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产品结构设计（五）：结构设计原则

news 2024/10/29 3:38:20

1. 产品结构设计总原则

1.1 合理选用材料

1、根据产品应用场所来选择
- 如果为日常消费类电子产品，产品材料就应选用强度好、表面容易处理、不容易氧化生锈、不容易磨伤、易成型的材料，如塑胶材料选用 PC、ABS、PC+ABS 等，金属材料选用不锈钢、铝、锌合金等
- 如果应用于食品行业，产品材料就应选用无毒无味、耐低温、耐高温，甚至无添加色的材料，如饮料瓶子选用 PET，食品包装袋选用 PP、PE 等，饮水用的杯子材料选用 PP、PC 等
2、根据产品的市场定位来选择
- 在设计产品之前，产品的市场定位也会对材料的选用产生影响，高档的产品在材料选用上优中选优，中档的产品材料性能尚可，低档产品在材料选用上就尽可能降低成本
3、根据产品功能来选择
- 有些产品带有运动功能，运动就必定带来损，所以，在材料选用上就要考虑耐磨，耐磨材料有很多，如大部分金属材料一般都耐磨，耐磨的塑料材料如 PA(尼龙料)、POM(赛钢料)，胶材料如天然胶等
4、根据公司的要求来选择
- 每个公司都有自己的供应商，包括材料供应商。同一种产品，能满足产品设计要求的材料有好几种，价格也不一样，而选用哪一种材料就要结合公司的实际情况来考虑，最终选用的材料并不一定是最便宜的，但与供应商的沟通配合可能是最好的

1.2 选用合理的结构

产品结构设计不是越复杂越好，相反，在满足产品功能的前提下，结构越简单越好越简单的结构在模具制作上就越容易，越简单的结构在生产装配上就越轻松，出现的问题也就越少
举个例子
- 结构设计中常用的固定方式有螺丝固定、卡扣固定、双面胶固定、热熔固定、超声波焊接固定等，如何选用这些固定方式呢？
  - 一般来说，螺丝固定最可靠且可拆性强，应优先选用
  - 卡扣固定方便简单，但固定可靠性不高，可结合螺丝选用
  - 双面胶固定、热熔固定等应用于特定的场所，必要时选用
产品结构设计时不允许有多余的结构
- 多余的结构意味着浪费设计时间、增加模具加工难度、浪费材料。在进行产品结构设计时，要做到需要的结构一定要做，可有可无的结构一概不做，做的每一处结构都要有用，包括每一个卡扣、每一条加强筋等。

1.3 尽量简化模具结构

产品设计完成后需要模具来成型，在进行产品设计时就要保证产品能通过模具制造出来，产品结构设计得再可靠而模具实现不了或者很难实现都是不合格的结构。作为结构工程师，对模具要有一定的了解，要懂得模具的基本结构、产品的成型方法、出模方式等只有这样才能做到产品设计时尽可能地简化模具结构
举个例子
- 模具倒扣是影响模具正常出模的结构，模具上解决倒扣的机构常用滑块(俗称行位)及斜顶，但这样会增加模具复杂程度及模具制造成本。在进行结构设计时，有模具倒扣的地方要尽量处理，让产品能够正常出模

1.4 成本控制

(1) 选用材料时，在满足功能的前提下，尽量选用价格低的材料
(2) 产品外形建模时，在满足外观的前提下，尽量减少零件个数
(3) 产品结构设计时，尽量简化结构，以节省模具成本
(4) 产品结构设计时，选用合适的固定方式，以节省生产装配成本
(5) 在产品表面处理时，根据产品定位及外观要求，采用合适的表面处理方法，以节省加工费用
(6) 在供应商选择上，选择技术强、沟通配合好、价格最优的厂商。供应商技术强可避免零件制作出现差错造成反复修改浪费时间，沟通配合好易于交流方便开展工作，这样都可以节省成本
(7) 对新产品的开发进度进行有效的管控，尽可能缩短项目时间，节省时间也是节省成本。如果项目时间延长不仅耽误了交货期，还会赔偿违约金，得不偿失
(8) 在产品结构设计时，如果公司有库存料件，应尽量选择共用。库存料件是公司先前产品生产时剩余下来的，如果不用就会造成浪费。结构设计优先选用这些料件就会让这些库存料件重新用于生产，也是降低成本的一种方式

