【MFC推荐】钣金类产品设计需要考虑的部分原则

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。

❶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。

❷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1-1所示的钣金件设计不合格，原因就是展开后相互干涉。

（图1－1钣金件展平后会相互干涉图）

❸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。

❹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。

下面分类探讨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

普通冲切结构工艺性

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1-2所示。

图1—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1-3所示的设计改进成图1-4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。

图1-3原先设计

图1-4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1-5所示。

图1-5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1-1是常用材料最小的冲孔尺寸，t为钣金材料厚度。

表1-1常用材料最小的冲孔尺寸

• 冲孔最小尺寸设计时一般不小于0.40mm，小于0.40mm的孔一般采用其他方式加工，如腐蚀、激光打孔等。

(5)冲切的孔间距与孔边距。

钣金件结构设计时孔与孔之间、孔与边距之间应有足够的料件，以免冲压时破裂。如图1-6所示是最小孔间距及最小孔边距示意图，t为钣金材料厚度。

图1-6最小孔间距及最小孔边距示意图

(6)折弯件及拉深件冲孔时，其孔壁与直壁之间应保持一定的距离。

在拉伸产品上冲孔时，为保证孔的形状及位置精度，也为了保证模具的强度，其孔壁与直壁之间应保持一定的距离，如图1-7所示。

图1-7拉伸产品上冲孔

(7)钣金件在设计时尽量避免缺口尖角的设计。

缺口尖角会造成模具冲头尖利，容易损坏冲头，在产品的缺口尖角处也容易产生裂缝。图1-8(a)所示产品有尖角，图1-8(b)所示是倒了圆角后的尖角，t为钣金材料厚度。

图1-8缺口尖角的处理

折弯

• 折弯的原理：是指在钣金件上做直边、斜边、弯曲等形状，如将钣金件弯成L形、U 形、V形等。
• 模具折弯：一般用于外形复杂、尺 寸较小、产量多的钣金产品。
• 折弯机折弯：一般用于产品外形尺寸较大、小批量生产的钣金产品。

(1)钣金折弯件最小的弯曲半径

材料弯曲时，在圆角区上，外层受到拉伸，内层则受到压缩。当材料厚度一定时，内层圆角越小，材料的拉伸和压缩就越严重；当外层圆角的拉伸应力超过材料的极限强度时，就会产生裂缝和折断；如果弯曲圆角过大，则会受到材料回弹的影响，产品的精度及形状 得不到保证。设计折弯件最小的弯曲半径可参考表1-2。

表1-2常用材料最小的弯曲半径

(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1-9所示要求来设计。

图1-9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1-10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。

图1-10

(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1-11所示。

图1-11折弯件的最小孔边距

(4)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1-12所示，距离L≥0.5t,其中t是钣金厚度。

图1-12

(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1-13所示。

图1-13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1-14所示。

图1-14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1-15所示。

图1-15弯曲件的工艺孔设计

拉伸

一、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。

二、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

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1-16）

图1-16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。

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