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产品结构设计制造科学与工程学院尚利1.1概述1.2铸造壳体、箱体1.3焊接壳体、箱体1.4冲压壳体1.5注塑壳体、箱体第一章、壳体、箱体结构设计1.1、概述•一、壳体、箱体功能与作用•壳体与箱体没有本质上的区别：•壳体：从产品构造和结构特点上的称谓，具有包容内部组成部件且厚度较薄的特征，如电视机壳。•箱体：从零部件功能和结构特征方面的定义，具有包容、支撑等结构功能且相对封闭的特点，如汽车变速箱。•壳体、箱体的主要功能，以图1-1为例：容纳、包容：将产品构成的功能部件容纳于内。定位、支撑：支撑、确定产品构成各零部件的位置。防护、保护：防止构成产品的零部件受环境的影响、破坏或其对使用者与操作者造成危险与侵害。装饰、美化：工业造型设计主要关注的问题。其他：依产品的功能和使用目的而定。二、壳体、箱体的结构特点与设计要求•结构特点：在满足强度、刚度等设计要求的基础上，通常采用薄壁结构，并设置有容纳、固定其他零部件的结构和方便安装、拆卸等结构。结构设计时除考虑其主要功能、作用外，还应考虑以下几个要素：•设计要求：见后面图例说明。•定位零部件：•以图1-2为例，固定的零部件与运动的零部件在结构上有所不同。•便于拆、装：•以图1-3、4为例，考虑产品的组装、拆卸和维修、维护，箱体多设计成分体结构，各部分通过螺丝、锁扣等进行组合连接。•考虑拆卸的设计：•以图1-5为例，不考虑拆卸的设计。•考虑材料及加工、生产方式：•产品功能和使用目的决定外壳材料，生产成本和批量决定加工、生产方式，进而决定壳体、箱体的结构设计。•考虑装饰与造型装饰与造型的设计应结合产品的功能、构件的材料及加工、生产方式进行。三、壳体、箱体的设计准则与程序•保证刚度、强度、稳定性及加工性的设计准则•刚度：对于承受较大载荷及作为支撑和其他零部件定位的壳体和箱体，刚度是主要设计准则。•强度：强度时考虑壳体、箱体的防护和保护性能进行设计的基本准则，分静态和动态两方面考虑。•稳定性：受压及受压弯结构都存在失稳问题，特别是薄壁腹部还存在局部失稳问题，必须校核。•加工性：铸造、注塑构件应考虑液体的流动性、填充线和脱模，冲压件应考虑材料延展性和拉伸能力，并做相应的计算。•壳体、箱体的通常设计步骤与程序•初步确定形状、主要结构和尺寸。•常规计算。•静动态分析、模型或实物试验及优化设计。•制造工艺性和经济性分析。•详细结构设计1.2、铸造壳体、箱体•一、铸造壳体、箱体的特点•有较高的刚度、强度：铸造构件一般壁厚较大，适合对刚度强度要求较高的产品外壳；也可以在铸件上制作部分其他结构部件。•造型适应性强：可制作比较复杂和变化不规则外形，以图1-6、7、8为例。•表明粗糙，尺寸精度低。•封闭性好：以图1-9为例。•工艺灵活性打、成本低。•其他：铸铁材料具有减震、抗震性能和耐磨、润滑性能。造型适应性强：可制作比较复杂和变化不规则外形造型适应性强：可制作比较复杂和变化不规则外形造型适应性强：可制作比较复杂和变化不规则外形封闭性好•铸造成型的主要缺点：•铸造组织的晶粒比较粗大，且内部常有缩孔、缩松、气孔、砂眼等缺陷，力学性能一般不然锻件。•铸造生产工序繁多，工艺过程较难控制，废品率较高。•工作条件较差，劳动强度比较大。•二、铸造壳体、箱体常用材料•铸铁：铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件，在铸造时加入少量合金元素可提高耐磨性能。铸铁分类：灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁。•铸造碳钢：铸钢熔点高、流动性差、收缩率大，吸震性低于铸铁，弹性规模较大。•铝合金：纯铝强度低、硬度小，因此，制造产品壳体常采用铝合金材料。常用铝合金有：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金。•三、铸造工艺流程•砂型铸造：砂型铸造时应用最广泛的铸造方法，其生产过程如图1-10所示。•砂型的结构组成如图1-11所示。