產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-第一章剖析

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造科學(xué)與工程學(xué)院制造科學(xué)與工程學(xué)院 尚利尚利 1.1概述1.2鑄造殼體、箱體1.3焊接殼體、箱體1.4沖壓殼體1.5注塑殼體、箱體第一章、殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1、概述 一、殼體、箱體功能與作用 殼體與箱體沒有本質(zhì)上的區(qū)別：殼體殼體：從產(chǎn)品構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上的稱謂，具有包容內(nèi)部組成部件且厚度較薄的特征，如電視機(jī)殼。箱體：箱體：從零部件功能和結(jié)構(gòu)特征方面的定義，具有包容、支撐等結(jié)構(gòu)功能且相對封閉的特點(diǎn)，如汽車變速箱。殼體、箱體的主要功能，以圖1-1為例：容納、包容容納、包容：將產(chǎn)品構(gòu)成的功能部件容納于內(nèi)。定位、支撐：定位、支撐：支撐、確定產(chǎn)品構(gòu)成各零部件的位置。防護(hù)、保護(hù)

2、：防護(hù)、保護(hù)：防止構(gòu)成產(chǎn)品的零部件受環(huán)境的影響、破壞或其對使用者與操作者造成危險(xiǎn)與侵害。裝飾、美化：裝飾、美化：工業(yè)造型設(shè)計(jì)主要關(guān)注的問題。其他：其他：依產(chǎn)品的功能和使用目的而定。二、殼體、箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在滿足強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，通常采用薄壁結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有容納、固定其他零部件的結(jié)構(gòu)和方便安裝、拆卸等結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除考慮其主要功能、作用外，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)要素：設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：見后面圖例說明。定位零部件：定位零部件：以圖1-2為 例，固定的零部件與運(yùn)動(dòng)的零部件在結(jié)構(gòu)上有所不同。便于拆、裝：便于拆、裝：以圖1-3、4為例，考慮產(chǎn)品的組裝、拆卸和維修、維

3、護(hù)，箱體多設(shè)計(jì)成分體結(jié)構(gòu)，各部分通過螺絲、鎖扣等進(jìn)行組合連接?？紤]拆卸的設(shè)計(jì)：考慮拆卸的設(shè)計(jì)：以圖1-5為例，不考慮拆卸的設(shè)計(jì)。 考慮材料及加工、考慮材料及加工、生產(chǎn)方式：生產(chǎn)方式：產(chǎn)品功能和使用目的決定外殼材料，生產(chǎn)成本和批量決定加工、生產(chǎn)方式，進(jìn)而決定殼體、箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]裝飾與造型裝飾與造型的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的功能、構(gòu)件的材料及加工、生產(chǎn)方式進(jìn)行。三、殼體、箱體的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與程序保證剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性及加工性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 剛度：剛度：對于承受較大載荷及作為支撐和其他零部件定位的殼體和箱體，剛度是主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 強(qiáng)度：強(qiáng)度：強(qiáng)度時(shí)考慮殼體、箱體的防護(hù)和保護(hù)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)

4、兩方面考慮。 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：受壓及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問題，特別是薄壁腹部還存在局部失穩(wěn)問題，必須校核。 加工性：加工性：鑄造、注塑構(gòu)件應(yīng)考慮液體的流動(dòng)性、填充線和脫模，沖壓件應(yīng)考慮材料延展性和拉伸能力，并做相應(yīng)的計(jì)算。殼體、箱體的通常設(shè)計(jì)步驟與程序初步確定形狀、主要結(jié)構(gòu)和尺寸。常規(guī)計(jì)算。靜動(dòng)態(tài)分析、模型或?qū)嵨镌囼?yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性分析。詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.2、鑄造殼體、箱體 一、鑄造殼體、箱體的特點(diǎn)有較高的剛度、強(qiáng)度：有較高的剛度、強(qiáng)度：鑄造構(gòu)件一般壁厚較大，適合對剛度強(qiáng)度要求較高的產(chǎn)品外殼；也可以在鑄件上制作部分其他結(jié)構(gòu)部件。造型適應(yīng)性強(qiáng)：造型適應(yīng)性強(qiáng)：可制作比較復(fù)雜和變化不規(guī)則

