課程簡介學習目標授課教案習題作業 課程簡介 產品的結構及機構就是產品的 骨骼系統 皮膚與肌肉系統 即產品外部及連接結構 產品內部骨架及安裝結構 產品運動機構等 產品結構對于產品主要起到包裝 支撐 安裝 連接等作用 而產品機構主要起到完成運動 完成空間動作 產生功能等作用 學習目標 掌握產品機械結構設計的基本原理和原則 了解產品機械系統與結構的功能 作用 產品結構的組成與分類 了解鈑金結構設計 塑料產品結構設計的內容與要求 能夠分析家用電器及常見儀器設備的結構特點 教案 產品機械結構設計的基本原理和原則常見產品的結構設計產品機械結構設計的任務和特點產品機械結構件的結構要素和設計方法產品機械結構設計的基本要求和設計準則產品機械結構設計的工作步驟典型案例分析課程設計 1 產品設計的工藝原則是什么2 鈑金結構中彎曲件的設計注意點是什么3 鈑金結構件中拉深件的設計注意點是什么4 產品塑料外殼多數是用熱塑性塑料 其一般厚度是多少5 怎樣在產品塑料外殼不增加厚度的情況下 增加其強度和剛度6 為什么塑料產品的設計必須有脫模斜度 一般外表面的脫模斜度是多少7 簡述塑料產品的設計中加強筋的厚度與高度對外觀的影響8 請自選一臺機器 儀器 作鈑金結構和塑料結構分析9 請自選一件塑料制品 作一下它的塑料結構分析10 課程設計 習題作業 產品機械結構設計基本原理和原則 產品機械系統與結構的功能和應用 產品結構的組成 產品對機械系統的基本要求 產品機械結構設計的原則 機械系統與外殼結構是現代設備發展的基礎和必不可少的組成部分 各種科學的最新成果和先進的技術系統 如微電子技術 計算機應用技術和其他高新技術 如果要成為具有實用價值的產品 必須有機械系統與外殼結構 安裝結構系統 現代產品機械系統結構的零部件和機構種類繁多 各自的功能和作用多種多樣 但可概括為兩個主要方面 產品機械系統與結構的功能和應用 通過各種動力 傳動機構及其相互組合 構成機器設備中的特定機械與機構的功能系統 以實現運動 能量和信息的傳遞 轉換 控制 顯示和記錄以及完成機器設備功能所要求的各種動作 通過機座 機殼等各種基體零部件和緊固件的組合 設備中機構的機架和支承系統 實現設備 儀器各種元器件的剛性或彈性連接 固定和高速 保證各元器件獲得所要求的 確定的和穩定的相對位置 攝像機是典型的具有機械 微電子系統的產品 如圖所示 機芯和鏡頭是精密機械系統 裝有集成電路的線路板是微電子系統 整個機械 微電子系統都安裝在底座 沖壓金屬板上 再與機殼固定在一起 產品機械系統與結構的的應用實例之一是數控繪圖儀中的機械裝置 數控繪圖儀是根據計算機輸出的數字信息 經過處理 高速度 高精度地將原來的連續模型以繪制圖形的形式輸出的裝置 它的出現和應用對設計工作是一大飛躍 它既可作為主計算機的一種終端聯機使用 也可與主計算機脫機使用 主計算機將處理過的圖形信息存在磁盤或光盤上 自動繪圖時 繪圖儀與配套的微型計算機進行信息處理 然后通過插補器發出一系列X Y方向的指令脈沖 經過伺服放大器 伺服電動機 傳動裝置 最后使筆架上的畫筆進行X Y方向的合成運動 繪出圖形 它主要由繪圖平臺 X向導機 Y向導機 傳動裝置和筆架等部分組成 繪圖平臺 臺面通常由硬質橡膠構成 上面有許多小孔 與真空吸附裝置相通 以便固定圖紙 導軌與橫梁 X向導軌位于平臺兩側 Y向導橫梁上 橫梁由兩端的滑座支承X向導軌上 傳動裝置 X向導傳動裝置由齒輪減速器和齒輪齒條機構組成 Y向傳動裝置由齒輪減速器和滾珠螺旋機構組成 筆架 筆架支承在Y向導軌上 它在導軌上的移動是由電機驅動并通過滾珠螺葉在螺桿上的移動而實現的 它與由電機驅動使橫梁在X向導軌上的移動組合實現畫筆的繪圖 而筆架按計算機的指令要求可自動抬筆和落筆 從以上實例簡介中 可初步了解機械系統與結構在機器設備中的基本功能和作用 任何一部結構比較復雜的產品 按照結構的觀點 均可視為由若干零件 部件和組件組成 產品結構的組成 又稱元件 是產品的基礎 是組成產品的最基本成分 是一個不經破壞不可分解的單一整體 是一種不采用裝配工序而制成的成品 零件通常是用一種材料經過所需的各種加工工序制成的 如螺釘 彈簧 軸等 1 零件 又稱器件 是生產過程中由加工好的兩個或兩個以上的零件 以可拆聯接或永久連接的形式 按照裝配圖要求裝配而成的一個單元 其目的是將產品的裝配分成若干初級階段 也可以作為獨立的產品 如滾動軸承 減振器等 2 部件 又稱整件 是由若干零件和部件按照裝配圖要求 裝配成的一種具有完整機構和結構 能實施獨立功能 能執行一定任務的裝置 從而將比較復雜產品的裝配分成若干高級階段 或作為獨立的產品 如減速器 