1、家电产品结构设计 课程大纲 一 .结构设计知识简述 二 .压铸件设计 三 .钣金件设计 四 .塑胶件设计 一、 结构设计知识简述 随着电子技术的使用范围的推广，灯具的功能、体积、重量、动转可靠性以及对各种环境 的适应性等诸多问题被纳入到结构设计的范畴，使灯具的结构设计逐步成为一个多学科的综合 技术，未来的灯具在光学设计、热学设计、安全设计、机械设计与工艺设计的科学化程度将大 大提高，各种专业软件的算法已经应用到或是即将应用到配光设计技术、温度模拟分布、热流 模型的建立等方面，特别是灯具系统化设计的理论和技术，这些技术的应用使得纯机械技术和 工艺失去意义，现有的结构设计方法也面临着新的变革。 目
2、前，灯具的结构设计大致包含以下内容： 1、整机组装结构设计 2、热设计 3、电磁兼容性设计 4、结构静力计算与动态参数设计 5、防腐蚀设计 6、连接设计 7、可靠性试验（可靠性设计） 综合上述，结构设计（灯具）现已包含着相当广泛的技术内容，其范围涉及到力学、机械 学、材料学、热学、电学、化学、光学、美学、环境学等，本讲义不想涉入到上述的具体内容 中去，而是配合上述过程问题讲述各种不同加工方式的结构的工艺性设计：压铸件工艺性设 计、钣金件工艺性设计、塑胶件工艺性设计等。 二、压铸件设计 1、术语和定语 流痕：指铸件表面与金属液流动方向一致且与金属基体颜色不一样的纹路。 冷隔：指铸件表面有与周边熔
3、接不良的小块。 铬化：指铸件与铬酸溶液发生化学反应，在铸件表面形成一层薄的铬酸盐膜。 欠铸：指铸件成形不饱满。 网状毛刺：压铸件表面上有网状发丝一样凸起或凹陷的痕迹。 溢流口：指金属液冷却凝固时为补偿金属收缩所设置的穴。 2、铸件设计及工艺 2.1、选材 铝合金压铸件的常用材料有 :日本工业标准牌号 ADC1,ADC3,ADC10,和 ADC12;美国 工业标准牌号 :A360和 A380;我国标准 :YL102,YL104,YL112和 YL113，对于我司来讲， 压铸件的选材统一要求为 ADC12，珠三角压铸厂商常用材料为 ADC10,ADC12和 A380 . 以上几种材料的成份和力学性
4、能见表 二、压铸件设计 材料成份和力学性能 2.2、壁厚 壁厚设计以均匀为佳 ,不均易产生缩孔和裂纹 ,易引起零件变形 ,同时会影响到模具的使 用寿命。壁厚很厚的铸件内部易产生缩孔 ,影响材料的力学性能，对大形铝合金 ,其壁厚不 宜超过 6mm,因壁厚增加 ,其材料的力学性能将明显下降 ,因此推荐壁厚如表 。对外侧 边缘壁厚 , 为保证良好的压铸成形 ,壁厚 s=1/4h, 且 s=1.5mm, s为边缘壁厚 , h为边 缘壁的高度 ,如下图所示。 合金牌号 Si(%) Cu(%) Mg (%) Fe(%) Al 抗拉强度 (MPa) 耐力 (MPa) 延伸率 (%) 硬度 (HB) ADC1
5、0 7.5-9.5 2-4 压铸件最小壁厚和正常壁厚 例 :壁厚设计 -990801-89灯头壳 -GF-A-C版 壁的单面面积axb(cm2) 25100 100500 500 最小壁厚 (mm) 0.8 1.2 1.8 2.5 正常壁厚 (mm) 2.0 2.5 3.0 4.0 二、压铸件设计 2.3、加强筋 设计筋的目的是增加零件的强度和刚性 ,避免因单纯依靠加大壁厚而引起的气孔 ,裂 纹和收缩缺陷 ,同时能使金属流路顺畅 ,改善压铸的工艺性 .筋高不超过 15倍壁厚 ， 最大筋宽 不超过 1.5倍壁厚 ， 对筋高 30mm以下 ， 拔模斜度不小于 3 ， 筋高 30mm以上 ， 拔模斜
