我们经常用到的五金类零件中常用的金属材料有不锈钢、铜、铝、锌合金、镁合金、钢、铁等。
五金制品根据加工方式不同常分为冷加工及热加工类,不同种类的五金成型方法也不一样,冷加工类如钣金类材料,主要是通过模具冷冲压、折弯、拉深等工艺成型。热加工类如铸造类零件,主要通过将五金原材料熔化成液态用模具铸造而成。
一般认为,凡是厚度均匀的片材类金属材料统称钣金。常用的钣金材料有不锈钢、镀锌钢板、马口铁、铜、铝、铁等。
本文主要来分析一下钣金类产品设计的基本原则。
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钣金特性与工艺要求
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![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=37e0df8b702ac65c6705667bcbf3b21d/ee62c65c10385343f69584cad613b07ecb80884f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_22d5a427fc1968b11c046498a49c32ec)
以上动图为冲压
1.产品厚度均匀的原则
钣金就是厚度均匀的材料,在结构设计时应该要注意,尤其是在折弯比较多的地方,很容易造成厚度不均匀。
2.易于展平的原则
钣金件产品是由片材加工而成的,在没有加工之前,原材料是平整的,所以,在设计钣金件时,所有折弯及斜面都要能展开在同一个平面上,相互之间不能有干涉。例如,图1所示的钣金件设计不合格,原因就是展开后相互干涉。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=e73703f1835c1038247ececa8210931c/1d1410385343fbf2bc76a5c8f57eca8064388f4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_c1639ba8c20b933f880408149d64f8d6)
图1 钣金件展平后会相互干涉图
3.适当地选用板金件厚度原则
钣金件厚度从0.03〜4.00mm各种规格都有,但厚度越大越难加工,就越需要大的加工设备,不良率也随之增加。厚度应根据产品实际的功能来选择,在满足强度及功能的前提下,越薄越好,对于大部分产品,钣金件厚度应控制在1.00mm以下。
4.符合加工工艺原则
钣金件产品要符合加工工艺,要易于制造,不符合加工工艺的产品是制造不出来的,就是不合格的设计。
钣金类产品设计的工艺要求
钣金
工艺性:产品在各种加工过程中如冲切、折弯等的难易程度
工艺要求:设计钣金类产品时应符合这些工艺性。
基本加工方式有:冲切、折弯、拉伸、成型等
2
冲切
普通冲切:目前应用最多。
精密冲切:需要精密的冲切模具及高精度的冲切设备,成本要高于普通冲切,一般应用于比较精密的产品。
1.冲切件的外形尽量简单,避免细长的悬臂及狭槽
冲切件的凸出或凹入部分的深度和宽度,一般情况下,应不小于1.5/t(t为料厚),同时应该避免窄长的切口与过窄的切槽,以便增大模具相应部位的刃口强度,如图2所示。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=3a4df087553853438ccf8729a312b01f/cb705343fbf2b2119c7486a58f8065380dd78e4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_012fdfd21fe7bd87d1fdde5d2f308d87)
图2 避免窄长的悬臂和凹槽
2.冲切件外形尽量使排样时废料最少,从而减少原料的浪费
将图3所示的设计改进成图4所示的设计,就会以相同的原料增加产品数量,从而减少浪费,降低成本。
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图3 原先设计
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=015f6598bef2b211e42e8546fa816511/20bab2119313b07edbe753e349d7912396dd8c4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_3e9ff289c08a1e104fa613d300fb6009)
图4 改进后设计
3.冲切件的外形及内孔应避免尖角
尖角会影响模具的寿命,在产品设计时要注意在角落连接处倒圆角过渡,圆角半径R≥ 0.5t (t为料厚),如图5所示。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=4124cd29f7119313c743ffb855390c10/69599313b07eca80775f3a0cd42397dda044834f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_599e59d44d5311021fba7d46dbafcbf1)
图5 倒圆角设计
4.冲切件的孔及方孔
冲切件的孔优先选用圆孔,冲孔时,受到冲头强度的限制,冲孔的直径不能太小,不然容易损坏冲头。冲孔最小尺寸与孔的形状、材料机械性能和材料厚度有关,表1是常用材料最小的冲孔尺寸,t为钣金材料厚度。
表1常用材料最小的冲孔尺寸
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=e89584cad613b07ebdbd50003cd69113/485bb07eca8065381fb0a7f8d2dda144ac34824f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_0dbf8d3b1924c878b43f6e1032b24fb2)
2.弯曲件的直边高度