錄像機機芯 磁帶機芯等 3 組件 是由若干組件 部件和零件按總裝配圖要求 裝配成的完整的儀器設備產品 整機能完成技術條件規定的復雜任務和功能 并配備所謂的一切配套附件 如錄放機 復印機 攝像機 放映機等 4 整機 一般來說 產品中的技術性能指標主要是針對產品的系統和結構能否滿足技術條件規定的功能和使用技術性能要求 經濟指標則主要是針對產品的結構能否經濟地進行生產 滿足成本和經濟效益的要求 產品對機械系統與結構的基本要求 可概括為以下幾個方面 產品對機械系統的基本要求 是最基本的技術要求 機械系統主要體現為執行機構運動規律和運動范圍的要求 1 功能特性要求 是最重要的技術性能要求 對于機械系統主要體現為對執行機構輸出部分的位置誤差 位移誤差和空回誤差的嚴格控制 2 精度要求 執行機構的輸出部分應能靈敏地反映輸入部分的微量變化 為此 必須減小系統的慣量 減少磨擦 提高效率 以利于系統的動態響應 3 靈敏度要求 構件的彈性變形應限制在允許的范圍之內 以免由彈性變形引起運行誤差和影響系統的穩定性及動態響應 4 剛度要求 構件應在一定的使用期限內不產生破壞 以保證運動和能量的正常傳遞 5 強度要求 系統和結構應能在沖擊 振動 高溫 低溫 腐蝕 潮濕 灰塵等惡劣環境下 保持工作的穩定性 6 各種環境下工作穩定性要求 結構應便于加工 裝配 維修 應充分貫徹標準化 系列化 通用化等經濟原則 以降低成本 提高效益 7 結構工藝性的要求 結構應盡量緊湊 輕便 操作簡便 安全 造型美觀 攜帶 運輸方便 8 使用要求 所設計的產品及其機械結構能否在滿足使用技術性能要求的前提下 采用最合理的工藝方法和流程 最經濟地進行生產 即所謂結構工藝性問題 須給予極大的重視 在產品結構設計中應嚴格遵循以下工藝原則 并貫穿產品結構設計的全部過程中的各個階段 產品機械結構設計的原則 產品生產規模按產品生產的數量分為單件 小批 中批 大批和大量生產 它是由社會實際需求決定的 不同的生產規模具有不同的生產線和相應的生產設備 因此 所設計的產品結構應反映出生產規模的特點 并與相應的生產線及其生產能力相適應 例如大量和大批生產的產品結構從毛坯制取 機械加工和裝配都應適應造化或半自動化生產線 由各種高效率的專用加工設備和插裝設備進行加工 裝配 甚至包括生產各個階段質量的在線檢測和控制 直到標牌安裝或封貼以及產品包裝 為此 零件的加工和裝備必須達到完全互換 而單件和小批生產的產品結構 則應適應由通用設備 通用工藝裝置等組成的生產線進行加工 裝配的特點 1 產品結構應反映生產規模的特點 設計產品結構時應從產品總體著眼 使產品結構易于分成若干獨立組件 以便采用積木式進行總裝 各組件的裝配最好是彼此獨立 并行地進行裝配 以利于提高總裝效率和查找產生問題的部位 各組件之間的聯系應方便拆裝 易于裝調 并便于對任何零 部件檢修和更換而不影響其他部分 2 合理劃分產品結構的組件 設計新產品或對原有產品進行改進時 應充分分析吸收原有產品或相近產品結構的優點 盡量利用原有產品或借用相近產品中經過生產和使用證明已比較成熟的結構 或盡量采用典型結構 只對少部分結構另行設計 或局部改動 這不僅可大大簡化設計和生產過程 縮短產品研制和生產周期 而且易于保證產品質量 3 盡量利用典型結構 在保證產品技術恨不能要求的前提下 設計時應盡量簡化傳動鏈 這樣使系統中的零 部件的數量大大減少 從而使結構盡量簡單 零 部件自身的結構也應盡量簡化 這不僅減少了加工勞動量 同時也減少了誤差來源 4 力求系統和結構簡單化 總體結構設計時應使每個零 部件都具有合理的定位基準 盡量使定位基準 包括輔助基準 分布在同一平面內 并且盡量使零 部件的設計基準與工藝基準 包括定位基準 測量基準 裝配基準 重合一致 以減少由于基準不一致所造成的誤差和繁瑣計算 5 合理選擇基準 力求合一 產品結構設計中貫徹標準化是獲得工藝性結構的最重要條件 貫徹標準化 統一化原則主要體現為 結構中最大限度地采用標準件 確定產品結構的各種參數時 應最大限度地采用相應的標準值和優先數系的規定值 盡量統一結構中相近零件的材料牌號 標準件的品種 規格 型號尺寸系列 6 貫徹標準化 統一化原則 7 結構應能進行調整和定位 常見產品的結構設計 工業設計專業涉及的結構設計 主要是產品的外部殼體結構設計 目前殼體材料主要是金屬材料通過鈑金沖壓工藝成型和塑料通過注塑工藝成型 本節主要就這兩類材料殼體的結構設計進行探討 1鈑金結構的設計 彎曲件的結構設計 沖裁件的結構設計 拉深件的結構設計 2塑料產品的結構設計 塑料產品的形狀 塑料產品的壁厚 塑料產品的脫模斜度 塑料產品的加強筋 