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钣金中的展开计算
一、钣金的计算方法概论
钣金零件的工程师和钣金材料的销售商为保证最终折弯成型后零件所期望的尺寸，会利用各种不同的算法来计算展开状态下备料的实际长度。其中最常用的方法就是简单的“掐指规则”，即基于各自经验的算法。通常这些规则要考虑到材料的类型与厚度，折弯的半径和角度，机床的类型和步进速度等等。
总结起来，如今被广泛采纳的较为流行的钣金折弯算法主要有两种，一种是基于折弯补偿的算法，另一种是基于折弯扣除的算法。
为了更好地理解在钣金设计的计算过程中的一些基本概念，先了解以下几点：
1、折弯补偿和折弯扣除两种算法的定义，它们各自与实际钣金几何体的对应关系
2、折弯扣除如何与折弯补偿相对应，采用折弯扣除算法的用户如何方便地将其数据转换到折弯补偿算法
3、K因子的定义，实际中如何利用K因子，包括用于不同材料类型时K因子值的适用范围
二、折弯补偿法
为更好地理解折弯补偿，请参照图1中表示的是在一个钣金零件中的单一折弯。图2是该零件的展开状态。
折弯补偿算法将零件的展开长度(LT)描述为零件展平后每段长度的和再加上展平的折弯区域的长度。展平的折弯区域的长度则被表示为“折弯补偿”值(BA)。因此整个零件的长度就表示为方程(1)：
LT = D1 + D2 + BA (1)
折弯区域（图中表示为淡黄色的区域）就是理论上在折弯过程中发生变形的区域。简而言之，为确定展开零件的几何尺寸，让我们按以下步骤思考：
1、将折弯区域从折弯零件上切割出来
2、将剩余两段平坦部分平铺到一个桌子上
3、计算出折弯区域在其展平后的长度
4、将展平后的弯曲区域粘接到两段平坦部分之间，结果就是我们需要的展开后的零件
图1
5. K-因子法
K-因子是描述钣金折弯在广泛的几何形状参数情形下如何弯曲/展开的一个独立值。也是一个用于计算在各种材料厚度、折弯半径/折弯角度等广泛情形下的弯曲补偿(BA)的一个独立值。图4和图5将用于帮助我们了解K-因子的详细定义。
我们可以肯定在钣金零件的材料厚度中存在着一个中性层或轴，钣金件位于弯曲区域中的中性层中的钣金材料既不伸展也不压缩，也就是在折弯区域中唯一不变形的地方。在图4和图5中表示为粉红区域和蓝色区域的交界部分。在折弯过程中，粉红区域会被压缩，而蓝色区域则会延伸。如果中性钣金层不变形，那么处于折弯区域的中性层圆弧的长度在其弯曲和展平状态下都是相同的。所以，BA(折弯补偿)就应该等于钣金件的弯曲区域中中性层的圆弧的长度。该圆弧在图4中表示为绿色。钣金中性层的位置取决于特定材料的属性如延展性等。假设中性钣金层离表面的距离为“t”，即从钣金零件表面往厚度方向进入钣金材料的深度为t。因此，中性钣金层圆弧的半径可以表示为(R+t).利用这个表达式和折弯角度，中性层圆弧的长度(BA)就可以表示为：
BA = Pi**(R+T)A/180
为简化表示钣金中性层的定义，同时考虑适用于所有材料厚度，引入k-因子的概念。具体定义是：K-因子就是钣金的中性层位置厚度与钣金零件材料整体厚度的比值，即：
K = t/T
因此，K的值总是会在0和1之间。一个k-因子如果为0.25的话就意味着中性层位于零件钣金材料厚度的25%处，同样如果是0.5，则意味着中性层即位于整个厚度50%的地方，以此类推。综合以上两个方程，我们可以得到以下的方程(8)：
BA = Pi(R+K*T)A/180 (8)
其中几个值如A、R和T都是由实际的几何形状确定的。所以回到原来的问题，K-因子到底从何而来？同样，回答还是那几个老的来源，即钣金材料供应商、试验数据、经验、手册等。但是，在有些情况下，给定的值可能不是明显的K，也可能不完全表达为方程(8)的形式，但无论如何，即使表达形式不完全一样，我们也总是能据此找到它们之间的联系。
例如，如果在某些手册或文献中描述中性轴（层）为“定位在离钣料表面0.445x材料厚度”的地方，显然这就可以理解为K因子为0.445，即K=0.445。这样如果将K的值代入方程(8)后则可以得到以下算式：
BA = A (0.01745R + 0.00778T)
如果用另一种方法改造一下方程(8)，把其中的常量计算出结果，同时保留住所有的变量，则可得到：
BA = A (0.01745 R + 0.01745 K*T)
比较一下以上的两个方程，我们很容易得到：0.01745xK=0.00778,实际上也很容易计算出K=0.445。
仔细地研究后得知，在SolidWorks系统中还提供了以下几类特定材料在折弯角为90度时的折弯补偿算法，具体计算公式如下：
软黄铜或软铜材料：BA = (0.55 * T) + (1.57 * R)