5、外形，以圖1-6、7、8為例。表明粗糙，尺寸精度低。表明粗糙，尺寸精度低。封閉性好：封閉性好：以圖1-9為例。工藝靈活性打、成本低工藝靈活性打、成本低。其他其他：鑄鐵材料具有減震、抗震性能和耐磨、潤滑性能。 造型適應(yīng)性強(qiáng)：造型適應(yīng)性強(qiáng)：可制作比較復(fù)雜和變化不規(guī)則外形造型適應(yīng)性強(qiáng)：造型適應(yīng)性強(qiáng)：可制作比較復(fù)雜和變化不規(guī)則外形造型適應(yīng)性強(qiáng)：造型適應(yīng)性強(qiáng)：可制作比較復(fù)雜和變化不規(guī)則外形封閉性好封閉性好鑄造成型的主要缺點(diǎn)：鑄造組織的晶粒比較粗大，且內(nèi)部常有縮孔、縮松、氣孔、砂眼等缺陷，力學(xué)性能一般不然鍛件。鑄造生產(chǎn)工序繁多，工藝過程較難控制，廢品率較高。工作條件較差，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。 二、鑄造殼體、箱

6、體常用材料鑄鐵：鑄鐵：鑄鐵流動(dòng)性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復(fù)雜的鑄件，在鑄造時(shí)加入少量合金元素可提高耐磨性能。鑄鐵分類：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵。鑄造碳鋼：鑄造碳鋼：鑄鋼熔點(diǎn)高、流動(dòng)性差、收縮率大，吸震性低于鑄鐵，彈性規(guī)模較大。鋁合金：鋁合金：純鋁強(qiáng)度低、硬度小，因此，制造產(chǎn)品殼體常采用鋁合金材料。常用鋁合金有：鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金。 三、鑄造工藝流程砂型鑄造：砂型鑄造時(shí)應(yīng)用最廣泛的鑄造方法，其生產(chǎn)過程如圖1-10所示。砂型的結(jié)構(gòu)組成如圖1-11所示。砂型鑄造有適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件尺寸精度較低、表面粗糙、內(nèi)在質(zhì)量較差，且生產(chǎn)過程較

7、復(fù)雜。與砂型鑄造比較，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：鑄件精度及表面質(zhì)量高。能夠鑄造各種合金鑄件。生產(chǎn)批量不受限制。熔模鑄件的形狀可以比較復(fù)雜。熔模鑄件的重量不宜太大。熔模鑄造熔模鑄造：熔模鑄造的工藝流程如圖1-12所示。與砂型鑄造比較，金屬鑄造有以下的特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了“一型多鑄”。鑄件的力學(xué)性能提高。精度及表面質(zhì)量高。金屬型的制造成本高、周期長；鑄型透氣性差、無退讓性，易產(chǎn)生冷隔、澆不足、裂紋等鑄造缺陷。金屬型鑄造：金屬型鑄造：用金屬制成的鑄造型腔，進(jìn)行澆注獲得鑄件的鑄造方法，如圖1-13所示。與砂型鑄造比較，有如與砂型鑄造比較，有如下優(yōu)點(diǎn)：下優(yōu)點(diǎn)：鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量高。鑄件的強(qiáng)度和表面硬度高?？设T造形狀復(fù)

8、雜的薄壁鑄件。生產(chǎn)效率高。壓力鑄造的缺點(diǎn)：壓力鑄造的缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，壓型成本高。壓鑄高熔點(diǎn)合金時(shí)，壓型的壽命低。壓力鑄造壓力鑄造：如圖1-14所示，在高壓下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬以較高的速度填充鑄型的型腔，并在壓力作用下凝固而獲得鑄件的方法。離心鑄造：如圖1-15所示，將液態(tài)合金澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使金屬在離心力的作用下填充鑄型并凝固成型。與砂型鑄造比較，有如下特點(diǎn)：工藝過程簡單，節(jié)約金屬和其他原材料。鑄件組織致密，無縮孔、氣孔、夾渣等缺陷，力學(xué)性能好。鑄造合金的種類不受限制。鑄件的內(nèi)表面質(zhì)量差，孔的尺寸不易控制。四、鑄造殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)鑄造殼體、箱體結(jié)構(gòu)時(shí)，除考慮殼體設(shè)計(jì)的總體要求