塑料產品的底部支承面 塑料產品的孔 塑料產品的圓角 塑料產品的標志設計 3電子設備整機結構 機箱的結構形式 機柜的結構形式 通風窗口的開設形式 常見產品的結構設計 具有良好工藝性的彎曲件 能簡化彎曲的工藝過程和提高彎曲件的精度 下面對彎曲件的結構提出一些設計要求 一 彎曲件的結構設計 彎曲件的形狀最好對稱 彎曲半徑左右一致 否則 由于磨擦力不均勻 板料在彎曲過程中會產生滑動 為了防止板料的偏移 設計模具時應有可靠的定位措施 彎曲件的圓角半徑應大于板料許可的最小彎曲半徑 當必須彎曲成很小圓角時 可進行多次彎曲 中間輔以退火工序 彎曲件的圓角半徑也不宜過大 因為過大時 回彈值增大 彎曲件的精度不易保證 彎曲件的直邊高度不宜過小 彎曲高度為直邊的兩倍 可在彎曲前 在彎曲處先壓槽 再彎曲 如圖所示 或加高直邊 彎曲后再切掉 在彎曲件有孔時 如果孔的位置處于彎曲變形區 則孔會發生變形 為避免這種情況 必須使孔處于變形區之外 彎曲件直邊高度 壓槽 在局部彎曲某一段邊緣時 為避免角部形成裂紋 可預先切出工藝槽 如圖3所示 可以離開尺寸突變處 如圖4所示 直角的拐彎處 可在彎曲前沖制工藝孔 如圖5所示 邊緣部分有缺口的彎曲件 彎曲時必須于缺口處留連接帶 將缺口連住 待彎曲成形后 再將連接帶切除 若在毛料上先沖缺口再彎曲 會出現叉口甚至無法形成 添加工藝槽 剪曲前沖的工藝孔 轉移彎曲線 沖工藝孔 切除連接帶 2 彎曲后切除的連接帶 二 沖裁件的結構設計 沖裁件的結構設計是指沖裁件對沖裁工藝的適應性 良好的沖裁結構設計應保證材料利用率高 工序數目少 模具結構簡單且壽命高 產品質量穩定等 一般情況下 對沖裁件結構影響最大的是精度要求和幾何形狀及尺寸 1 沖裁件的精度等級 沖裁件精度一般可達IT10 IT12級 高精度可達IT8 IT10級 沖孔比落料的精度約高一級 具體數值可查有關設計手冊 如果工件要求更高精度時 沖裁后需通過整修或輔以切削加工 或者采用精密沖裁 2 沖裁件的結構設計 沖裁件的形狀應盡量簡單 最好是規則的幾何形狀或由規則的幾何形狀所組成 同時應避免沖裁件上過長的懸臂與凹槽 它們的寬度要大于料厚的1 5 2倍 一般情況下 沖裁件的外形和內孔應避免尖角 采用圓角的形式 當需要沖制不帶圓角的工件時 可以用分段沖切的辦法沖制 但模具壽命明顯降低 沖孔時 因受凸模強度限制 孔的尺寸不宜過小 孔與孔之間的距離或孔與零件邊緣之間的距離 因受模具強度和沖裁件質量的限制 其值不能過小 一般應為3 4mm 在彎曲件或拉深件上沖孔時 其孔壁與工件直壁之間的距離不宜過小 否則 會使凸模受側向力作用 同時 會影響彎曲件或拉深件的已成形區域 三 拉深件的結構設計 拉深件的形狀應盡量簡單對稱 盡量避免急劇的輪廓變化 旋轉體零件在圓周方向上的變形應是均勻的 這樣模具加工較容易 其工藝性最佳 其他形狀的拉深件 應盡最避免輪廓的急劇變化 否則 變形不均勻 拉深困難 拉深件凸緣的外輪廓最好與拉深部分的輪廓形狀相似 如果凸緣的寬度不一致 不僅拉深困難 需要添加工序 而且還需放寬修邊余量 增加材料損耗 拉深件的圓角半徑要合適 內部圓角半徑為壁厚的3 5倍 拉深件底部孔的大小要合適 在拉深件的底部沖孔時 其孔邊到側壁的距離應不瀕于該處圓角半徑加上板料厚度的一半 拉深件的精度要求不宜過高 拉深件的精度包括拉深件內形或外形的直徑尺寸公差 高度尺寸公差等 其精度等級要求不宜過高 如圖所示為一件較復雜的拉深產品 其外形均勻對稱 輪廓變化較柔和 順滑 頂部凸緣寬度一致 底部孔大小合適 外部凸凹裝飾條凹進較淺 整體結構設計合理 工藝性較佳 一次壓延 二次壓延 三次壓延 做成外形 拉深件沖壓過程 拉深件沖壓過程 作成凸凹條 塑料產品的結構設計 塑料產品的結構設計 良好的塑料產品既要美觀大方 好用 又要便于成型 塑料產品結構的幾何形狀包括 形狀 壁厚 加強筋 支承面 脫面斜度 圓角 孔 標志與花紋等 一 塑料產品的形狀 塑料產品應盡量避免側壁凹槽或與塑件脫模方向垂直的孔 這樣可避免采用瓣合分型或側抽芯等復雜的模具結構 避免使分型面上留下飛邊 如圖所示 改進前的塑件需要采用側抽芯或瓣合分型凹模 或凸模 結構 改進后的塑件簡化了模具結構 可采用整體式凹模 或凸模 結構 對于較淺的內側凹槽并帶有圓角的塑料件 可利用塑料在脫模溫度下具有足夠彈性的特性以強行脫模的方式脫模 而不必采用組合型芯的方法 多數情況下 帶側凹的塑料件不宜采用強行脫模 以免損壞塑料件 塑料產品的形狀還要有利于提高塑料件的強度和剛度 如把薄殼狀的塑料產品頂部或底部設計成球面或拱形曲面 可以有效地增加剛性和減少變形 如圖1所示 