弯曲件的直边高度不能太小,否则很难达到产品的精度要求。一般情况下,最小直边高度按图9所示要求来设计。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=a676a5c8f57eca80120539efa1229712/6b36ca8065380cd78544a106e444ad345882814f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_5056647ea9819effa7bd9452f7d1b244)
图9 最小直边高度设计
如果弯曲件直边高度因为产品结构需要而小于最小直边高度设计时,可以在弯曲变形区内加工浅槽后再进行折弯,如图10所示。这种方式的缺点就是降低了产品强度,如果钣金材料太薄也不适用。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=867486a58f8065387beaa41ba7dca115/11c865380cd7912382ba979fe8345982b3b7804f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_606c17361c602c085f4b37fe6570055a)
图 10
3.折弯件的最小孔边距
折弯件上的孔加工方式有两种,一种是先折弯后冲孔;另一种是先冲孔后折弯。先折弯后冲孔边距的设计参照冲切件的要求;先冲孔后折弯应让孔处于折弯的变形区外,不然会造成孔的变形及开孔处易裂,其基本设计要求如图11所示。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=a619fc5b20380cd7e61ea2e59145ad14/be700cd7912397ddb7239bef1c82b2b7d1a2874f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_eb57a752d861b34e5c189cbbd5eea0f0)
图11 折弯件的最小孔边距
4.邻近边折弯时,应与圆角保持一定的距离
在靠近折弯圆角边的邻近边折弯时,折弯边应与圆角保持一定的距离,如图12所示,距离L≥0.5t,其中t是钣金厚度。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=dde753e349d79123e0e0947c9d355917/d79f912397dda144ba536f59f7b7d0a20df4864f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_094195e531202e3c9856d99ee947961b)
图 12
5.弯曲件的工艺缺口设计
如果一条边只有一部分折弯,为了防止裂开及畸形,应设计有工艺切口,工艺切口宽度不小于1.5t,工艺缺口深度不小于2.0t+R,其中t是钣金厚度,如图13所示。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=7d5f3a0cd42397ddd679980c6983b216/4a6b97dda144ad3441e5846c95a20cf430ad854f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_c54a34202c7da17e64dbe1cb90861974)
图13 工艺缺口设计
6.折弯件打死边的设计
折弯件打死边是指折弯的面与底面平行,俗称打死边。打死边的前道工序是将折弯边 折弯成一定的角度,然后打死贴合。
打死边的死边长度与材料的厚度有关,一般死边最小长度L≥3.5t+R,其中t为钣金材料厚度,R为打死边前道工序的最小内折弯半径,如图14所示。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=15b0a7f8d2dda144da096cba82b6d009/4c95a144ad345982abd0e67949f431adcaef844f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_37cbd17db5275d3c1eab4c5750f060a6)
图14 打死边的长度设计
7.弯曲件的工艺孔设计
在设计U形弯曲件时,两弯曲边最好一样长,以免弯曲时产品偏移而产生废品,如果因为结构设计不允许两边一样长,为保证产品在模具中准确定位,应预先在设计时添加工艺定位孔,特别是多次弯曲成型的零件,必须设计工艺孔为定位基准,以减少累计误差,保证产品质量,如图15所示。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=8b44a106e444ad342ebf878fe0a30c08/7a0cad345982b2b7cac53a2f74adcbef77099b4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_0b50df53c9ee5c5fd21c46710434322c)
图15 弯曲件的工艺孔设计
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拉伸
1.含义
钣金件拉伸:将钣金件拉深成四周有侧壁的圆形或者方形、异形等形状的工艺, 如铝制的洗脸盆、不锈钢杯等。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=8cba979fe8345982c58ae59a3cf5310b/767c5982b2b7d0a2179307768eef76094a369a4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_edeaeba1b63f5d000f7511264f1bf18f)
2.钣金件拉伸注意事项
(1)拉伸件的底与壁之间的最小圆角半径应大于板厚,即r1>t;为了使拉伸进行得更顺利,一般取r1=(3~5)t,最大圆角半径应小于板厚的8倍,即r1<8t。
拉深件圆角半径大小要求如表所示
