚，M為退火狀態，Y為硬狀態，Y2為1/2硬狀態。

對於如下圖所示封閉式彎邊零件，其彎邊高度h最大不得超過40?,若需大於40?者，須經校核後方能使用。

⑵、彎曲的最小直邊高度

彎曲的直邊高度不宜過小，否則不易成形足夠的彎矩，很難得到形狀準確的零件。其值h≥R+2t方可。

① 一般情況下的最小直邊高度要求

彎曲件的直邊高度不宜太小，最小高度按圖要求：h＞2t。

彎曲件的直邊高度最小值

② 特殊要求的直邊高度

如果設計需要彎曲件的直邊高度h≤2t,，則首先要加大彎邊高度，彎好后再加工到需要尺寸；或者在彎曲變形區內加工淺槽后，再折彎。

特殊情況下的直邊高度要求

③ 彎邊側邊帶有斜角的直邊高度

當彎邊側邊帶有斜角的彎曲件時，側面的最小高度為：h=（2～4）t＞3mm

彎邊側邊帶有斜角的直邊高度

⑶、彎曲的直邊變形處理

①、當a＜R時，彎曲后，b面靠a處仍然有一段殘餘圓弧，為了避免殘餘圓弧，必須使a≥R。

②、在U形彎曲件上，兩彎曲邊最好等長，以免彎曲時產生向一邊移位。如不允許，可設一工藝定位孔。

③、防止側面（梯形）彎曲時產生裂紋或畸形。應設計預留切槽，或將根部改為階梯形。槽寬K≥2t，槽深L≥t+R+K/2。

④、防止圓角在彎曲時受壓產生擠料後起皺，應設計預留切口。如室外機側板（上端、下端）圓角處切口形式。

B 與蓋板厚度（t）相等

⑤、防止彎曲后，直角的兩側平面產生褶皺，應設計預留切口。

⑥、防止彎曲后，產生回彈的切口形式。

a≥1.5t（t—材料厚度)

⑦、防止沖孔后，彎曲產生裂紋的切口形式。

⑧、防止彎曲時，一邊向內產生收縮。可設計工藝定位孔，或兩邊同時折彎，還可用增加幅寬的辦法來解決收縮問題。

⑨、彎成直角的搭接形式。

⑷、凸部的彎曲

若象a圖那樣彎曲線和階梯線一致，有時會在根部開裂變形。所以使彎曲線讓開階梯線如圖b，或設計切口如c、d那樣。

⑸、折彎件上的孔邊距

孔邊距：先沖孔后折彎，孔的位置應處於彎曲變形區外，避免彎曲時孔會產生變形。孔壁至彎邊的距離見表。

表 折彎件上的孔邊距

①、防止彎曲時，彎曲面上的孔受力後會變形，孔邊距（至底根部）其值A≥4方可。

②、彎曲邊沖孔時，孔邊到彎曲半徑R中心的距離L不得過小，以免彎曲成型後會使孔變形。其值L≥2t方可。

⑹、局部彎曲的工藝切口

① 折彎件的彎曲線應避開尺寸突變的位置

局部彎曲某一段邊緣時，為了防止尖角處應力集中產生彎裂，可將彎曲線移動一定距離，以離開尺寸突變處（圖a)，或開工藝槽（圖b)，或沖工藝孔（圖c) 。注意圖中的尺寸要求：S≥R ；槽寬k≥t；槽深L≥t+R+k/2。

② 當孔位於折彎變形區內，所採取的切口形式

當孔在折彎變形區內時，採用的切口形式示例

⑺、打死邊的設計要求

打死邊的死邊長度與材料的厚度有關。如下圖所示，一般死邊最小長度L≥3.5t+R。

其中t為材料壁厚，R為打死邊前道工序的最小內折彎半徑。

⑻、設計時添加的工藝定位孔

為保證毛坯在模具中準確定位，防止彎曲時毛坯偏移而產生廢品，應預先在設計時添加工藝定位孔，如下圖所示。特別是多次彎曲成形的零件，均必須以工藝孔為定位基準，以減少累計誤差，保證產品質量。