對于薄壁容器的邊緣可按圖2所示設計來增加剛性和減少變形 緊固的凸耳或臺階應有足夠的強度和剛度 以承受緊固時的作用力 應避免臺階的突然過渡和尺寸過小 如圖所示 此外 塑料產品的形狀還應考慮成型時分型面位置 脫模后不易變形等 綜合所述 塑料產品的形狀必須便于成型以簡化模具結構 降低成本 提高生產率和保證塑料件的質量 二 塑料產品的壁厚 塑料產品的外殼壁厚取決于塑料件的使用條件 即強度 剛度 結構 電性能 尺寸穩定性以及裝配等各項要求 但壁厚的大小對塑料成型影響很大 所以合理地選擇塑料件壁厚是很重要的 任何塑料產品均需要有一定的壁厚 這是因為塑料在成型時要有良好的流動性 并保證產品有足夠的強度和剛度 也便于從模具里頂出產品 部件裝配操作也需要制品有一定的壁厚 壁厚過大 不僅浪費原料 增加塑料制品的成本 而且增加成型時間和冷卻時間 處長模塑周期 降低生產率 還容易產生氣泡 縮孔等缺陷 壁厚過小 成型時流動阻力大 對大型復雜塑料產品就難以充滿型腔 而且不能保證塑料產品的強度和剛度 塑料產品的壁厚應力求均勻 厚薄適當 以減少應力的產生 壁太厚 易形成 沉陷點 或產生翹曲 為此 常將厚的部分挖空 采用適當的修飾半徑以緩慢過渡厚薄部分空間 壁厚設計對比如下圖所示 熱固性塑料產品的厚度一般在1 6mm之間 最大不得超過13mm 在保證成型和使用條件下 應力求采用均勻和最小的壁厚 以得到快速 完全的固化 三 塑料產品的脫模斜度 脫模斜度又稱拔模斜度 出模斜度塑料成型后塑料產品緊緊抱住模具型芯或型腔中凸出部位 給取出產品帶來困難 為便于從模具內取出產品或從產品內抽出型芯 設計塑料產品結構時 必須考慮足夠的脫模斜度 脫模斜度如圖所示 塑料產品的內表面 外表面沿脫模方向均應有脫模斜度 所取數值按經驗確定 必須限制在制造公差范圍內 一般脫模斜度為1 2 最小為0 5 內表面的脫模斜度大于外表面的脫模斜度 塑料產品有凸起或加強肋 單邊應有4 5 的脫模斜度 型芯長度及型腔濃度越大 斜度適當縮小 通常取0 5 即可 厚壁產品會因壁厚使成型收縮增大 故斜度應放大 若斜度不妨礙制品的使用 則可將斜度取得大些 熱固性塑料較熱塑性塑料收縮小些 脫模斜度也相應小些 復雜及不規則形狀制品其斜度應大些 不通孔深度小于10mm 外形高度不大于20mm時 允許不設計斜度 有時根據產品預留的位置來確定脫模斜度 若為了在開模后讓產品留在凸模上 則有意將凸模斜度減小 而將凹模斜度放大 反之亦然 總之 在滿足塑料產品尺寸公差要求的前提下 脫模斜度可以取大些 四 塑料產品的加強筋 加強筋的作用不僅可以提高塑料產品的強度和剛度 減少扭歪現象 而且可使塑料成型時容易充滿型腔 設計加強筋時應注意以下問題 加強筋的厚度應小于被加強的產品壁厚 防止連接處產生凹陷 加強筋的高度不宜過高 否則會使筋部受力破壞 降低自身剛性 如圖所示的為加強筋尺寸比例 圖 a 所示的加強筋底部厚度為壁厚的一半 高度較矮 不易產生縮孔 圖 b 所示的加強筋底部厚度等于壁厚 高度較高 在交匯處產生 沉陷點 為了增加產品的剛度 寧可增加加強筋的數目而應增加其高度 產品加強筋為兩個以上時 其中點距不小于2mm 加強筋脫模斜度可大些 以利脫模 單邊應有4 5 使多數加強筋的方向與型腔塑料的流向一致 避免塑料流向的干擾而損害產品的質量 多條加強筋要分布得當 排列相互錯開 以減少收縮不均 如下圖所示 加強筋與支承面如下圖所示 加強筋的端面不應與支承面相平 至少低于支承面0 5mm 五 塑料產品的底部支承面 塑料產品的底部支承面選用整平面結構是不適宜的 因為要使整平面達到絕對平直是十分困難的 所以采用凸臺結構效果較好 凸臺以3個為最好 高度應高出平面0 5mm以上 位置應均勻設置在制品的邊角 有足夠的強度 適宜的出模斜度和絞變的過渡聯接 塑料產品的底部支承面凸臺結構如下圖所示 塑料產品上的孔有通孔 盲孔和復雜形狀的孔 孔的位置應盡可能設置在最不易削弱塑料產品強度的地方 在相鄰孔之間以及孔到邊緣之間 均應留出適當的距離 且盡可能使壁厚大一些 以保證有足夠的強度 如圖 a 所示 圓筒邊部通孔 孔在筒邊設計成管柱狀 管邊直到加強筋的作用 不減弱筒壁強度 如圖 b c 所示 孔邊緣設計凸臺 以增加強度 六 塑料產品的孔 對于斜孔和形狀復雜孔的成型方法 可采用拼合型芯來完成 以避免抽側芯結構 塑料產品上出現側孔及側凹時 為便于出模 必須設置滑塊或側抽芯機構 從而使模具結構復雜 成本增加 因此 應加以改進 如圖 b 所示 孔改為槽狀 便于拔模 在塑料產品的拐角處設置圓角 可增加產品的機械強度 改善成型時材料的流動性 也有利于產品的脫模 因此 