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=bd239bef1c82b2b7a79f39cc01accb0a/82cab2b7d0a20cf42dcafd3433094b36adaf994f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_89f54a4abcc77a8fc427a3d6f7b218c8)
拉深件圆角半径大小
(2) 拉伸件凸缘与壁之间的最小圆角半径应大于板厚的2倍,即r2>2t;为了使拉伸进行得更顺利,一般取r2=5t,最大圆角半径应小于板厚的8倍,即r1<8t。(例如图16)
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=b0536f59f7b7d0a27bc90495fbee760d/69ffd0a20cf431add68840d20e36acaf2fdd984f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_188eb0d07b9d70aec3684b23ec75ead5)
图16 圆形无凸缘拉深件一次成型时高度与直径的尺寸关系
(3)矩形拉伸件相邻两壁间的最小圆角半径应取r3≥3t,为了减少拉伸次数,尽可能取r3≥1/5H,以便一次拉伸完成。
(4)拉伸件由于各处所受应力不同,使拉伸后,材料厚度发生变化。一般,底部中央保持原来厚度,底部圆角处材料变薄,顶部靠近凸缘处材料变厚;矩形拉伸件四周圆角处材料变厚。在设计拉伸产品时,在图纸上明确注明必须保证外部尺寸或内外部尺寸,不能同时标注内外尺寸。
(5)拉伸件之材料厚度,一般都考虑工艺变形中的上下壁厚不相等的规律(即上厚下薄)。圆形无凸缘拉伸件一次成形时,高度H和直径D之比应小于或等于0.4。
总的来说,在设计拉伸件时注意拉伸件形状应尽量简单,外形上尽量对称,拉伸深度不宜太大。
五金制品根据加工方式不同常分为冷加工及热加工类,不同种类的五金成型方法也不一样,冷加工类如钣金类材料,主要是通过模具冷冲压、折弯、拉深等工艺成型。热加工类如铸造类零件,主要通过将五金原材料熔化成液态用模具铸造而成。
一般认为,凡是厚度均匀的片材类金属材料统称钣金。常用的钣金材料有不锈钢、镀锌钢板、马口铁、铜、铝、铁等。
本文主要来分析一下钣金类产品设计的基本原则。
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钣金特性与工艺要求
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![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=37e0df8b702ac65c6705667bcbf3b21d/ee62c65c10385343f69584cad613b07ecb80884f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_22d5a427fc1968b11c046498a49c32ec)
以上动图为冲压
1.产品厚度均匀的原则
钣金就是厚度均匀的材料,在结构设计时应该要注意,尤其是在折弯比较多的地方,很容易造成厚度不均匀。
2.易于展平的原则
钣金件产品是由片材加工而成的,在没有加工之前,原材料是平整的,所以,在设计钣金件时,所有折弯及斜面都要能展开在同一个平面上,相互之间不能有干涉。例如,图1所示的钣金件设计不合格,原因就是展开后相互干涉。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=e73703f1835c1038247ececa8210931c/1d1410385343fbf2bc76a5c8f57eca8064388f4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_c1639ba8c20b933f880408149d64f8d6)
图1 钣金件展平后会相互干涉图
3.适当地选用板金件厚度原则
钣金件厚度从0.03〜4.00mm各种规格都有,但厚度越大越难加工,就越需要大的加工设备,不良率也随之增加。厚度应根据产品实际的功能来选择,在满足强度及功能的前提下,越薄越好,对于大部分产品,钣金件厚度应控制在1.00mm以下。
4.符合加工工艺原则
钣金件产品要符合加工工艺,要易于制造,不符合加工工艺的产品是制造不出来的,就是不合格的设计。
钣金类产品设计的工艺要求
钣金
工艺性:产品在各种加工过程中如冲切、折弯等的难易程度
工艺要求:设计钣金类产品时应符合这些工艺性。
基本加工方式有:冲切、折弯、拉伸、成型等
2
冲切
普通冲切:目前应用最多。
精密冲切:需要精密的冲切模具及高精度的冲切设备,成本要高于普通冲切,一般应用于比较精密的产品。
1.冲切件的外形尽量简单,避免细长的悬臂及狭槽
冲切件的凸出或凹入部分的深度和宽度,一般情况下,应不小于1.5/t(t为料厚),同时应该避免窄长的切口与过窄的切槽,以便增大模具相应部位的刃口强度,如图2所示。
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图2 避免窄长的悬臂和凹槽
2.冲切件外形尽量使排样时废料最少,从而减少原料的浪费
将图3所示的设计改进成图4所示的设计,就会以相同的原料增加产品数量,从而减少浪费,降低成本。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=d63b26e31643fbf2c52ca62b807fca1e/880bfbf2b2119313a019fc5b20380cd790238d4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_86637fe6a72cd030e098d39365ab1a15)
图3 原先设计
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=015f6598bef2b211e42e8546fa816511/20bab2119313b07edbe753e349d7912396dd8c4f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_3e9ff289c08a1e104fa613d300fb6009)
图4 改进后设计
