电子设备结构设计的工艺性.pdf
电子设备结构设计的工艺性电子设备结构设计的工艺性生建友（总参第 63 研究所，江苏南京210007）摘要：阐述了结构工艺性的基本概念，分析了提高电子设备结构工艺性的主要措施，详细讨论了电子设备机箱结构设计的工艺性。关键词：结构设计；机箱；工艺性；弯曲；铸造；焊接；工程塑料中图分类号：T703文献标识码：B文章编号：1004-4507（2003）01-0000-00Technology in Construct Design of Electronic EguipmentSENG Jian-you（No.63 Research Institute of PLA GeneraI Staff）Abstract：This paper expIains the basic concept of construct technoIogy，anaIyses the main measures for im-proving construct technoIogy of eIectronic eguipment，and discusses the construct design s technoIogy of eIec-tronic eguipment s encIosure in detaiI.Keywords：Construct Design；EncIosure；TechnoIogy；Bending；Casting；WeIding；Engineering PIastic随着科学技术的不断进步，电子设备的性能、质量、可靠性要求越来越高，电子设备的性能、质量、可靠性主要取决于电路、软件、结构这三部分，任何电子设备都是机与电的完美结合。相同的设备，谁的外型美观、制造精良、价格相对便宜，谁的竞争力就强，而要生产出这样的设备，其结构设计就必须具有良好的工艺性。“一个好的结构设计师，首先是一个好的工艺师”，这个观点很有道理，这就要求结构设计师既要掌握结构设计的专业知识，又要掌握相关的工艺技术，只有这样，设计的设备其结构才具有良好的工艺性，当然，要真正做到、做好这一点还是比较困难的。设备的结构工艺性好，能大大减少研制时间，节约成本。由于军用电子设备的特殊性，如品种多、数量少、研制周期短、使用环境恶劣等，其结构工艺性要求较民用设备来说更高，这也是从事军用电子设备结构设计的设计师所面临并要加强研究的课题。1结构工艺性概述所谓结构工艺性是指产品结构所具有的一种性收稿日期：2002-12-10作者简介：生建友（1968），男，江苏泰兴人，工程师，硕士，现主要从事通信设备结构设计研究。!制造与工艺电子工业专用设备Eguipment for Electronic Products ManufacturingEPE!#（总第 102 期）!#!#质，就是在某一生产规模条件下，以完全满足产品性能为前提，能够使用生产成本低、生产效率高的工艺过程的性质。所谓结构工艺性好，就是能够优质、高效、低成本地进行产品的生产。当然，说某个产品的工艺性好是有条件的，相对的，例如，某种结构在某一生产条件下（包括加工者、设备、工艺方法）可能是好加工的，成本是低的，但随着产品数量的增加及生产规模的改变，这种结构就不一定能适应新的加工方法。在考察设备的结构工艺性时，应统筹兼顾，全面评定，不能认为某个零件的工艺性得到改善，就认为整个产品的工艺性好，因为也许降低了某个零件的加工成本，会使整个产品的加工成本增加。同样，不能认为产品的加工工艺性好，就认为产品的结构工艺性好，还必须要考虑产品的装配工艺。结构工艺性好必须以满足产品的性能为前提，不能认为某种结构在使用中不可靠，只是好加工就认为是结构工艺性好，同样，有时为了改善结构的工作性能，虽然在加工中增加了一些加工成本，也不能讲结构工艺性就不好。衡量产品的结构工艺性应从以下几个方面综合评价：t产品中各种不同作用的零件数量，数量越少，其结构工艺性好；o产品中零件的重复性，零件的重复性越大，加工、生产越方便，其结构工艺性越好；产品的标准化程度，标准化程度越高，加工效率高，工艺装夹费用低，结构工艺性好；结构的继承性，继承性好，重新加工的零部件就少，成本就低；产品零件工艺的复杂程度，工艺简单，则易加工，成本低；材料的利用率，即零件加工余量的多少，加工余量小不仅可以节省材料，还可以节省工时，从而降低生产消耗，其结构工艺性好；产品装配的复杂程度，产品易装配，则装配工作量少，装配成本低，结构工艺性好。!