•砂型铸造有适应性强、生产简单等优点，但砂型铸造生产的铸件尺寸精度较低、表面粗糙、内在质量较差，且生产过程较复杂。•与砂型铸造比较，有以下几个特点：•铸件精度及表面质量高。能够铸造各种合金铸件。•生产批量不受限制。熔模铸件的形状可以比较复杂•。•熔模铸件的重量不宜太大。熔模铸造：熔模铸造的工艺流程如图1-12所示。•与砂型铸造比较，金属铸造有以下的特点：•实现了“一型多铸”。铸件的力学性能提高。精度及表面质量高。金属型的制造成本高、周期长；铸型透气性差、无退让性，易产生冷隔、浇不足、裂纹等铸造缺陷。金属型铸造：用金属制成的铸造型腔，进行浇注获得铸件的铸造方法，如图1-13所示。与砂型铸造比较，有如下优点：铸件尺寸精度、表面质量高。铸件的强度和表面硬度高。可铸造形状复杂的薄壁铸件。生产效率高。压力铸造的缺点：设备投资大，压型成本高。压铸高熔点合金时，压型的寿命低。压力铸造：如图1-14所示，在高压下，使液态或半液态金属以较高的速度填充铸型的型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件的方法。离心铸造：如图1-15所示，将液态合金浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型。与砂型铸造比较，有如下特点：工艺过程简单，节约金属和其他原材料。铸件组织致密，无缩孔、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。铸造合金的种类不受限制。铸件的内表面质量差，孔的尺寸不易控制。四、铸造壳体、箱体结构设计在设计铸造壳体、箱体结构时，除考虑壳体设计的总体要求与准则，还应重点结合铸造生产的工艺特点，考虑相关的工艺性。在此，结合一些典型设计实例进行有关讨论。铸造时处于水平位置，易造成气孔和夹渣，如图1-16所示。尽量减少凹凸部分，简化制造工艺，如图1-17所示。考虑出模工艺，应在结构上设计拔模斜度，包括内腔结构，如图1-18所示。对于砂型铸造，尽量减少活块部分，简化制造工艺，如图1-19所示。凸台距离分型面较近时，为避免使用活块，可将凸台延长至分型面或取消凸台，如图1-20所示。如图1-21所示，修改一些局部结构，保证砂型牢固。如图1-22~图1-24所示，修改不合理凸台，达到保护砂型进而保证铸件质量的目的.如图1-25、图1-26所示，修改结构避免使用型心或减少型心数量。铸造零件一般存在一定内应力，经过一段时间，内应力消除，零件会产生一定变形，影响几何精度与使用性能，尺寸越大的铸件，影响越大。一般铸件在机加工前，要经过一定处理。铸铁铸件消除内应力的方法：时效处理，热处理，机械振动法。铸钢件一般都需要热处理。壳体、箱体铸件的关键部位一般需要精加工。主要部位包括：壳体、箱体分离部分之间的连接部位。壳体、箱体与内部零部件的定位与连接部位。壳体、箱体与外部其他零部件的连接部位及地脚部位。五、铸造零件的处理与加工1.3、焊接壳体、箱体焊接壳体、箱体有以下特点：适用范围广。使用灵活。生产周期短。强度高。焊接的主要缺点是：造型能力较差。加工精度较低。焊接部位表面质量较差。焊接产生一定的内应力，造成成品变形。一、焊接壳体、箱体的特点电弧焊：利用电弧作为热源的熔焊方法，称为电弧焊。手工电弧焊：设备简单，使用灵活、方便、通用，但对操作人员的技能要求较高。不适宜焊接活泼金属及难熔合低熔点金属。埋弧自动焊：利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生电弧而自动进行焊接的方法，如图1-27、1-28所示。埋弧自动焊的主要特点：生产效率高，焊缝质量好，焊接规范自动控制。适用于大批量生产，可焊接中、厚钢板（6~60mm）。气体保护焊：用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。保护气体主要有两种：惰性气体（氩气和氮气）和活性气体（二氧化碳），其中氩弧焊，应用比较广泛。二、焊接的方法与适用场合埋弧自动焊埋弧自动焊电阻焊:利用电流通过工件及焊接接触面间所产生的电阻热，将焊件加热至塑性或局部熔化状态，再施加压力形成焊接接头的焊接方法。