2. 产品结构设计特点

2.1 连接

连接是产品结构设计的主要特点，两个不同的零件是如何装配在一起的就是连接方面需要考虑的内容
结构设计中，常用的连接方式主要有机械连接方式、黏结方式、焊接方式三种
- (1) 机械连接方式有卡扣连接、螺丝连接、键销连接等
  - 卡扣连接一般用于强度要求不高的产品，卡扣还经常用于螺丝的辅助固定结构
  - 螺丝连接一般用于两个零件之间的连接与固定，是连接与固定的首选方式
  - 键销连接一般用于轴类及圆盘类零件之间的连接
- (2) 黏结方式有双面胶连接、胶水粘贴等
  - 双面胶连接一般用于小平面的零件之间的连接与固定
  - 胶水粘贴则适用各个方面
- (3) 焊接方式又分为超声波焊接、机械能焊接、电能焊接等
  - 焊接一般用于不需要拆卸零件之间的连接与固定

2.2 限位

除了连接，产品结构设计还需要限位。限位就是防止移动
举例说明
- 如果要将一个标签纸贴在壳体上，首先要找到贴标签纸的地方，结构设计般会在壳体上切一个标签纸位置，标签纸位置限制标签纸贴的地方，这就是限位。时一再如，前壳与后壳光靠连接结构，如果没有限位结构，就会造成装配错位，所以，在前壳与后壳的左右上下方向都要有可靠的限位结构
常用的限位结构有止口、反止口等

2.3 固定

产品结构设计最后的特点就是固定，有了连接与限位结构，为防止松脱，还需要固定结构。固定与连接是息息相关的，大部分结构既有连接功能，又有定功能，如螺丝连接、黏结连接等
对于带有运动状态的产品，也需要将运动部分与非运动部分的连接部分限位并固定好如笔记本电脑上的转轴等

3. 钣金类产品设计

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
钣金类产品加工方式常有冲切、折弯、拉伸、成型等

3.1 基本原则

1、产品厚度均匀原则
- 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
- 很多三维设计软件中有钣金件设计模块，采用这些模块进行专业性设计就不会出现设计的产品厚度不均匀的情况
2、易于展平原则
- 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，在设计饭金件时，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
3、适当选用钣金件厚度原则
- 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
4、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

3.2 工艺要求

3.2.1 冲切

(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 1.5t(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
(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
- 将左图所示的设计改进成右图所示的设计，就会以相同的原料增加产品数量，从而减少浪费，降低成本
(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)
(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，下表是常用材料最小的冲孔尺寸，t 为钣金材料厚度
- 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，下图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
(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，其孔壁直壁之间应保持一定的距离
(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，t 为钣金材料厚度

3.2.2 折弯

钣金件的折弯，是指在钣金件上做直边、斜边、弯曲等形状，如将钣金件弯成工形、U 形、V 形等，折弯加工可采用模具折弯及专业的折弯机折弯

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下表
(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，最小直边高度按下图所示要求来设计
- 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，如下图所示。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
(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，其基本设计要求如下图所示
(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
- 如下图所示，距离 L≥0.5t，其中 t 是钣金厚度
(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，如下图所示
(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，如下图所示
(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

3.2.3 拉伸

钣金件的拉伸是指将钣金件拉伸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
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
- (1) 拉伸件圆角半径大小要求
- (2) 圆形无凸缘拉伸件一次成型时，其高度与直径的尺寸关系要求
  - 圆形无凸缘拉伸件一次成型时，高度 H 和直径 d 之比应小于或等于 0.4，即 H/d≤0.4