提高结构工艺性的技术措施结构工艺性所涉及的内容比较多、范围比较广，不同的结构形式其相应的加工、装配工艺是不同的，但不管是何种结构形式，提高其结构工艺性的技术措施是通用的：t简化结构设计，尽量用最少的零件组成设备的执行机构，同时，零件本身要尽量减少平面加工尺寸，这样，在其它条件相同时，就可以减少零件的总数以及装配后的累计误差。o结构设计中，尽量采用标准化、通用化的零部件，可使设备中不同的功能单元使用同一种零部件，从而增加相同零件的数量，为采用高效率的生产工艺创造条件。将复杂的结构化分为几个独立的装配单元，提高装配工艺性。扩展结构的继承性，结构设计时，要充分考虑设备结构的继承性，要有超前意识，用发展的眼光看问题，要考虑到电子设备未来改型时，做到少改动或不改动结构，或少加工甚至不加工零件，就能使设备结构满足未来改型设计的需要。所设计的零部件要能适应当时的加工水平，并适于采用相应的较为先进的生产工艺。选用加工性能好的材料，这是提高设备结构工艺性的基础，否则，会增加加工工时，而且会造成刀具、辅助材料的过多消耗，增加生产成本。材料的加工性能包括可切削性、可塑性、焊接性、耐腐蚀性、热处理性能等。设备中机械零件的结构工艺性机械零件是电子设备的基础件，其工艺性好坏直接影响到设备的结构工艺性。电子设备结构中常用的机械零件主要有以下几类：t轴，长径比超过!的旋转体零件，主要用于支承或传递扭矩。o套，主要起支承或导向作用，如各种衬套。板，主要用于安装电子元器件、连接器、显示器等，如设备的前后面板、机芯安装板等。箱（盒、壳）体，下面统称为箱体，它是将设备的轴、套、板等零件装备在一起，并保证其正确的相对位置，从而构成整机的一个重要零件。考虑到轴、套、板类零件的生产工艺相对比较简单，本文对它们不做详细讨论，主要讨论箱体的结构工艺性。箱体是电子设备的外壳，是一种箱形结构体，通常要根据设备的实际使用环境来设计相应的结构形式，并采取相应的生产工艺。目前，常使用的有钣金EPE电子工业专用设备Eguipment for Electronic Products Manufacturing制造与工艺!#!#（总第#$期）O 9结构、铸造结构、焊接结构、塑料机箱等 4 种。!.板金结构钣金结构主要利用弯曲工艺，将型材、板材弯曲成一定角度形成一定形状而成。弯曲是利用材料的塑性进行加工的一种工艺方法。设计钣金结构机箱时，要注意以下几个工艺问题：（l）弯曲园角半径，这里的园角半径是指内缘半径。园角半径过小容易引发裂纹，园角半径过大容易引起回弹现象，而使设计的弯曲园角和半径尺寸得不到保证。不同的材料有不同的最小弯曲半径，设计的半径要以此为依据。对形状近于对称的零件，两边的园角 半径尽量一致，以免弯曲时板料因受力不均而滑动。对带有翻边的零件，也应采用具有一定半径的弯边代替过急的折角。（2）回弹现象，回弹又叫回跳。由于弯曲过程包括塑性与弹性变形两个过程，因此，回弹现象是不可避免的。设计时，应制定合理的弯曲公差，太严的公差只能靠整形工序予以保证，或者用加强筋来抑制回弹，予以定形，或者通过改进模具结构来减弱回弹。（3）弯曲形状，机箱形状与尺寸应尽量对称，这样，可以防止弯曲过程中因受力不均匀，坯料发生滑移而影响弯曲精度，而且模具的寿命也长。（4）单边弯曲高度尺寸，钣金结构中，单边弯曲能起到加强筋的作用，有时甚至能安装电子元器件，单边弯曲高度值问题常常为设计人员所忽视。在弯曲园角半径确定的前提下，其单边弯曲高度值有一极限值，过小则在普通折弯机上无法实现，必须设计专用模具，从而增加加工成本。通常最小单边弯曲高度为最小弯曲半径加两倍材料厚度。（5）设计定位孔，为保证机箱在弯曲时不会移动，常须开设定位孔，因此，机箱设计时要充分考虑定位孔，并为其留好位置。（6）尺寸标注及公差的合理标注，机箱中的有些位置尺寸标注不当往往会影响到机箱弯曲后的质量，通常以机箱弯曲成型后的开放边为基准来标注相关位置尺寸。