有点焊、缝焊、相对焊三种形式。点焊：其基本结构如图1-29所示，适用于焊接4mm以下薄板广泛用于汽车、飞机、电子、仪表和日常生活用品生产。缝焊：焊接厚度3mm以下的薄板搭接，主要应用于生产密封容器和管道等，如图1-30所示。三、焊接壳体、箱体的设计焊接结构材料的选择：选用焊接性好的材料来制造焊接结构壳体、箱体。含碳量低的碳钢和合金钢具有良好的焊接性。焊接方法的选择：根据材料的焊接性、工件厚度、生产率要求、各种焊接方法的适用范围和设备条件等综合考虑。焊接接头工艺设计：手工电弧焊接头基本形式有四种，如图1-31所示。除搭接接头外，其余接头在焊件较厚时需开坡口。坡口的基本形式如图1-32所示。焊缝布置应遵循以下原则：便于施焊：焊缝设置必须具有足够的操作空间以满足焊接工艺需要。如图1-33、1-34所示。有利于减少焊接应力与变形：尽量选用尺寸规格较大的板材、型材。避开最大应力区和应力集中部位。避开或远离机械加工面。便于施焊1.4、冲压壳体板料冲压制造产品壳体具有下列特点：生产率高、操作简单。产品质量好。材料利用率高。造型能力强适用广泛。主要缺点：集中在模具方面。冲模设计、制造复杂，成本高，且一件一模，局部更改，也要更换模具。小批量生产成本较高，图1-35的模型就是例子。一、冲压壳体的特点二、冲压工艺与模具冲压设备主要有剪床和冲床两大类。常用小型冲床的结构如图1-36所示。冲压基本工序如图1-37所示。冲压模具按冲床的每一次冲程所完成工序的多少划分为简单冲模、连续冲模及复合冲模。简单冲模在冲床的一次冲程内只能完成一道工序。如图1-38所示，简单冲模的结构简单，成本低，生产率低，主要用于简单冲裁件的生产。连续冲模在冲床的一次冲程中，在模具的不同位置上可以同时完成两道以上的工序，如图1-39所示。连续冲模生产率高，易于实现自动化，但结构复杂、成本高，适于大批量生产精度要求不高的中、小型零件。复合冲模在冲床的一次冲程内，在模具的同一位置上可以同时完成两道以上的工序，如图1-40所示。复合冲模生产效率高，零件加工精度高，但模具制造负责，成本高，适用于大批量生产。在设计冲压壳体结构时，须综合考虑产品结构需要、零件结构强度、材料特性与成型能力、冲压模具复杂性及冲压工艺等因素。如图1-41、1-42所示。冲压壳体设计，往往易关注结构造型和功能，而忽视生产加工工艺，使得模具结构复杂、生产成本加大，特别是对于结构上需要弯曲和拉伸成型部分。三、冲压零件的设计板料弯曲时，内侧金属受切向压应力，产生压缩变形；外层金属受切向拉应力，产生伸长变形。当拉应力超过材料的抗拉强度时，即会造成金属破裂。坯料厚度越大、弯曲半径越小，材料所受的内应力就越大，越容易弯裂，所以必须控制弯曲半径，通常取为板厚的0.25-1倍以上，材料塑性好时取下限。弯曲时尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直，如图1-43所示。设计弯曲件时应加强变形部位的刚性，如图1-44所示。在设计拉伸壳体时，应注意拉伸变形的影响，如图1-45所示。1.5、注塑壳体、箱体一、注塑壳体、箱体的特点注塑壳体、箱体有以下特点，如图1-46为例。生产周期短，生产效率高，易于实现大批量、自动化生产。可使用材料丰富，适应性强。产品质量较高，一致性好、互换性强，成本低。几何造型能力强，可生产现状、结构复杂的产品。功能性与装饰性结合好。明显的缺点：•注塑模具成本较高，不适于单件、小批量生产。•强度、表面硬度较低，扛冲击、磨损性能差，局部细小结构在维修过程易损坏。•材料存在老化问题，耐久性差。二、注塑工艺与模具典型注塑工艺过程如图1-47所示。注塑模具在结构组成上是比较复杂的，按功能、作用分以下几个部分：成型部分：模具的核心部分，由可分合的两部分组成，类似于凸模和凹模。浇注系统排溢、引起系统冷却系统脱模机构模架三、注塑壳体、箱体设计注塑壳体、箱体的结构设计应综合考虑产品要求、外观造型、注塑材料、各功能局部、生产加工条件及成本等因素。壁厚设计尽可能均匀，如图1-48所示。在壳体转弯连接处，避免使用锐角连接，如图1-49所示。在壳体结构上，尽量避免表面凹陷，如图1-50所示。