在設計塑料產品結構時 應盡可能采用圓角 在兩部位交接處的內 外角上采用圓弧過渡能減小應力集中 外圓弧半徑應是壁厚的1 5倍 內圓弧半徑是壁厚的0 5倍 使厚度一致 塑料產品所有拐角處均應設置圓弧過渡 七 塑料產品的圓角 根據裝滿或某種使用上的要求 塑料產品上常需要直接制出花紋 標記 符號及文字 為了工藝上的要求及模具制作的方便 設計的花紋應注意其凸凹紋方向與膠模方向的一致性 塑料產品側壁的花紋或文字等是依靠側壁斜度保證脫模的 如下圖所示的是塑料旋鈕花紋 其中圖 a 為設計不合理 不能脫模 圖 b 為設計合理 便于脫模 八 塑料產品的標志設計 塑料產品上的標記 符號或文字可以設計成三種不同的形式 1 凸字 如圖 a 所示 它在模具制造時比較方便 可用機械或手工將字雕刻在模具上 但使用過程中凸字容易損壞 2 凹字 如圖 b 所示 它可以填上各種顏色的油漆 使字跡更為鮮明 這種形式如果用機械加工模具則較麻煩 現在多采用電鑄 冷擠壓或電火花方法來制造模具 3 凹坑凸字 如圖 c 所示 在凸字的周圍帶來凹入的裝飾框 制造這種結構形式模具可以采用鑲塊 然后鑲入模體中 制造比較方便 凸字在使用時也避免碰壞 電子設備整機結構 人們把利用電子學原理制成的設備 裝置 儀器 儀表等統稱為電子設備 電子設備的結構設計有其獨特的結構組成 其內部需安裝電子元 器件及機械零 部件 常見結構分機箱 機柜兩種 如下圖所示 機箱 機柜均需考慮通風口的開設 機箱是把整個設備安置在一個箱體中 常用于尺寸較小 結構簡單的小型電子設備 外形往往是箱形的 稱為機箱 機柜是對于結構復雜 尺寸較大的電子設備 往往將其分為若干分機或插箱 安置在一個共同的安裝架上 封閉后的整體稱為機柜 常見結構形式為立式 琴柜式和組合式 現代新的發展方向為外插式積木化結構 下面就機箱 機柜和通風窗口的開設一一加以介紹 一 機箱的結構形式 機箱的結構可按其材料和結構形式分為兩大類 1 按制造材料分根據機箱使用的材料與工藝不同可劃分為 1 鈑金結構機箱用各種冷軋 熱軋薄鋼板經過剪切 沖壓 彎曲等工藝過程 最后用焊接 螺釘組裝 制成各式機箱 機柜 用這種材料制成的箱柜成本低 取材方便 如下圖所示的是簡單的鈑金機箱 它由上下兩個 門 字形鋼板組成 其優點是 機箱可以設計成各種形式及尺寸 靈活多樣 用料品種少 機箱的強度與剛度好 適用于單件多品種生產 其缺點是 機箱的外形尺寸公差大 不宜于批量生產 鈑金工水平要求高 有一定的工裝模具 外形不美觀 2 鋁型材機箱鋁型材機箱按其結構可劃分為 1 型材圍框結構機箱用鋁型材折彎 形成前后圍框 也可以是左右圍框 再用鋁型材腰帶 支撐為側梁組成機箱框架 最后加上下蓋板及前后面板即成機箱 如下圖所示 其優點是 結構簡單 若改變型材的下料長度工 則可組成各種不同外形尺寸的機箱 采用通用折彎模后 可用于批量生產 其缺點是 型材折彎后 圍框與蓋板 面板的配合不易做到緊密吻合 機箱外形尚不夠美觀 由于采用薄壁型材折彎 其剛度與強度較差 僅適用于輕型設備 2 型材組合結構機箱這種機箱是用多種不同斷面形狀鋁型材 通過螺釘在轉角處聯接組成機箱框架 再加前后面板及左右 上下蓋板組成機箱 其優點是 機箱的外形尺寸變換方便 適應多品種及有一定批量的產品 用途廣 可組合成臺式 裝架式機箱及插箱 由于選用較高強度的鋁合金 因此機箱具有較高的強度與剛度 3 型板結構機箱型板是具有板狀特征的鋁型材 利用型板作為機箱柜架的側面 也可為前后面 再用鋁型材橫梁與側面板連接 就構成機箱框架 如下圖所示 這種結構的機箱由于采用了型板 故機加工量小 工藝簡單 機箱的強度與剛度均較好 但機箱高度方向的尺寸受型板尺寸的限制 故適用于扁平形狀的機箱 4 壓鑄結構機箱若將型板結構機箱的型板及其連接部分制成鋁壓鑄件 即成為壓鑄結構機箱 這種機箱由于采用了壓鑄工藝 故尺寸精確度高 適用于大批量生產 強度與剛度均較好 且裝配方便 其缺點是需要壓鑄設備 壓鑄模的成本高 機箱的外形尺寸受壓鑄機的限制 2 按箱體的結構形式分1 插箱式 2 蓋盒式 3 翻轉式 二 機柜的結構形式 1 常見機柜的結構常見機柜的結構形式有三種 立式 組合式和琴柜式 如圖所示 2 外插式積木化結構隨著科學技術的發展 電子儀器 設備在工業和民用中得到廣泛的應用 促使人們將能獨立的功能單元設計成臺式設備 它既能上架 柜使用 又能單獨使用 接著又發展到由多臺臺式設備組合使用 各種設備間的連接由內連接轉到外連接 從而形成了外插式積木化結構機柜并得到日益廣泛的應用 圖所示的是地面站接收設備機柜 圖所示的是外插卡式機箱 圖所示的是內插卡式機箱 為現代微型計算機廣泛采用 