4. 塑料件结构设计

4.1 塑料件料厚

(1) 塑料件料厚可根据材料的不同及产品外形尺寸的大小来选择
- 其范围一般为 0.6~6.0mm，常用的厚度一般在 1.5~3.0mm 之间
- 下表是常用塑料件料厚推荐值
  - 小型产品是指最大外形尺寸 L<80.0mm
  - 中型产品是指最大外形尺寸为 80.0mm< L <200.0mm
  - 大型产品是指最大外形尺寸 L>200.0mm
(2) 塑料件料厚尽量均匀，否则会产生塑料件充填不均匀引起变形、局部产生凹陷等缺陷
- 如果塑料件因结构需要料厚不均匀时，应逐渐过渡，以免厚度变化太大产生应力集中或者产生局部凹陷影响产品的外观及结构强度
- 左图是产品从薄到厚的变化，右图是从厚到薄的变化，料厚都要逐渐过渡
- 料厚变化不能过大，从薄到厚不要超过 2.0 倍，从厚到薄不要少于原胶位的 0.50 倍

4.2 塑料件的脱模斜度

脱模斜度是指塑料件在出模方向应具有一定的倾斜角度，是满足模具正常出模的必定条件，在设计塑胶件产品时，无论外观还是里面的结构都要有脱模斜度
脱模斜度的设计要点
- (1) 产品外观要求高的产品，脱模斜度要小
- (2) 产品精度要求高的产品，脱模斜度要小
- (3) 产品外形尺寸大的产品，脱模斜度要小
- (4) 塑料材料含有润滑剂的，脱模斜度要小
- (5) 产品外表面光亮，脱模斜度适当做小
- (6) 产品外形粗糙，脱模斜度要加大
- (7) 产品外形复杂，脱模斜度要加大
- (8) 注塑流动性差或者增强的塑料，脱模斜度要加大
- (9) 产品料厚大，脱模斜度要适当加大
- (10) 收缩率大的塑料应选用较大脱模斜度
- (11) 透明件塑料脱模斜度要适当加大
常用塑料的脱模斜度
脱模斜度方向的确定方法
- (1) 产品外观外形以大端为基准，斜度采用减胶拔模方式向小端取得
- (2) 内孔以小端直径为基准，斜度采用减胶拔模方式向扩大方向取得
- (3) 筋位以大端为基准，斜度采用减胶拔模方式向小端取得
- (4) 特殊情况下为保证均匀料厚和模具顺利出模，一侧减胶拔模，另一侧需加胶拔模

4.3 塑料件的圆角设计

在进行塑料件产品结构设计时，为了提高产品强度和避免胶件注塑时应力集中、便于脱模，产品各面相交之间应设计过渡圆角
- (1) 产品结构设计无特殊要求时，过渡圆角由相邻的料厚决定，内侧圆角半径®一般取值范围是料厚(t)的 0.50~1.50倍，但最小圆角半径不得小于 0.30mm
- (2) 产品内外表面的拐角处设计圆角时，应保持料厚均匀， $R_a=R_b+t$
- (3) 在进行塑胶件产品结构设计时，尤其要注意模具的分型面不要有圆角，除非产品有特别要求。如果分型面有圆角，则会增加模具制作难度，在产品的外表面也会留下夹线痕迹，影响外观
- (4) 产品的外观面和内表面能接触到的地方不允许有尖角利边，必要时作倒圆角处理，最小圆角半径不要小于 0.30mm，以防刮伤手指，尤其是做玩具类产品结构设计时要特别注意