半硬铜或黄铜、软钢和铝等材料：BA = (0.64 * T) + (1.57 * R)
青铜、硬铜、冷轧钢和弹簧钢等材料：BA = (0.71 * T) + (1.57 * R)
实际上如果我们简化一下方程(7)，将折弯角设为90度，常量计算出来，那么方程就可变换为：
BA = (1.57 * K * T) + (1.57 *R)
所以，对软黄铜或软铜材料，对比上面的计算公式即可得到1.57xK = 0.55，K=0.55/1.57=0.35。同样的方法很容易计算出书中列举的几类材料的k-因子值：
软黄铜或软铜材料：K = 0.35
半硬铜或黄铜、软钢和铝等材料：K = 0.41
青铜、硬铜、冷轧钢和弹簧钢等材料：K = 0.45
前面已经讨论过，有多种获取K-因子的来源如钣金材料供应商，试验数据，经验和手册等。如果我们要用K-因子的方法建立我们的钣金模型，我们就必须找到满足工程需求的K-因子值的正确来源，从而得到完全满足所期望精度的物理零件结果。
在一些情况下，因为要适应可能很广泛的折弯情形，仅靠输入单一的数字即使用单一的K-因子方法可能无法得到足够准确的结果。这种情况下，为了获得更为准确的结果，应该对整个零件的单个折弯直接使用BA值，或者使用折弯表描述整个范围内不同的A、R、T的所对应的不同BA、BD或K-因子值等。
在R≠0， θ=90°时；的折弯系数列表：（单位：mm）
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板材↓/板厚→ |
0.8 |
1.0 |
1.2 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
4.0 |
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冷板 |
1.5 |
1.8 |
2.1 |
2.5 |
3.2 |
4.0 |
4.7 |
6.2 |
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铝板 |
— |
1.5 |
1.9 |
2.3 |
3.1 |
3.8 |
4.4 |
6.1 |
注意：折弯系数不是绝对的，各加工工厂的钣金工艺工程师会根据所用GB材料以及加工机器而略有微弱变化。
三.展开计算方法
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一般折弯1 (R=0, θ=90°):
1. 当0<T≦0.3时, L=0
2. 对于铁材 (如GI﹑SGCC﹑SECC﹑CRS﹑SPTE﹑SUS等):
(1) 当0.3<T<1.5时, L=0.4T
(2) 当1.5≦T<2.5时, L =0.35T
(3) 当 T≧2.5时, L =0.3T
3. 对于其它有色金属材料 (如Al﹑Cu等):
当 T>0.3时, L =0.4T |
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一般折弯2 (R≠0, θ=90°):
当用折刀加工时:
1. 当R≦2.0时, 按R=0处理.
L’= L+2R (L为R=0时L值)
2. 当R>2.0时, 按原值处理.
(1) 当T<1.5时, L = PI*(R+0.5*T)/2
(2) 当1.5≦T时, L = PI*(R+0.4*T)/2 |
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一般折弯 3 (R=0, θ≠90°):
1. 当T￡0.3 时, L’=0
2. 当T$0.3时, L’= (u / 90) * L
注: L为θ=90°时的补偿量. |
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一般折弯4 (R≠0 , θ≠90°):
当用折刀加工时:
1. 当R<2.0时, 按R=0处理.
L’=θ/90* L +2*R*TAN(θ/2)
注: L为θ=90°时的补偿量.
2 当R>2.0时, 按原值处理.
(1). 当T￠1.5 时, L’=θ*PI*(R+0.5*T)/180
(2). 当T/1.5时, L’=θ*PI*(R+0.4T)/180 |
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Z折1 (直边段差):
样品方式制作展开方法:
1. 当H/5T时, 分两次成型时, 按两个90°折弯计算.
2.当H￠5T时, 一次成型,
(1). 若R=0,则L’=L;
(2). 若R≠0,且只有一内角不为零,则L’=L+2R;
(3). 若R≠0,且两内角都不为零,则L’=L+4R.