三 通風窗口的開設形式當機箱 機柜需要散熱時 應在蓋門或側板上開設通風口 常見的通風口或孔如上圖所示 機械結構設計的任務和特點 機械結構設計的任務 機械結構設計的任務是在總體設計的基礎上 根據所確定的原理方案 確定并繪出具體的結構圖 以體現所要求的功能 是將抽象的工作原理具體化為某類構件或零部件 具體內容為在確定結構件的材料 形狀 尺寸 公差 熱處理方式和表面狀況的同時 還須考慮其加工工藝 強度 剛度 精度以及與其它零件相互之間關系等問題 所以 結構設計的直接產物雖是技術圖紙 但結構設計工作不是簡單的機械制圖 圖紙只是表達設計方案的語言 綜合技術的具體化是結構設計的基本內容 機械結構設計特點 機械結構設計的主要特點有 1 它是集思考 繪圖 計算 有時進行必要的實驗 于一體的設計過程 是機械設計中涉及的問題最多 最具體 工作量最大的工作階段 在整個機械設計過程中 平均約80 的時間用于結構設計 對機械設計的成敗起著舉足輕重的作用 2 機械結構設計問題的多解性 即滿足同一設計要求的機械結構并不是唯一的 3 機械結構設計階段是一個很活躍的設計環節 常常需反復交叉的進行 為此 在進行機械結構設計時 必須了解從機器的整體出發對機械結構的基本要求 機械結構件的結構要素和設計方法 1結構件的幾何要素2結構件之間的聯接3結構件的材料及熱處理 結構件的幾何要素 機械結構的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關系實現的 零部件的幾何形狀由它的表面所構成 一個零件通常有多個表面 在這些表面中有的與其它零部件表面直接接觸 把這一部分表面稱為功能表面 在功能表面之間的聯結部分稱為聯接表面 零件的功能表面是決定機械功能的重要因素 功能表面的設計是零部件結構設計的核心問題 描述功能表面的主要幾何參數有表面的幾何形狀 尺寸大小 表面數量 位置 順序等 通過對功能表面的變異設計 可以得到為實現同一技術功能的多種結構方案 結構件之間的聯接 在機器或機械中 任何零件都不是孤立存在的 因此在結構設計中除了研究零件本身的功能和其它特征外 還必須研究零件之間的相互關系 零件的相關分為直接相關和間接相關兩類 凡兩零件有直接裝配關系的 成為直接相關 沒有直接裝配關系的相關成為間接相關 間接相關又分為位置相關和運動相關兩類 位置相關是指兩零件在相互位置上有要求 如減速器中兩相鄰的傳動軸 其中心距必須保證一定的精度 兩軸線必須平行 以保證齒輪的正常嚙合 運動相關是指一零件的運動軌跡與另一零件有關 如車床刀架的運動軌跡必須平行于于主軸的中心線 這是靠床身導軌和主軸軸線相平行來保證的 所以 主軸與導軌之間位置相關 而刀架與主軸之間為運動相關 多數零件都有兩個或更多的直接相關零件 故每個零件大都具有兩個或多個部位在結構上與其它零件有關 在進行結構設計時 兩零件直接相關部位必須同時考慮 以便合理地選擇材料的熱處理方式 形狀 尺寸 精度及表面質量等 同時還必須考慮滿足間接相關條件 如進行尺寸鏈和精度計算等 一般來說 若某零件直接相關零件愈多 其結構就愈復雜 零件的間接相關零件愈多 其精度要求愈高 例如 軸轂聯接見圖 結構設計據結構件的材料及熱處理不同應注意的問題 機械設計中可以選擇的材料眾多 不同的材料具有不同的性質 不同的材料對應不同的加工工藝 結構設計中既要根據功能要求合理地選擇適當的材料 又要根據材料的種類確定適當的加工工藝 并根據加工工藝的要求確定適當的結構 只有通過適當的結構設計才能使所選擇的材料最充分的發揮優勢 設計者要做到正確地選擇材料就必須充分地了解所選材料的力學性能 加工性能 使用成本等信息 結構設計中應根據所選材料的特性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設計原則 如 鋼材受拉和受壓時的力學特性基本相同 因此鋼梁結構多為對稱結構 鑄鐵材料的抗壓強度遠大于抗拉強度 因此承受彎矩的鑄鐵結構截面多為非對稱形狀 以使承載時最大壓應力大于最大拉應力 圖示為兩種鑄鐵支架比較 鋼結構設計中通常通過加大截面尺寸的方法增大結構的強度和剛度 但是鑄造結構中如果壁厚過大則很難保證鑄造質量 所以鑄造結構通常通過加筋板和隔板的方法加強結構的剛度和強度 塑料材料由于剛度差 鑄造后的冷卻不均勻造成的內應力極易引起結構的翹曲 所以塑料結構的筋板與壁厚相近并均勻對稱 對于需要熱處理加工的零件 在進行結構設計時的要求有如下幾點 1 零件的幾何形狀應力求簡單 對稱 理想的形狀為球形 2 具有不等截面的零件 其大小截面的變化必須平緩 避免突變 如果相鄰部分的變化過大 