9、與準(zhǔn)則，還應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合鑄造生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，考慮相關(guān)的工藝性。在此，結(jié)合一些典型設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行有關(guān)討論。 鑄造時(shí)處于水平位置，易造成氣孔和夾渣，如圖1-16所示。盡量減少凹凸部分，簡化制造工藝，如圖1-17所示。考慮出模工藝，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)拔模斜度，包括內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，如圖1-18所示。對于砂型鑄造，盡量減少活塊部分，簡化制造工藝，如圖1-19所示。 凸臺距離分型面較近時(shí)，為避免使用活塊，可將凸臺延長至分型面或取消凸臺，如圖1-20所示。如圖1-21所示，修 改一些局部結(jié)構(gòu)，保證砂型牢固。如圖1-22圖1-24所示，修改不合理凸臺，達(dá)到保護(hù)砂型進(jìn)而保證鑄件質(zhì)量的目的 .如圖1-25、圖1-26所示，修改結(jié)

10、構(gòu)避免使用型心或減少型心數(shù)量。 鑄造零件一般存在一定內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)過一段時(shí)間，內(nèi)應(yīng)力消除，零件會(huì)產(chǎn)生一定變形，影響幾何精度與使用性能，尺寸越大的鑄件，影響越大。一般鑄件在機(jī)加工前，要經(jīng)過一定處理。 鑄鐵鑄件消除內(nèi)應(yīng)力的方法：時(shí)效處理，熱處理，機(jī)械振動(dòng)法。鑄鋼件一般都需要熱處理。 殼體、箱體鑄件的關(guān)鍵部位一般需要精加工。主要部位包括： 殼體、箱體分離部分之間的連接部位。 殼體、箱體與內(nèi)部零部件的定位與連接部位。 殼體、箱體與外部其他零部件的連接部位及地腳部位。五、鑄造零件的處理與加工1.3、焊接殼體、箱體焊接殼體、箱體有以下特點(diǎn)特點(diǎn)： 適用范圍廣。 使用靈活。 生產(chǎn)周期短。 強(qiáng)度高。焊接的主要缺點(diǎn)缺

11、點(diǎn)是： 造型能力較差。 加工精度較低。 焊接部位表面質(zhì)量較差。 焊接產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，造成成品變形。一、焊接殼體、箱體的特點(diǎn)電弧焊：電弧焊：利用電弧作為熱源的熔焊方法，稱為電弧焊。 手工電弧焊：手工電弧焊：設(shè)備簡單，使用靈活、方便、通用，但對操作人員的技能要求較高。不適宜焊接活潑金屬及難熔合低熔點(diǎn)金屬。 埋弧自動(dòng)焊：埋弧自動(dòng)焊：利用連續(xù)送進(jìn)的焊絲在焊劑層下產(chǎn)生電弧而自動(dòng)進(jìn)行焊接的方法，如圖1-27、1-28所示。埋弧自動(dòng)焊的主要特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，焊縫質(zhì)量好，焊接規(guī)范自動(dòng)控制。適用于大批量生產(chǎn)，可焊接中、厚鋼板（660mm）。 氣體保護(hù)焊：氣體保護(hù)焊：用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電

12、弧焊。保護(hù)氣體主要有兩種：惰性氣體（氬氣和氮?dú)猓┖突钚詺怏w（二氧化碳），其中氬弧焊，應(yīng)用比較廣泛。 二、焊接的方法與適用場合埋弧自動(dòng)焊埋弧自動(dòng)焊 電阻焊電阻焊: : 利用電流通過工件及焊接接觸面間所產(chǎn)生的電阻熱，將焊件加熱至塑性或局部熔化狀態(tài)，再施加壓力形成焊接接頭的焊接方法。有點(diǎn)焊、縫焊、相對焊三種形式。點(diǎn)焊：點(diǎn)焊：其基本結(jié)構(gòu)如圖1-29所示，適用于焊接4mm以下薄板廣泛用于汽車、飛機(jī)、電子、儀表和日常生活用品生產(chǎn)?？p焊： 焊接厚度3mm以下的薄板搭接，主要應(yīng)用于生產(chǎn)密封容器和管道等，如圖1-30所示。三、焊接殼體、箱體的設(shè)計(jì) 焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇：焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇：選用焊接性好的材料來制造

13、焊接結(jié)構(gòu)殼體、箱體。含碳量低的碳鋼和合金鋼具有良好的焊接性。 焊接方法的選擇：焊接方法的選擇：根據(jù)材料的焊接性、工件厚度、生產(chǎn)率要求、各種焊接方法的適用范圍和設(shè)備條件等綜合考慮。焊接接頭工藝設(shè)計(jì)：焊接接頭工藝設(shè)計(jì)：手工電弧焊接頭基本形式有四種，如圖1-31所示。除搭接接頭外，其余接頭在焊件較厚時(shí)需開坡口。坡口的基本形式如圖1-32所示 。焊縫布置應(yīng)遵循以下原則： 便于施焊：便于施焊：焊縫設(shè)置必須具有足夠的操作空間以滿足焊接工藝需要。如圖1-33、1-34所示。 有利于減少焊接應(yīng)力與有利于減少焊接應(yīng)力與變形：變形：盡量選用尺寸規(guī)格較大的板材、型材。 避開最大應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力避開最大應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中部