4.4 塑料件的加强筋设计

有时在不改变料厚的前提下，为了提高塑料件的强度和刚度，就需要合理设计加强筋，加强筋在塑料产品中的作用是提高塑胶件产品强度和刚度，防止塑件变形，同时也有利于注塑时原料的流动
- (1) 加强筋的设计要求如下图
  - 尺寸 A 是加强筋的大端厚度，取值范围在 0.4t~0.60t，一般取值是料厚的 50%
  - 尺寸 B 是加强筋的高度，一般要求不大于 3t
  - 尺寸 C 是两个加强筋的距离，一般要求不小于 4t
  - 尺寸 D 是加强筋离零件表面的距离，一般要求不小于 1.00mm
- (2) 螺丝柱的加强筋
  - 如果螺丝柱过高或者需要承受一定的力度时，就需要设计加强筋以增强其强度，下左图是远离侧壁螺丝柱的加强筋，下右图是靠近侧壁螺丝柱的加强筋。
- (3) 螺丝柱的加强筋设计如下图
  - 尺寸 A 是加强筋上端的平面宽度，应不小于 0.50mm
  - 尺寸 B 是加强筋底端的宽度，取值范围是螺丝柱高度的 0.20~0.50 倍
  - 尺寸 C 是加强筋离螺丝柱顶端平面的距离，应不小于 1.00mm
- (4) 如果在支撑面做加强筋，加强筋应低于支撑面，以保证支撑面平齐

4.5 塑料件的支撑面设计

支撑面是承受产品重量的底面，对于稍大尺寸的产品而言，如果用整个面做支撑面，则不利于底部的平整，所以需要设计一些凸边或者凸台、凸点来支撑
支撑面的高度应根据产品的外形尺寸来定，一定取值范围是 0.30~2.00mm

4.6 塑料件孔的设计

(1) 常见孔的设计要求如下图
- 尺寸 A 是孔之间的距离，孔径若小于3.00mm，建议 A 数值不小于 D；孔径若超过 3.00mm，则 A 数值可取孔径的 0.70 倍
- 尺寸 B 是孔与边的距离，建议 B 数值不小于 D
(2) 孔径与孔深的关系如下图
- 尺寸 A 是盲孔的深度，建议 A≤5D
- 尺寸 B 是通孔的深度，建议 B≤10D
- 这里讲的孔不包括螺丝柱的内孔
(3) 螺丝头孔优先选用下左图形式，如果结构需要选用下右图形式时，锥形面应低于端面且不少于 0.50mm，以免孔表面裂开

4.7 塑料件上文字、图案设计

塑料产品上的文字及图案分为凸出表面和凹下表面两种，其加工方式一般也有两种，小型文字及图案由模具蚀刻获得，稍大的文字及图案由模具加工直接得到
- (1) 塑料产品上的文字及图案最好采用凸出表面的方式，这样在模具上就是凹下表面的，模具加工简单很多
  - 如果因为结构需要表面不允许有凸起时，可采用将有文字或者图案的区域凹下表面一定的深度，然后在凹槽内凸出文字或者图案，这样既满足了结构的要求，又便于模具制作，凸出文字表面最好比凹槽表面低 0.10mm 左右
- (2) 塑料产品上的文字及图案，凸出表面高度一般为 0.15~0.30mm，凹形文字及图案深度为 0.15~0.25mm
  - 尺寸 A 是文字的笔划宽度，建议不小于 0.25mm
  - 尺寸 B 是两字符的间距，建议不小于 0.40mm
  - 尺寸 C、D 是字符离边缘的距离，建议不小于 0.60mm

4.8 塑料件上的螺纹设计

螺纹用于连接零件，在塑胶产品上也经常用到。塑胶产品上的螺纹与五金产品有些不同，塑胶产品上的螺纹通过模具注塑成型，精度相对不高，细的螺纹很难成型，而五金产品上的螺纹是通过机械加工而成的，精度高，自能加工很细的螺纹
- (1) 塑料产品上的螺纹直径不能太小，外螺纹直径不小于 3.00mm，内螺纹直径不小于 2.00mm，螺纹的螺距不小于 0.50mm
- (2) 为保证内外螺纹良好旋合，塑胶螺纹的配合长度不宜过长，建议其配合长度 L 不大于 2 倍螺纹直径
- (3) 塑胶螺纹的第一圈容易崩裂或脱扣，且为了便于脱模，需要在螺纹的首尾端设计一段无螺纹的圆柱面，圆柱面高度不小于 0.50mm