大小截面冷卻不均 必然形成內應力 3 避免銳邊尖角結構 為了防止銳邊尖角處熔化或過熱 一般在槽或孔的邊緣上切出2 mm的倒角 4 避免厚薄懸殊的截面 厚薄懸殊的截面在淬火冷卻時易變形 開裂的傾向較大 機械結構設計的基本要求和設計準則 1機械結構設計的基本要求 2機械結構基本設計準則 機械產品應用于各行各業 結構設計的內容和要求也是千差萬別 但都有相同的共性部分 下面就機械結構設計的三個不同層次來說明對結構設計的要求 機械結構設計的基本要求 1 功能設計滿足主要機械功能要求 在技術上的具體化 如工作原理的實現 工作的可靠性 工藝 材料和裝配等方面 2 質量設計兼顧各種要求和限制 提高產品的質量和性能價格比 它是現代工程設計的特征 具體為操作 美觀 成本 安全 環保等眾多其它要求和限制 在現代設計中 質量設計相當重要 往往決定產品的競爭力 那種只滿足主要技術功能要求的機械設計時代已經過去 統籌兼顧各種要求 提高產品的質量 是現代機械設計的關鍵所在 與考慮工作原理相比 兼顧各種要求似乎只是設計細節上的問題 然而細節的總和是質量 產品質量問題不僅是工藝和材料的問題 提高質量應始于設計 3 優化設計和創新設計用結構設計變元等方法系統地構造優化設計空間 用創造性設計思維方法和其它科學方法進行優選和創新 對產品質量的提高永無止境 市場的競爭日趨激烈 需求向個性化方向發展 因此 優化設計和創新設計在現代機械設計中的作用越來越重要 它們將是未來技術產品開發的競爭焦點 結構設計中得到一個可行的結構方案一般并不很難 機械設計的任務是在眾多的可行性方案中尋求較好的或是最好的方案 結構優化設計的前提是要能構造出大量可供優選的可能性方案 即構造出大量的優化求解空間 這也是結構設計最具創造性的地方 結構優化設計目前基本仍局限在用數理模型描述的那類問題上 而更具有潛力 更有成效的結構優化設計應建立在由工藝 材料 聯接方式 形狀 順序 方位 數量 尺寸等結構設計變元所構成的結構設計解空間的基礎上 機械結構基本設計準則 機械設計的最終結果是以一定的結構形式表現出來的 按所設計的結構進行加工 裝配 制造成最終的產品 所以 機械結構設計應滿足作為產品的多方面要求 基本要求有功能 可靠性 工藝性 經濟性和外觀造型等方面的要求 此外 還應改善零件的受力 提高強度 剛度 精度和壽命 因此 機械結構設計是一項綜合性的技術工作 由于結構設計的錯誤或不合理 可能造成零部件不應有的失效 使機器達不到設計精度的要求 給裝配和維修帶來極大的不方便 機械結構設計過程中應考慮如下的結構設計準則 1 實現預期功能的設計準則2 滿足強度要求的設計準則3 滿足剛度結構的設計準則4 考慮加工工藝的設計準則5 考慮裝配的設計準則6 考慮造型設計的準則 1 實現預期功能的設計準則 產品的設計主要目的是為了實現預定的功能要求 因此實現預期功能的設計準則是結構設計首先考慮的問題 要滿足功能要求 必須做到以下幾點 1 明確功能 結構設計是要根據其在機器中的功能和與其他零部件相互的連接關系 確定參數尺寸和結構形狀 零部件主要的功能有承受載荷 傳遞運動和動力 以及保證或保持有關零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等 設計的結構應能滿足從機器整體考慮對它的功能要求 2 功能合理的分配 產品設計時 根據具體情況 通常有必要將任務進行合理的分配 即將一個功能分解為多個分功能 每個分功能都要有確定的結構承擔 各部分結構之間應具有合理 協調的聯系 以達到總功能的實現 多結構零件承擔同一功能可以減輕零件負擔 延長使用壽命 V型帶截面的結構是任務合理分配的一個例子 纖維繩用來承受拉力 橡膠填充層承受帶彎曲時的拉伸和壓縮 包布層與帶輪輪槽作用 產生傳動所需的摩擦力 例如 若只靠螺栓預緊產生的摩擦力來承受橫向載荷時 會使螺栓的尺寸過大 可增加抗剪元件 如銷 套筒和鍵等 以分擔橫向載荷來解決這一問題 3 功能集中 為了簡化機械產品的結構 降低加工成本 便于安裝 在某些情況下 可由一個零件或部件承擔多個功能 功能集中會使零件的形狀更加復雜 但要有度 否則反而影響加工工藝 增加加工成本 設計時應根據具體情況而定 2 滿足強度要求的設計準則 1 等強度準則零件截面尺寸的變化應與其內應力變化相適應 使各截面的強度相等 按等強度原理設計的結構 材料可以得到充分的利用 從而減輕了重量 降低成本 如懸臂支架 階梯軸的設計等 見圖 2 合理力流結構為了直觀地表示力在機械構件中怎樣傳遞的狀態 將力看作猶如水在構件中流動 這些力線匯成力流 表示這個力的流動在結構設計考察中起著重要的作用 