⑼、標註彎曲件相關尺寸時，要考慮工藝性

⑽、彎曲件的回彈

影響回彈的因素很多，包括：材料的機械性能、壁厚、彎曲半徑以及彎曲時的正壓力等。

⑴折彎件的內圓角半徑與板厚之比越大，回彈就越大。

⑵從設計上抑制回彈的方法示例。

彎曲件的回彈，目前主要是由生產廠家在模具設計時，採取一定的措施進行規避。同時，從設計上改進某些結構促使回彈角減小如下圖所示：在彎曲區壓制加強筋，不僅可以提高工件的剛度，也有利於抑制回彈。

2.16、拉深件的構形準則

a. 拉深件的形狀應盡量簡單、對稱。

b. 拉深件各部分尺寸比例要恰當，盡量避免設計寬凸緣和深度大的拉深件。（D凸＞3d， h≥2d）因為這類零件要較多的拉深次數。

c. 拉深件的圓角半徑要合適，圓角半徑盡量取大些，以利於成型和減少拉深次數。

⑴、拉深件的圓角半徑。

⑵、拉深件或彎曲件沖孔的合適位置。

⑶、防止拉深時產生扭曲變形，A、B寬度應相等（對稱）即A=B。

⑷、拉伸件設計圖紙上尺寸標註的注意事項

拉伸件由於各處所受應力大小各不相同，使拉伸后的材料厚度發生變化。一般來說，底部中央保持原來的厚度，底部圓角處材料變薄，頂部靠近凸緣處材料變厚，矩形拉伸件四周圓角處材料變厚。

⑸、拉伸件產品尺寸的標準方法

在設計拉伸產品時，對產品圖上的尺寸應明確註明必須保證外部尺寸或內部尺寸，不能同時標註內外尺寸。

⑹、拉伸件尺寸公差的標註方法

拉伸件凹凸圓弧的內半徑以及一次成形的圓筒形拉伸件的高度尺寸公差為雙面對稱偏差，其偏差值為國標(GB)16級精度公差絕對值的一半，並冠以±號。

2.17、提高零件強度的合理構型準則

⑴、對較長的鈑金件為了提高其強度，應該設計加固筋。

⑵、在彎曲件的彎角處再作彎折，能起到筋條的加強作用。

⑶、加強筋

在板狀金屬零件上壓筋，有助於增加結構剛性，加強筋結構及其尺寸選擇參見表。

⑷、打凸間距和凸邊距的極限尺寸

打凸間距和凸邊距的極限尺寸按下表選取。

⑸、百葉窗

百葉窗通常用於各種罩殼或機殼上起通風散熱作用，其成型方法是借凸模的一邊刃口將材料切開，而凸模的其餘部分將材料同時作拉伸變形，形成一邊開口的起伏形狀。

百葉窗的典型結構參見圖。

百葉窗尺寸要求：a≥4t；b≥6t；h≤5t；L≥24t；r≥0.5t。

2.18、鈑金件常用螺釘底孔構型準則

⑴、孔翻邊

孔翻邊型式較多，本準則只關注要加工螺紋的內孔翻邊，如圖所示。

表 帶螺紋孔的內孔翻邊尺寸參數

⑵、螺釘、螺栓的過孔和沉頭座

螺釘、螺栓過孔和沉頭座的結構尺寸按下表選取取。對於沉頭螺釘的沉頭座，如果板材太薄難以同時保證過孔d2和沉孔D，應優先保證過孔d2。

用於螺釘、螺栓的過孔

用於沉頭螺釘的沉頭座及過孔

*要求鈑材厚度t≥h。

用於沉頭鉚釘的沉頭座及過孔

*要求鈑材厚度t≥h。

2.19、鈑金件的尺寸公差

公差是影響產品質量和價格的重要因素之一。在製造零件的時候，經驗告訴我們，無論投入多少成本和時間，完全按圖紙上標註的尺寸準確地加工出來幾乎是不可能的。產品設計無論從性能上還是經濟上都要滿足用戶的需要。從企業本身來說，也必須保持正常的利潤。