4.9 塑料件上的嵌件设计

塑料件上的嵌件是指在模具注塑时将其他材料的零件植入塑料产品中，与塑胶产品结合在一起
- 嵌件使用最多的就是金属类零件，小型嵌件如螺丝、螺母，稍大嵌件如手机产品中为了减小厚度在电池仓下的底面采用的不锈钢片等
- 嵌件的主要作用是提高塑料件的机械强度及耐磨性能等
设计金属嵌件的基本要求有以下几个方面
- (1) 嵌件对尺寸精度要求高，如螺母类零件，螺母的外形尺寸与螺纹直径差异稍大就会导致其在模具中很难定位
- (2) 嵌件的强度要足够高，由于模具注塑压力大，强度不够的零件容易被损坏
- (3) 嵌件与塑胶料要有紧密的结合，且不能松脱、摇动。圆柱形嵌件需要在外观上进行滚网格花纹处理，以增强附着力
- (4) 如果嵌件材料为片材类如不锈钢片，为防止脱落，四周侧壁上应多设计一些挂台及切口嵌入塑料内
- (5) 嵌件的外形最好设计成圆柱形，以便在模具中放置与定位
- (6) 嵌件的外形尺寸不易过大，厚度不易过薄，防止在注塑时变形
- (7) 金属嵌件外包塑料的厚度设计如下表

4.10 塑料件的自攻牙螺丝

4.10.1 自攻牙螺丝的分类

在这里插入图片描述

自攻牙螺丝的命名举例
- PB2.60mmx4.00mm
  - 代表圆头平尾 2.60mm 的自攻牙螺丝，长度为 4.00mm
- PWB2.60mmx5.00mm
  - 代表圆头加垫圈平尾 2.60mm 的自攻牙螺丝，长度为 5.00mm
- PA2.60mmx6.00mm
  - 代表圆头尖尾 2.60mm 的自攻牙螺丝，长度为6.00mm
- KB2.60mmx5.50mm
  - 代表沉头平尾 2.60mm 的自攻牙螺丝，长度为5.50mm
- PAT2.60mmx7.00mm
  - 代表圆头尖尾开口 2.60mm 的自攻牙螺丝，长度为 7.00mm

4.10.2 自攻牙螺丝的长度计算

在这里插入图片描述

4.10.3 自攻牙螺丝与机牙螺丝的区别

1.外形比较
- (1) 相对来说，自攻牙螺丝比机牙螺丝牙距要大，牙型要粗
- (2) 机牙螺丝牙尾型是没有尖尾的，也没有开口的
2.有无螺母
- (1) 自攻螺丝由于有自攻特性，无须螺母，只要有孔就行
- (2) 机牙螺丝需要螺母或者与螺丝牙型配套的螺纹孔
3.应用范围
- (1) 自攻牙螺丝与机牙螺丝常用于塑料、薄的或者软的金属件、木制品等
- (2) 机牙螺丝常用于金属件的连接，如果用于其他材料，需预埋螺母
4.拆卸次数
- (1) 自攻牙不宜经常拆卸，否则会因滑牙而失效
- (2) 机牙螺丝能经常拆卸

4.10.4 自攻牙螺丝、螺丝柱的设计

尺寸说明
- 尺寸 A 是自攻牙螺丝柱内径
- 尺寸 B 是自攻牙螺丝柱外径
- 尺寸 C 是两个螺丝柱限位间隙
- 尺寸 D 是限位高度
- 尺寸 E 是螺丝头支撑胶位厚度
- 尺寸 F 是两个壳体螺丝柱 Z 向间隙
- 尺寸 G 是穿过螺丝的孔直径
- 尺寸 H 是锁螺丝壳体螺丝柱的壁厚
- 尺寸 I 是螺丝头的过孔直径，比螺丝头直径要大 0.20mm
- 自攻牙螺丝柱深度不小于 2.50mm，螺丝越大，深度相应增加
- 自攻螺丝常用长度有 2.50mm、3.00mm、3.50mm、4.00mm、4.50mm 等