6、 度不小于 2 (通常在我司为节省成本 ， 减轻重量 ， 拔摸斜度一般都放得很小 ， 一般情拔 1 ， 高筋高 30mm以上的拔 2度 ， 对于批量不大的产品应该也不会有很大问题 ） ,在特殊 情况下加强筋端面的拔模度可设为 0.5 。 例 :特殊情况下加强筋的运用 2.4、圆角 圆角设计可使金属液流畅 ,气体易排出 ,有利于铸件成形，并能避免因锐角致使零 件和模具产生裂纹 ,有利于提高模具寿命 ,因此对过渡处应避免锐角设计 , 圆角半 径以取最大为原则 ,一般取值如下 : 对相等壁厚 : 1/2h180250 120180 80120 5080 3050 1830 1018 610 36 2
7、563 63100 100160 160250 250400 400 整形前 0.2 0.3 0.45 0.7 1.0 1.5 2.2 整形后 0.1 0.15 0.20 0.25 0.3 0.4 0.5 当设计隔爆型的灯具时 ,其精度及平面公差的精度高于模制品的正常控制精度 ,此时则需要安排机加的方式 ,而这时则要考虑产品的易加工程度 ,有时加工的方式而决定了产品的形状。（见附图 3） 二、压铸件设计 4.、机加工 模具因受高温冲击 ,表面比较容易冲蚀 ,考虑到模具寿命 ,模具上尽量避免使用行位、细 长镶针等结构，在允许的情况下可不直接铸出 ,采用后序 CNC或普通机床加工而成 ,同时因 铸
8、件的尺寸精度都比较低 ,对高精度的 ,也采用 CNC加工而成 ,其精度按机加精度等级要求。 结构设计时需考虑到机加定位面 ,以便能方便装夹，对于有防爆要求的接合面一定需要机加 来保证其表面粗糙度及尺寸精度。 4.1、表面处理 4.1.1喷砂和喷丸 对压铸件表面有外观要求时 ,可用喷砂处理 ,能掩盖表面压铸缺陷 ,一般表面喷砂后再 喷油 ,能做比较美观的砂纹外观 ,喷丸除有喷砂功能外 ,同时还能增加铸件的强度用。 4.1.2表面氧化 铝合金氧化主要作用是提高其防腐能力 ,因铝合金含比较多的硅金属 ,阳极氧化只能为 灰色 ,不能氧化成黑色。对防腐能力要求高的 ,一般表面先铬化处理 ,再涂装处理 ,
9、。表面铬化 有无色和黄色铬化两种 ,主要是在表面形成薄的铬化层 ,无色铬化可耐 24小时常规盐雾测试 , 黄色铬化可耐 48小时常规盐雾测试。 二、压铸件设计 4.1.3、表面电镀或化学镀 铝合金一般镀铬或镀镍 ,主要用于外观装饰用 , 电镀和化学镀的主要缺陷体现为表面 有针孔、气泡、镀层局部脱落、划伤等。电镀对铸件要求很高 ,铸件必须具有良好的压铸 成形性能，表面光洁度要达到 1.6。因此结构设计时必须考虑壁厚要均匀 ,且不宜太厚 ,一 般不超过 4mm,尽量采用大的圆角过渡 ,同时对模具要求浇道 ,溢流口 ,排气设计必须合理。 电镀或化学镀的正常合格率为 80%,如压铸成形较差 ,合格率可