為此公差必須由產品的性能和經濟兩方面來決定。所以設計要充分掌握公差的原則。

⑴、沖切件的尺寸公差。

⑵、彎曲件的邊高h直線尺寸公差。

註：彎曲邊長L 直線尺寸公差按表規定。

⑶、彎曲件的角度公差。

⑷、拉深件的高度h尺寸公差。

註：拉深邊長L 直線尺寸公差按表規定。

⑹、沖切件的斷面粗糙度。

2.20、沖切件的毛刺允許高度

⑴、沖裁件毛刺的極限值

沖裁件毛刺超過一定的高度是不允許的，衝壓件毛刺高度的極限值(mm)見下表。

表 衝壓件毛刺高度的極限值

* f級（精密級）適用於較高要求的零件；m級（中等級）適用於中等要求的零件；g級（粗糙級）適用於一般要求的零件。

⑵、設計圖紙中毛刺的標註要求

* 毛邊方向：BURR  SIDE。

* 需要壓毛邊的部位：COIN或COIN  CONTINUE。一般不要整個結構件斷口全部壓毛邊，這樣會增加成本。盡量在下面情況使用：暴露在外面的斷口；人手經常觸摸到的銳邊；需要過線纜的孔或槽；有相對滑動的部位。

圖 鈑金結構設計圖紙中毛刺的標註示例

2.21、鈑金表面處理及鈑金材料

⑴、壓印工藝、壓花工藝簡介

壓印、壓花工藝在鈑金件上應用很多，包括標籤粘貼位置指示、產品編碼、生產日期、版本、廠家代號、甚至圖案等，都可以利用這兩種工藝進行加工。

①．壓印工藝

壓印是使材料厚度發生變化，將擠壓的材料充塞在有起伏的模腔內，使零件上形成起伏花紋或字樣。

一般情況下是在封閉模中進行，以免金屬被擠到模子型腔外面；對於比較大的零件或形狀特殊成形後進行切邊的零件，可在敞開模中進行。為使零件得到良好的表面質量，成形前應將毛坯進行退火、酸洗、噴砂等處理。

②．壓花工藝

壓花工藝與壓印類似，只是變形的深度較小，所需的壓力也較小。壓花的方法，深度h≤(0.3~0.4t)時，在光面凹模上進行；深度h>0.4t時，在帶有與凸模配合的相應凹槽的凹模上進行，其凹模的寬度要比凸模上的大一些，深度要比凸模上的淺。

⑵、高碳鋼、低碳鋼對應的常用材料牌號列表

⑶、金屬材料

SPCC：一般用鋼板，表面需電鍍或塗裝處理。

SECC：鍍鋅鋼板，表面已做烙酸鹽處理及防指紋處理。

SUS301：彈性不鏽鋼。

SUS304：不鏽鋼。

鍍鋅鋼板表面的化學組成------基材（鋼鐵），鍍鋅層或鍍鎳鋅合金層，烙酸鹽層和有機化學薄膜層。

有機化學薄膜層能表面抗指紋和白銹，抗腐蝕及有較佳的烤漆性。

①.SECC的鍍鋅方法：

熱浸鍍鋅法：連續鍍鋅法，成卷的鋼板連續浸在溶解有鋅的鍍槽中；板片鍍鋅法，剪切好的鋼板浸在鍍槽中，鍍好後會有鋅花。

電鍍法: 電化學電鍍，鍍槽中有硫酸鋅溶液，以鋅為陽極，原材質鋼板為陰極。

②．鍍鋅鋼板的一般問題點

1.白銹---因結露或被水沾濕致迅速發生氫氧化鋅為主要成分的白色粉末狀的銹。(會導致產品質量劣化)

2.紅銹---因結露或被水沾濕致迅速發生氫氧化鐵為主要成分的紅茶色粉末狀的銹。

3.烙酸不均勻---黃茶色的小島形狀或線形狀的花紋，但耐蝕性沒有問題。

4.替代腐蝕保護---在鋅面割傷而，露出鋼板基體表面的情況下，我們也不必擔心鍍鋅鋼板切邊生鏽問題。

③．鍍鋅鋼板之烤漆處理

1.前處理

由於鋅是一種高活性金屬，在烤漆前需要適當的化學轉化處理如磷酸鹽處理。磷酸鹽處理劑有兩種，一種是處理鐵的，一種是處理鋅的。

2.脫脂

採用弱鹼，有機溶劑及中性乳液或洗滌劑，避免用酸或強鹼脫脂劑。可用水膜試驗（Water lreakage test）來確認，觀察試驗后的水是否受到污染，以及試品表面的水膜是否均勻。

3.烤漆

電鍍鋅鋼片對漆的選擇性比冷軋鋼片為嚴。使用水性底漆（Water promer）可以確保有較強的油漆附著性。

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