3.冲切件的外形及内孔应避免尖角
尖角会影响模具的寿命,在产品设计时要注意在角落连接处倒圆角过渡,圆角半径R≥ 0.5t (t为料厚),如图5所示。
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图5 倒圆角设计
4.冲切件的孔及方孔
冲切件的孔优先选用圆孔,冲孔时,受到冲头强度的限制,冲孔的直径不能太小,不然容易损坏冲头。冲孔最小尺寸与孔的形状、材料机械性能和材料厚度有关,表1是常用材料最小的冲孔尺寸,t为钣金材料厚度。
表1常用材料最小的冲孔尺寸
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2.弯曲件的直边高度
弯曲件的直边高度不能太小,否则很难达到产品的精度要求。一般情况下,最小直边高度按图9所示要求来设计。
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图9 最小直边高度设计
如果弯曲件直边高度因为产品结构需要而小于最小直边高度设计时,可以在弯曲变形区内加工浅槽后再进行折弯,如图10所示。这种方式的缺点就是降低了产品强度,如果钣金材料太薄也不适用。
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图 10
3.折弯件的最小孔边距
折弯件上的孔加工方式有两种,一种是先折弯后冲孔;另一种是先冲孔后折弯。先折弯后冲孔边距的设计参照冲切件的要求;先冲孔后折弯应让孔处于折弯的变形区外,不然会造成孔的变形及开孔处易裂,其基本设计要求如图11所示。
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图11 折弯件的最小孔边距
4.邻近边折弯时,应与圆角保持一定的距离
在靠近折弯圆角边的邻近边折弯时,折弯边应与圆角保持一定的距离,如图12所示,距离L≥0.5t,其中t是钣金厚度。
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图 12
5.弯曲件的工艺缺口设计
如果一条边只有一部分折弯,为了防止裂开及畸形,应设计有工艺切口,工艺切口宽度不小于1.5t,工艺缺口深度不小于2.0t+R,其中t是钣金厚度,如图13所示。
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=7d5f3a0cd42397ddd679980c6983b216/4a6b97dda144ad3441e5846c95a20cf430ad854f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_c54a34202c7da17e64dbe1cb90861974)
图13 工艺缺口设计
6.折弯件打死边的设计
折弯件打死边是指折弯的面与底面平行,俗称打死边。打死边的前道工序是将折弯边 折弯成一定的角度,然后打死贴合。
打死边的死边长度与材料的厚度有关,一般死边最小长度L≥3.5t+R,其中t为钣金材料厚度,R为打死边前道工序的最小内折弯半径,如图14所示。
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图14 打死边的长度设计
7.弯曲件的工艺孔设计
在设计U形弯曲件时,两弯曲边最好一样长,以免弯曲时产品偏移而产生废品,如果因为结构设计不允许两边一样长,为保证产品在模具中准确定位,应预先在设计时添加工艺定位孔,特别是多次弯曲成型的零件,必须设计工艺孔为定位基准,以减少累计误差,保证产品质量,如图15所示。
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图15 弯曲件的工艺孔设计
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拉伸
1.含义
钣金件拉伸:将钣金件拉深成四周有侧壁的圆形或者方形、异形等形状的工艺, 如铝制的洗脸盆、不锈钢杯等。
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2.钣金件拉伸注意事项
(1)拉伸件的底与壁之间的最小圆角半径应大于板厚,即r1>t;为了使拉伸进行得更顺利,一般取r1=(3~5)t,最大圆角半径应小于板厚的8倍,即r1<8t。
拉深件圆角半径大小要求如表所示
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=bd239bef1c82b2b7a79f39cc01accb0a/82cab2b7d0a20cf42dcafd3433094b36adaf994f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_89f54a4abcc77a8fc427a3d6f7b218c8)
拉深件圆角半径大小
(2) 拉伸件凸缘与壁之间的最小圆角半径应大于板厚的2倍,即r2>2t;为了使拉伸进行得更顺利,一般取r2=5t,最大圆角半径应小于板厚的8倍,即r1<8t。(例如图16)
![](http://tiebapic.baidu.com/forum/w%3D580/sign=b0536f59f7b7d0a27bc90495fbee760d/69ffd0a20cf431add68840d20e36acaf2fdd984f.jpg?tbpicau=2024-07-03-05_188eb0d07b9d70aec3684b23ec75ead5)
图16 圆形无凸缘拉深件一次成型时高度与直径的尺寸关系
(3)矩形拉伸件相邻两壁间的最小圆角半径应取r3≥3t,为了减少拉伸次数,尽可能取r3≥1/5H,以便一次拉伸完成。
(4)拉伸件由于各处所受应力不同,使拉伸后,材料厚度发生变化。一般,底部中央保持原来厚度,底部圆角处材料变薄,顶部靠近凸缘处材料变厚;矩形拉伸件四周圆角处材料变厚。在设计拉伸产品时,在图纸上明确注明必须保证外部尺寸或内外部尺寸,不能同时标注内外尺寸。
(5)拉伸件之材料厚度,一般都考虑工艺变形中的上下壁厚不相等的规律(即上厚下薄)。圆形无凸缘拉伸件一次成形时,高度H和直径D之比应小于或等于0.4。
总的来说,在设计拉伸件时注意拉伸件形状应尽量简单,外形上尽量对称,拉伸深度不宜太大。