10、能会低于 50% ，这种工 艺我司使用较少，只用在各种堵头及压紧螺母的锌合金铸件采用了这种工艺。 4.1.4、表面喷涂 表面喷涂一般为喷油和喷粉 ,主要用途用于外观或防腐蚀 ,涂层厚度一般 60120m, 纹路分光面和砂纹面 (撒点 )。涂层主要性能检测指标为涂层厚度测试 ,附着力测试及盐雾 测试。 5、铸件加工工艺 5.1、铸件的一般加工流程如下： 压铸成形 去浇口溢流口 去批锋抛光 机加 清洗 表面处理 三、钣金件设计 1、术语和定语 钣金件的工艺性是指零件在冲切、弯曲、拉伸，焊接等加工过程中的难易程度。 2、优选材料及表面处理 2.1、 公司优选材料性能、用途、规格 我司没有特别的单独规
11、范来强制优先材料的选用，但在设计的默认过程中基本上有一 个自发的优先选用行为： 2.1.1普通碳素结构钢普板 (Q235) 常用厚度 (mm)： 0.5， 0.8， 1.0， 1.2， 1.5， 2.0， 2.5 常用表面处理：镀彩锌，镀蓝锌，镀镍、喷涂 Q235是一种钢材的材质。 Q代表的是这种材质的屈服，后面的 235，就是指这种材质 的屈服值，在 235左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。 Q235根据性能中 冲击温度的不同分为四个级别： Q235-A级，是不做冲击 Q235-B级，是 20度常温冲击； Q235-C级，是 0度冲击； Q235-D级，是 -20度冲击 我们在
12、设计时，通常在图纸材料栏里只写 Q235，并没有表明其是哪一个级别的钢，这是 不正确的。后来我询问了外协李工，供应商看到 Q235材质的钣金件一般都用 SPCC（冷扎 钢板），附件摘录了一些关于 SPCC材料的描述。 三、钣金件设计 2.1.2 不锈钢板 SUS304, SUS316(会接触酸碱溶液的零件使用 )。 常用厚度： 0.5， 0.8， 1.0， 1.2， 1.5， 2.0。 常用表面处理：通常不做表面处理如果有特殊需要建议选用表面处理的不锈钢材料 。如： SUS304 HL(拉直纹 )、 SUS304 BA(雾面 )、 SUS304 Mirror(镜面 )。 2.1.3 铝板 :
13、A1100（纯铝）、 A5052（合金铝）、 6061（合金铝） 常用厚度： 1.0， 1.2， 1.5， 2.0。 常用表面处理：拉丝氧化（发黑，发白）、喷砂氧化（不推荐使用，单面喷砂容易 变形）、喷粉。如果零件要求导电，则需要在技术要求里注明导电氧化，导电氧化属化学 氧化，颜色为淡黄色。 2.1.4 铜板 : H62 常用厚度： 0.3、 0.5、 0.8、 1.0、 1.2、 1.5、 2.0。 常用表面处理：镀镍、发黑氧化、不处理。 2.2 选择材料和表面处理的注意事项 三、钣金件设计 2.2.1 选材时尽量减少品种规格，便于生产管理。 2.2.2 选材时要考虑材料的成本，在保证力学性
14、能和质量的情况下，尽量选用价廉的材料。 2.2.3 建议钣金件最薄用 0.8mm厚，最厚用 2.5mm厚。 0.5mm厚的冷轧钢板焊接、折 弯后的尺寸都不容易控制，除了用于做成简单的屏蔽片或是弹 片，应尽量少用。超过 2.5mm厚冷轧钢板加工很困难，折弯很难控制，也应尽量少用。 2.2.4 需要焊接组合的零件建议选用 Q235。 2.2.5 有较高的防腐要求或外观要求的零件建议选择不锈钢板，或铝板。 2.2.6 需要电镀的零件建议选用镀彩锌或镀兰锌的表面处理。 表面电镀的防腐性比较： 镀白锌 镀兰锌 镀彩锌 镀镍， 防腐性 减弱 ，价格增高。 是镀锌时后要经过的两个处理工序，一个是除氢处理，二
