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1、1引言钣金件结构设计准则一薄板指板厚和其长宽相比小得多的钢板。它的横向抗弯能力差,不宜用于受横向弯曲载荷作用的场合。薄板就其材料而言是金属,但因其特殊的几何形状厚度很小,所以薄板构件的加工工艺有其特殊性。和薄板构件有关的加工工艺有三类:(1) 下料:它包括剪切和冲裁。(2) 成形:它包括弯曲、折叠、卷边和深拉。(3) 连接: 它包括焊接、粘接等。薄板构件的结构设计主要应考虑加工工艺的要求和特点。此外,要注意构件的批量大小。薄板构件之所以被广泛采用是因为薄板有下列优点:(1) 易变形,这样可用简单的加工工艺制造多种形式的构件。(2) 薄板构件重量轻。(3) 加工量小,由于薄板表面质量高,厚度方向
2、尺寸公差小,板面不需加工。(4) 易于裁剪、焊接,可制造大而复杂的构件。(5) 形状规范,便于自动加工。2结构设计准则如何在薄板构件结构设计时充分考虑加工工艺的要求和特点,这里推荐几条设计准则并给出相应的例子。2. 1简单形状准则切割面几何形状越简单,切割下料越方便、简单、切割的路径越短,切割量也越小。如直线比曲线简单,圆比椭圆及其它高阶曲线简单,规则图形比不规则图形简单(见图1 和图2 以及图3) 。 图4a 的结构只有在批量大时方有意义,否则冲裁时,切割麻烦,因此,小批量生产时,宜用图b所示结构。2. 2节省原料准则节省原材料意味着减少制造成本。零碎的下角料常作废料处理,因此在薄板构件的设
3、计中,要尽量减少下脚料。特别在批量大的构件下料时效果显著,减少下角料的途径有:(1) 减少相邻两构件之间的距离(见图5 和图6) 。(2) 巧妙排列(见图7) 。(3) 将大平面处的材料取出用于更小的构件(见图8 和图9) 。2. 3足够强度刚度准则薄板由于很小的壁厚,所以刚度是很低的。尖角刚度不足,应以钝角取代之(见图10) 。两孔之间的距离若太小,则在切割时有产生裂纹的可能(见图11) 。细长的板条刚度低,也易在剪裁时产生裂纹,特别是对刀具的磨损严重,可见这样的薄板结构应避免(见图12) 。2. 4可靠冲裁准则图13a 所示的半圆切线结构冲裁加工很难。因为这要求准确地确定刀具和工件之间的相
4、对位置。准确测量定位不仅费时,更重要的是,刀具由可磨损和安装的误差,精度通常达不到这么高的要求。这样的结构一旦加工稍有偏差,质量很难保证,且切割外观差。所以应采用图b 所示的结构,它可保证可靠的冲裁加工质量。2. 5避免粘刀准则在构件中间冲裁切割时会出现刀具和构件粘接交紧的问题。解决的办法:(1) 留有一定的坡度;(2) 切割面连通(见图14 和图15) 。2. 6弯曲棱边垂直切割面准则薄板在切割加工以后,一般还要进一步进行成形加工,比如弯曲。弯曲棱边应垂直于切割面,否则交汇处产生裂纹的危险升高(见图16 、图17以及图18) 。若因其它限制垂直要求不能满足时,应在切割面和弯曲棱边交汇处设计一
5、个圆角,其半径大于板厚的两倍(见图19) 。2. 7平缓弯曲准则陡峭的弯曲需特殊的工具,且成本高。此外,过小的弯曲半径易产生裂纹,在内侧面上还会出现皱折(见图20 、图21) 。1 引言钣金件结构设计准则二在薄板件结构设计准则(一) 一文中, 作者提出了七条薄板件的结构设计准则: 简单形状准则, 节省原料准则, 足够强度刚度准则, 可靠冲裁准则,避免粘刀准则, 弯曲棱边垂直切割面准则, 平缓弯曲准则。本文在上文的基础上再推荐七条薄板件的结构设计准则。2 结构设计准则2. 1避免小圆形卷边准则薄板构件的棱边常用卷边结构, 这有多项好处。(1) 加强了刚度; (2) 避免了锋利的棱边; (3) 美
6、观。但卷边应注意两点, 一是半径应大于115 倍的板厚; 二是不要完全的圆形, 这样加工起来困难,图1b 和图2b 所示的卷边比各自a 所示的卷边易加工。2. 2槽边不弯曲准则弯曲棱边和槽孔棱边要相距一定的距离, 推荐值是弯曲半径加上2 倍的壁厚。弯曲区受力状态复杂, 且强度较低。有缺口效应的槽孔也应排除在这个区域以外。既可以将整个槽孔远离弯曲棱边, 也可以让槽孔横跨整个弯曲棱边(见图3 和图4)。2. 3复杂结构组合制造准则空间结构过于复杂的构件, 完全靠弯曲成形比较困难。因此尽量将结构设计得简单一些, 在非复杂不可的情况下, 可用组合构件, 即将多个简单的薄板构件用焊接, 螺栓连接等方式组
7、合在一起。图5 是一个纯弯曲成形的结构。图6 是对应于图5 的改进结构。后者比前者加工容易。图7b 的结构比其图7a 的结构易加工。2. 4避免直线贯通准则薄板结构有横向弯曲刚度较差的缺点。大平板结构易屈曲失稳。进一步还会弯曲断裂。通常用压槽来提高其刚度。压槽的排列方式对提高刚度的效果影响很大, 压槽排列基本原则是避免无压槽区域直线贯通。贯通的低刚度窄带易成为整个板面屈曲失稳的惯性轴。失稳总要围绕一个惯性轴, 因此, 压槽的排列要切断这种惯性轴, 使它越短越好。图8a 所示的结构, 无压槽区域形成多条贯通的窄条。围绕这些轴, 整个板的弯曲刚度没有改进。图8b 所示结构没有潜在的连通失稳惯性轴,
8、 图9 列出了常见的压槽形状和排列方式, 从左到右刚度增强效果逐渐加大, 不规则排列是避免直线贯通的有效方法(见图10)。2. 5压槽连通排列准则压槽的终点疲劳强度低是薄弱环节, 如果压槽连通, 其部分终点将消灭。图11 是一个卡车上的电瓶箱, 它受动载作用, 图11a 结构在压槽端都产生了疲劳破坏。而图11b 结构就不存在这一问题。陡峭的压槽端面应避免(见图12) ,可能的情况下压槽延至边界(见图13)。压槽的贯通消除了薄弱的端部。但压槽的交汇处要有足够大的空间,使得各压槽之间的相互影响减少(见图14)。2. 6空间压槽准则空间结构的失稳不只限于某一方面, 因此, 只在一个平面上设置压槽不能达到提高整个结构抗失稳能力的效果。例如图15 和图16 所示的U 型和Z 型结构, 它们的失稳会发生在棱边附近。解决这个问题的方法是将压槽设计成空间的(见图15b、16b 结构。)2. 7局部松驰准则薄板上局部变形受到严重阻碍时会出现皱折。解决的办法是在皱折附近设置几个小的压槽,这样减低局部刚度, 减少变形阻碍(见图17)。