力流在構件中不會中斷 任何一條力線都不會突然消失 必然是從一處傳入 從另一處傳出 力流的另一個特性是它傾向于沿最短的路線傳遞 從而在最短路線附近力流密集 形成高應力區 其它部位力流稀疏 甚至沒有力流通過 從應力角度上講 材料未能充分利用 因此 若為了提高構件的剛度 應該盡可能按力流最短路線來設計零件的形狀 減少承載區域 從而累積變形越小 提高了整個構件的剛度 使材料得到充分利用 如懸臂布置的小錐齒輪 錐齒輪應盡量靠近軸承以減小懸臂長度 提高軸的彎曲強度 圖例舉幾個典型的實例 3 減小應力集中結構當力流方向急劇轉折時 力流在轉折處會過于密集 從而引起應力集中 設計中應在結構上采取措施 使力流轉向平緩 應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素 結構設計時 應盡量避免或減小應力集中 其方法在相應的章節會作介紹 如增大過度圓角 采用卸載結構等 如圖 4 使載荷平衡結構在機器工作時 常產生一些無用的力 如慣性力 斜齒輪軸向力等 這些力不但增加了軸和軸襯等零件的負荷 降低其精度和壽命 同時也降低了機器的傳動效率 所謂載荷平衡就是指采取結構措施部分或全部平衡無用力 以減輕或消除其不良的影響 這些結構措施主要采用平衡元件 對稱布置等 例如 同一軸上的兩個斜齒圓柱齒輪所產生的軸向力 可通過合理選擇輪齒的旋向及螺旋角的大小使軸向力相互抵消 使軸承負載減小 如圖 3 滿足結構剛度的設計準則為保證零件在使用期限內正常地實現其功能 必須使其具有足夠的剛度 4 考慮加工工藝的設計準則機械零部件結構設計的主要目的是 保證功能的實現 使產品達到要求的性能 但是 結構設計的結果對產品零部件的生產成本及質量有著不可低估的影響 因此 在結構設計中應力求使產品有良好的加工工藝性 所謂好的加工工藝指的是零部件的結構易于加工制造 任何一種加工方法都有可能不能制造某些結構的零部件 或生產成本很高 或質量受到影響 因此 對于設計者認識一種加工方法的特點非常重要 以便在設計結構時盡可能的揚長避短 實際中 零部件結構工藝性受到諸多因素的制約 如生產批量的大小會影響坯件的生成方法 生產設備的條件可能會限制工件的尺寸 此外 造型 精度 熱處理 成本等方面都有可能對零部件結構的工藝性有制約作用 因此 結構設計中應充分考慮上述因素對工藝性的影響 5 考慮裝配的設計準則裝配是產品制造過程中的重要工序 零部件的結構對裝配的質量 成本有直接的影響 有關裝配的結構設計準則簡述如下 1 合理劃分裝配單元整機應能分解成若干可單獨裝配的單元 部件或組件 以實現平行且專業化的裝配作業 縮短裝配周期 并且便于逐級技術檢驗和維修 2 使零部件得到正確安裝保證零件準確的定位 圖所示的兩法蘭盤用普通螺栓連接 圖 a 所示的結構無徑向定位基準 裝配時不能保證兩孔的同軸度 圖 b 以相配的圓柱面作為定位基準 結構合理 避免雙重配合 圖5 8 a 中的零件A有兩個端面與零件B配合 由于制造誤差 不能保證零件A的正確位置 圖5 8 b 結構合理 防止裝配錯誤 圖所示軸承座用兩個銷釘定位 圖 a 中兩銷釘反向布置 到螺栓的距離相等 裝配時很可能將支座旋轉180 安裝 導致座孔中心線與軸的中心線位置偏差增大 因此 應將兩定位銷布置在同一側 或使兩定位銷到螺栓的距離不等 3 使零部件便于裝配和拆卸結構設計中 應保證有足夠的裝配空間 如扳手空間 避免過長配合以免增加裝配難度 使配合面擦傷 如有些階梯軸的設計 為便于拆卸零件 應給出安放拆卸工具的位置 如軸承的拆卸 如圖 6 考慮造型設計的準則產品的設計不僅要滿足功能要求 而且還應考慮產品造型的美學價值 使之對人產生吸引力 從心理學角度看 人60 的決定取決于第一印象 技術產品的社會屬性是商品 在買方市場的時代 為產品設計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設計要求 同時造型美觀的產品可使操作者減少因精力疲憊而產生的誤操作 外觀設計包括三個方面 造型 顏色和表面處理 考慮造型時 應注意下述三個問題 1 尺寸比例協調在結構設計時 應注意保持外形輪廓各部分尺寸之間均勻協調的比例關系 應有意識地應用 黃金分割法 來確定尺寸 使產品造型更具美感 2 形狀簡單統一機械產品的外形通常由各種基本的幾何形體 長方體 圓柱體 錐體等 組合而成 結構設計時 應使這些形狀配合適當 基本形狀應在視覺上平衡 接近對稱又不完全對稱的外形易產生傾倒的感覺 盡量減少形狀和位置的變化 避免過分凌亂 改善加工工藝 3 色彩 圖案的支持和點綴在機械產品表面涂漆 除具有防