14、位。集中部位。 避開或遠(yuǎn)離機(jī)械加工面。避開或遠(yuǎn)離機(jī)械加工面。 便于施焊1.4、沖壓殼體板料沖壓制造產(chǎn)品殼體具有下列特點(diǎn)： 生產(chǎn)率高、操作簡單。 產(chǎn)品質(zhì)量好。 材料利用率高。 造型能力強(qiáng) 適用廣泛。主要缺點(diǎn)：集中在模具方面。沖模設(shè)計(jì)、制造復(fù)雜，成本高，且一件一模，局部更改，也要更換模具。小批量生產(chǎn)成本較高，圖1-35的模型就是例子。一、沖壓殼體的特點(diǎn)二、沖壓工藝與模具 沖壓設(shè)備主要有剪床和沖床兩大類。常用小型沖床的結(jié)構(gòu)如圖1-36所示。沖壓基本工序如圖1-37所示。沖壓模具按沖床的每一次沖程所完成工序的多少劃分為簡單沖模、連續(xù)沖模及復(fù)合沖模。簡單沖模簡單沖模在沖床的一次沖程內(nèi)只能完成一道工序。如

15、圖1-38所示，簡單沖模的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，生產(chǎn)率低，主要用于簡單沖裁件的生產(chǎn)。連續(xù)沖模連續(xù)沖模在沖床的一次沖程中，在模具的不同位置上可以同時(shí)完成兩道以上的工序，如圖1-39所示。連續(xù)沖模生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，適于大批量生產(chǎn)精度要求不高的中、小型零件。復(fù)合沖模在沖床的一次沖程內(nèi)，在模具的同一位置上可以同時(shí)完成兩道以上的工序，如圖1-40所示。復(fù)合沖模生產(chǎn)效率高，零件加工精度高，但模具制造負(fù)責(zé)，成本高，適用于大批量生產(chǎn)。 在設(shè)計(jì)沖壓殼體結(jié)構(gòu)時(shí)，須綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要、零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料特性與成型能力、沖壓模具復(fù)雜性及沖壓工藝等因素。如圖1-41、1-42所示。 沖壓殼體設(shè)

16、計(jì)，往往易關(guān)注結(jié)構(gòu)造型和功能，而忽視生產(chǎn)加工工藝，使得模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本加大，特別是對于結(jié)構(gòu)上需要彎曲和拉伸成型部分。三、沖壓零件的設(shè)計(jì) 板料彎曲時(shí)，內(nèi)側(cè)金屬受切向壓應(yīng)力，產(chǎn)生壓縮變形；外層金屬受切向拉應(yīng)力，產(chǎn)生伸長變形。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)造成金屬破裂。坯料厚度越大、彎曲半徑越小，材料所受的內(nèi)應(yīng)力就越大，越容易彎裂，所以必須控制彎曲半徑，通常取為板厚的0.25-1倍以上，材料塑性好時(shí)取下限。彎曲時(shí)盡可能使彎曲線與坯料纖維方向垂直，如圖1-43所示。 設(shè)計(jì)彎曲件時(shí)應(yīng)加強(qiáng)變形部位的剛性，如圖1-44所示。 在設(shè)計(jì)拉伸殼體時(shí)，應(yīng)注意拉伸變形的影響，如圖1-45所示。 1.5、注塑殼體、箱體一、注塑殼體、箱體的特點(diǎn) 注塑殼體、箱體有以下特點(diǎn)，如圖1-46為例。生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)。 可使用材料豐富，適應(yīng)性強(qiáng)。 產(chǎn)品質(zhì)量較高，一致性好、互換性強(qiáng)，成本低 。幾何造型能力強(qiáng)，可生產(chǎn)現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品。 功能性與裝飾性結(jié)合好。明顯的缺點(diǎn)： 注塑模具成本較高，不適于單件、小批量生產(chǎn)。強(qiáng)度、表面硬度較低，扛沖擊、磨損性能差，局部細(xì)小結(jié)構(gòu)在維修過程易損壞。材料存在老化問題，耐久性差。 二、注塑工藝與模具典型注塑