15、是钝化处理。除氢处理：零件在 酸性溶液和阴极电解除油的过程中都有可能在基体晶格中渗 氢 ,造成晶格扭歪 ,导致内应力 大 ,产生氢脆， 零件要求抗拉强度愈大，要求的除 氢时间愈长 钝化处理：二是把镀锌层放 在以铬酸酐为主的溶液中进行化学处理 ,使其表面生成一 层化学稳定性较高的、组织致密 的铬酸盐薄膜的工艺过程称为钝化，其钝化处理后抗腐蚀性能见表 、表 三、钣金件设计 表 生成的钝化膜可提高镀锌层的抗腐蚀性能 表 不同钝化膜的抗腐蚀性能对照 (耐中性盐雾试验 ) 镀层厚度 Um 未钝化生铁锈时间 h 钝化后 泛白点 h 生铁锈 h 5 36 96 132 8 56 96 152 13 96 9
16、6 192 20 152 96 248 25 192 96 288 钝化膜颜色 抗蚀性 (h) 白 色 12 兰 色 24 彩虹色 72 黑 色 96 三、钣金件设计 2.2.7 需要表面喷涂的零件，建议选择喷粉，因为喷漆对对钣金件的喷前表 面质量要求较高。 2.2.8 喷粉的零件尺寸精度要求不能太高，喷涂过程中涂层的厚度无法精确 控制。 3 常用加工工艺 3.1钣金件加工工艺流程 数控冲床和数控折弯设备加工钣金件的工艺流程如下： 模具加工钣金件的工艺流程与模具结构有关，如果采用单工序模，每个工序需要一套模 具，一个复杂的零件需要多套模具才能完成加工。如果采用复合模，则可以多个工序在一次冲 压
17、完成，但复合模的成本较贵，目前我们公司批量不大，多采用单工序模 ,有时在单工序模中 采用不同的闭模行程做不同的镶件， 9250反光板 2采 用了这种方法。参考图纸 附件图纸 三、钣金件设计 3.2 冲裁 3.2.1 冲裁设备精度与零件精度 冲裁有两种方法：数控冲床冲裁和模具冲裁 ,对于单量不大的零件很多公司多采用数控 冲床冲裁。数控冲床的精度一般为 0.1，该精度与设备的新旧有一定的关系，与加工的 尺寸大小没有太大的关系，这一点与模具冲裁有一定的差别。目前钣金厂加工的零件多采 用数控冲裁落料，因此设计的零件平面冲裁尺寸精度不得高于 0.1。模具冲裁零件的精 度与模具结构有关，平冲件的尺寸公差一
18、般都小于 0.1mm,我司的产品一般都采用模具冲 裁方法，公差尺寸采用 GB/T1804-m。 3.2.2冲裁件的工艺性要求 零件的孔径尺寸、止裂槽尺寸或外圆角尺寸尽可能与刀具尺寸符合。 冲裁件尽量避免过长的悬臂和狭槽，悬臂和狭槽的宽度不宜过小，其合理数值可参 考下表： 对合金钢或不锈钢 A2t 对一般钢 A1.5t 对黄铜、铝 A1.2t t材料厚度。 三、钣金件设计 冲孔时，孔径不宜过小。其最小孔径与孔的形状、材料的机械性能、材料的厚度等 有关。其合理数值可参考下表： 材 料 高碳钢、各种不锈钢 d1.5t a1.35t a1.2t 低碳钢 (SECC,SPCC,Q235A) d1.3t
19、a1.2t at 黄铜、铝 dt a0.9t a0.8t 三、钣金件设计 零件的冲孔边缘离外形的最小距离随零件与孔的形状不同要有一定的限制，如下图。 当冲孔边缘与零件外形边缘不平行时，该最小距离应不小于材料厚度，即 at；孔边缘与 零件外形边缘平行时，应取 b1.5t。 三、钣金件设计 用模具冲裁的零件，其外形或内孔应避免锐角，做成适当的圆角，可增加模具使用 寿命，不易产生裂纹。一般可取 R 0.5t ， (t材料厚度 )，如下图： 4、折弯 4.1 折弯设备的精度与零件的精度 数控折弯机的定位精度分两方面，定位装置的前后移动精度 0.， 下模的上下移动 精度也为 0. (此误差影响折弯角的精