注: L值依附件一中参数取值. |
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Z折2 (非平行直边段差):
展开方法与平行直边Z折方法相同 (如上栏), 高度H取值见图示.
注:对于非直角折弯,若R≠0,补偿量应加上的是2*R*TAN(θ/2) |
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Z折3 (斜边段差):
1. 当H￠2T时
j当θ≦70°时,按Z折1(直边段差)的方式计算, (此时L=0.2).
k当θ>70°时完全按Z折1(直边段差)的方式计算
2. 当H/2T时, 按两段折弯展开(R=0 θ≠90°). |
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Z折4(过渡段为两圆弧相切):
1. H≦2T 段差过渡处为非直线段为两圆弧相切展开时,则取两圆弧相切点处作垂线,以保证固定边尺寸偏移以一个料厚处理,然后按Z折1(直边段差)方式展开
2. H>2T,请示后再行处理 |
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反折压平:
L=1.6T
1. 压平的时候, 可视实际的情况考虑是否在折弯前压线, 压线位置为折弯变形区中部.
2. 反折压平一般分两步进行:
先V折30°, 再反折压平.
故在作展开图折弯线时, 须按30°折弯线画, 如图所示: |
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N折:
1. 当N折加工方式为垫片反折压平,L值依附件一中参数取值.
2. 当N折以其它方式加工时, 展开算法参见 “一般折弯4 (R≠0, θ≠90°)”.
3. 如果折弯处为直边 (H段), 则按两次折弯成形计算: L’= 2L (L值取90°折弯变形区宽度). |
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抽孔
抽孔尺寸计算原理为体积不变原理,即抽孔前后材料体积不变;一般抽孔 ,按下列公式计算, 式中参数见右图 (设预冲孔为X, 并加上修正系数–0.1):
1. 若抽孔为抽牙孔(抽孔后攻牙), 则S按下列原则取值:
T≦0.5时取S=100%T
0.5<T<0.8时取S=70%T
T≧0.8时取S=65%T
一般常见抽牙预冲孔按附件一取值
2. 若抽孔用来铆合, 则取S=50%T, H=T+T’+0.4 (注: T’是与之相铆合的板厚, 抽孔与色拉孔之间隙为单边0.10~0.15)
3. 若原图中抽孔未作任何标识与标注, 则保证抽孔后内外径尺寸;
4. 当预冲孔径计算值小于1.0时, 一律取1.0 |
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其它参考：
一.冷轧钢板SPCC(电镀锌板SECC)
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板厚→ |
0.8 |
1.0 |
1.2 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
3.5 |
4.0 |
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角度↓ |
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90° |
1.4 |
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120° |
0.7 |
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150° |
0.2 |
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90° |
1.5 |
1.7 |
2.0 |
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120° |
0.7 |
0.86 |
1.0 |
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150° |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
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90° |
1.6 |
1.8 |
2.1 |
2.4 |
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|
120° |
0.8 |
0.9 |
1.0 |
|
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|
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|
150° |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
|
|
|
|
|
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90° |
1.6 |
1.9 |
2.2 |
2.5 |
|
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30° |
0.3 |
0.34 |
0.4 |
0.5 |
|
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45° |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
1.0 |
|
|
|
|
|
|
60° |
1.0 |
1.1 |
1.3 |
1.5 |
|
|
|
|
|
|
120° |
0.8 |
0.9 |
1.1 |
1.3 |
|
|
|
|
|
|
150° |
0.3 |
0.3 |
0.2 |
0.5 |
|
|
|
|
|
|
90° |
|
|
|
2.7 |
3.2 |
|
|
|
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|
120° |
|
|
|
1.3 |
1.6 |
|
|
|
|
|
150° |
|
|
|
0.5 |
0.5 |
|
|
|
|
|
90° |
|
|
|
2.8 |
3.4 |
4.1 |
|
|
|
|
30° |
|
|
|
0.5 |
0.6 |
0.7 |
|
|
|
|
45° |
|
|
|
1.0 |
1.3 |
1.5 |
|
|
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|
60° |
|
|
|
1.7 |
2 |
2.4 |
|
|
|
|
120° |
|
|
|
1.4 |
1.7 |
2.0 |
|
|
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|
150° |
|
|
|
0.5 |
0.6 |
0.7 |
|
|
|
|
90° |
|
|
|
|
|
4.3 |
4.7 |
|
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|
120° |
|
|
|
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|
2.1 |
|
|
|
|
150° |
|
|
|
|
|
0.7 |
|
|
|
|
90° |
|
|
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|
|
4.5 |
5.0 |
|
|
|
120° |
|
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|
2.2 |
|
|
|
|
150° |
|
|
|
|
|
0.8 |
|
|
|
|
90° |
|
|
|
|
|
4.6 |
|
|
6.2 |
|
120° |
|
|
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|
|
2.3 |
|
|
|
|
150° |
|
|
|
|
|
0.8 |
|
|
|
|
90° |
|
|
|
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|
4.8 |
5.1 |
|
6.6 |
|
120° |
|
|
|
|
|
2.3 |
|
|
3.3 |
|
150° |
|
|
|
|
|
0.8 |
|
|
1.1 |
|
90° |
|
|
|
|
|
|
5.7 |
6.4 |
7.0 |
|
120° |
|
|
|
|
|
|
2.8 |
3.1 |
3.4 |
|
150° |
|
|
|
|
|
|
1.0 |
1.0 |
1.2 |
|
90° |
|
|
|
|
|
|
|
|
7.5 |
|
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
|
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
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— |
— |
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— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
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二.压铆螺件底孔尺寸表
1.压铆螺母柱
|
型号 |
代号 |
底孔尺寸(mm) |
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M3×0.5 |
(B)SO(O)(S)-M3-H |
5.4 |
|
M3×0.5 |
(B)SO(O)(S)-3.5M3-H |
5.4 |
|
M4×0.7 |
(B)SO(O)(S)-M4-H |
6.0 |
|
M4×0.7 |
(B)SO(O)(S)-3.5M4-H |
7.2 |
|
M5×0.8 |
(B)SO(O)(S)-M5-H |
7.2 |
|
M6×1.0 |
(B)SO(O)(S)-M6-H |
8.7 |
注：SO SOS 为通孔不通牙，SOO SOOS 为通孔通牙，加B为不通孔，
加S为不锈钢材料，H为螺母柱的高度。
2.压铆螺母
|
型号 |
代号 |
底孔尺寸(mm) |
|
M2×0.4 |
S(CLS)-M2-A |
4.2 |
|
M2.5×0.45 |
S(CLS)-M2.5-A |
4.2 |
|
M3×0.5 |
S(CLS)-M3-A |
4.2 |
|
M4×0.7 |
S(CLS)-M4-A |
5.4 |
|
M5×0.8 |
S(CLS)-M5-A |
6.4 |
|
M6×1.0 |
S(CLS)-M6-A |
8.7 |
注：CLS为不锈钢材料，S为普通A3钢，A为螺母适用板厚材代号。
3.镶入螺母
|
型号 |
代号 |
底孔尺寸(mm) |
|
M2×0.4 |
F(S)-M2-A |
4.3 |
|
M2.5×0.45 |
F(S)-M2.5-A |
4.3 |
|
M3×0.5 |
F(S)-M3-A |
4.3 |
|
M4×0.7 |
F(S)-M4-A |
7.4 |
|
M5×0.8 |
F(S)-M5-A |
7.9 |
|
M6×1.0 |
F(S)-M6-A |
8.7 |
注：加S为不锈钢材料，A为螺母适用板厚代号。
4.涨铆螺母
|
型号 |
代号 |
底孔尺寸(mm) |
|
M3×0.5 |
Z-(S)-M3-1.2(1.5,2.0) |
5.0 |
|
M4×0.7 |
Z-(S)-M4-1.2(1.5,2.0) |
6.0 |
|
M5×0.8 |
Z-(S)-M5-1.2(1.5,2.0) |
8.0 |
|
M6×1.0 |
Z-(S)-M6-1.2(1.5,2.0) |
9.0 |
|
M8×1.25 |
Z-(S)-M8-1.2(1.5,2.0) |
11.0 |
注：加S为不锈钢材料，1.2、1.5、2.0为常用适用板厚。
5.压铆螺钉
|
型号 |
代号 |
底孔尺寸(mm) |
|
M2.5×0.45 |
FH(S)-M2.5-L |
2.5 |
|
M3×0.5 |
FH(S)-M3-L |
3 |
|
M3×0.5 |
NFH(S)-M3-L |
4.8 |
|
M4×0.7 |
FH(S)-M4-L |
4 |
|
M4×0.7 |
NFH(S)-M4-L |
4.8 |
|
M5×0.8 |
FH(S)-M5-L |
5 |
|
M6×1.0 |
FH(S)-M6-L |
6 |
注：加S为不锈钢材料，FH为圆头，NFH为六角头，L为螺钉总长度。
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