20、度 )。折弯零件的精度与工人的操作有较大关系， 理论上每一道折弯都有可能产生 0.的误差。对于要求较严的尺寸，也可以通过操作工 的调整补偿减少误差。尺寸标注时在满足产品要求的情况下，尽量考虑生产加工的效率。 三、钣金件设计 4.2 数控折弯机的刀具 数控折弯机的折弯刀有很多种，按刃口分，有 R=0.2, R=0.6, R=1，按刀具结构 分，有直角刀，避位刀，鹅颈刀等，折弯下模一般是 90 V形模现有 V模宽度有： V=4 , V=7,V=8, V=12，折弯刀具和下模的关系如下图。 三、钣金件设计 4.3 数控折弯件的工艺性要求 4.3.1 在折弯有撕裂的地方，需要留撕裂槽。撕裂槽的宽度一般
21、不小于 . t，且 1.5。 撕裂槽的长度和宽度与壁厚的关系如下图 b,c所示。或者是折弯线让开阶梯线如下图所 示。 三、钣金件设计 4.3.2折弯件的直边高度不宜过小 ， 否则不易形成足够的弯矩 ， 很难得到形状准确的零件 。 其弯曲值 hR+2t， 且 3方可 。 如下图 ,示 。 4.3.3当折弯边带有斜角时（如下图，），侧面的最小高度为： h=(24)mm,且 hR+2t（ R为折弯内角）。 三、钣金件设计 4.3. 4 折弯件的孔边距离：先冲孔后折弯的零件，为了避免折弯时孔变形，从孔边到弯 曲半径 r中心的距离取为：当 t 2mm时， Lt；当 t2mm时， L2t。 4.3.5先折
22、弯再冲孔的零件（主要争对用冲模的零件），其孔边与工件直壁之间应保持一 定的距离，距离太小时，在冲孔时会使凸模受水平推力而折断：从孔边到弯曲半径 r中心 的距离取为： L0.5t ,如下图。 三、钣金件设计 4.3.6 压死边的尺寸要求，压死边的长度与材料的厚度有关。如下图所示，一般压死边最 小长度 LR 3.5t。其中 t为材料壁厚， R为压死边前道工序的最小内折弯半径，一般为 0.6。 4.3.7 板件折弯时，若弯曲处的圆角过小，则外表面容易产生裂纹，尤其铝板最明显。若 弯曲圆角过大，因受到回弹的影响，弯曲件的精度不易保证。折弯内圆角与材料厚度和材 质有一定的关系，一般碳 但受折刀具规格的限
23、制，推荐选用折弯内半径 R = 0.6, 结构没 有特殊要求时图纸上不需要标注具体的尺寸。由工厂选择合适的折弯刀。 4.3.8 折弯件不得对多个折弯边 (如下图的 L1, L2, L3)同时要求较严的尺寸公差。 三、钣金件设计 4.4模具弯曲件的工艺性要求 4.4.1弯曲件的直边高度太小时，会影响弯曲件成型后的角度精度。要求 R+2t 4.4.2在 U形弯曲件上，两弯曲边最好等长，以免弯曲时产生向一边移位。如不允许，可设 一工艺定位孔，如下图。 4.4.3为了防止零件弯曲后，直角的两侧平面产生褶皱，应设计预留切口，如下图 。 三、钣金件设计 4.4.4 为了防止零件弯曲后，折弯边回弹，建议在对接处设计切口形式。如下图 a1.5t （ t材料厚度 ) 4.4.5 为了防止冲孔后再弯曲的零件，在孔边产生裂纹，建议增加切口，如下图。 三、钣金件设计 4.4.6 防止弯曲时 ， 一边向内产生收缩 。 可设计工艺定位孔 ， 或两边同时折弯 ， 还可用增 加幅宽的办法来解决收缩问题 。