尺寸公差也是值得注意的问题，公差等级过高则增加成本，甚至无法实现，过小则影响设备的整机装配，具体的公差精度要视设备结构的复杂程度而定。!.#铸造结构所谓铸造：就是将液体金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型腔体中，冷却后获得零件或毛坯的方法。由于军用环境的特殊性，军用电子设备通常需要有“三防”功能，设备必须采用密封机箱，此时，可采用铸造结构或焊接结构机箱。铸造工艺可制成形状复杂且结构不对称的机箱。随着精密铸造技术的迅速发展，铸造精度能达到 ITl0 ITll 级，表面粗糙度可达 Ra6.3 0.8!m。设计铸造结构机箱应注意以下几个工艺问题：（l）箱体壁厚的确定。从节约材料、减轻设备重量的角度考虑，机箱壁越薄越好，从铸造工艺性考虑，薄壁结构铸造难度大，成本高。机箱壁太厚则流动性差，且容易形成气泡、缩孔等铸造缺陷，成本也高。因而，在决定机箱壁厚时，要从箱体大小、结构形式、铸造方法、材料、加工成本等多角度综合考虑。（2）机箱各连接处的过渡设计。机箱两个表面的连接处是铸造机箱结构设计的重点，在两个表面连接处，铸造金属不均匀的聚积会导致机箱内部不均匀的冷却，它是缩孔、缩松、内应力、裂纹等铸造缺陷产生的根源。因此，机箱的任何两个平面之间都应避免尖角相连，而应采用园角过渡，而且尽可能用同一园角。当两个平面壁厚相差很大，而又难以避免时，应设计坡度园角过渡区，或设计加强筋来加强等。（3）角部的园角度确定。机箱各角部的合适园角度是铸造结构的基本特征，园角过小，容易产生内应力，并导致裂纹。园角过大，则角部积聚的金属较多，容易引起缩孔等缺陷。通常取两连接壁厚算术平均值的 0.2 0.4 倍。（4）壁与壁间的连接园角的确定。如果两壁厚相同，则内园角取壁厚的 l/6 l/3，如两壁厚相差不大，则内园角取两壁厚平均值的 l/6 l/3。（5）筋的设计。有时为了机箱的强度、刚度需!制造与工艺电子工业专用设备Eguipment for Electronic Products ManufacturingEPE#$（总第 l02 期）!#!#要，需要设计加强筋，有时甚至利用加强筋来安装零件、元器件等。但是，在机箱外缘和拐角处不能设计加强筋，否则会产生局部应力而使金属破坏，产生裂纹。筋的厚度通常取壁厚的 O.7 O.9，筋的高度要小于 5 倍壁厚。（6）结构斜度。为便于起模，在机箱上垂直于分型面的不加工表面要设计有一定的斜度，这一斜度就叫结构斜度，结构斜度要在零件图上标注。值得注意的是：结构斜度与拔模斜度是有区别的，拔模斜度是铸造工艺斜度，不能混淆。（7）结构设计要考虑型芯因素。机箱的结构设计，要尽量做到少用甚至不用型芯。如果必须要用型芯，应采取相应措施，以便牢固地支持型芯，以保证浇铸时型芯的稳定性，还要注意能方便地清除型芯。!.!焊接结构焊接就是利用加热或加压等手段，使分离的金属材料牢固地连接在一起的一种工艺方法。设计焊接结构机箱时应注意以下几个工艺问题：（l）材料的焊接性。焊接性是指在一定的焊接工艺方法、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。众所周知，并非所有的材料都可以焊接，可焊接材料中也并非都有很好的焊接性能，因而，在满足设备使用性能要求的前提下，应选用焊接性较好的材料。表 l几种材料间的可焊接性能金属名称镀锌铁皮镁铝青 铜 黄 铜 不锈钢 碳 钢碳钢!不 锈 钢!黄铜!青铜!#!铝!镁!镀锌铁皮!表 l 列出了几种常用材料的可焊接性能，当然，它们与所采用的焊接方法是密切相关的。间结构刚度。合理布置箱体各焊接零件的相互位置，以保证箱体焊接的结构刚度。间应力集中。焊接结构截面变化大、过渡区较急陡、园角小，如果设计不当，会引起应力集中，从而导致结构破损和早期失效。基于以上问题，设计焊接结构时，在选好所用材料后，应着重考虑解决以下几个问题：（l）合理选择焊接接头，这是设计焊接结构首先需要确定的问题。焊接接头通常有以下几种：I 型、Y 型、U 型、V 型、双 Y 型、双 U 型、双 V 型以及锁边坡口等几种，具体的接头形式应视所用材料及具体结构而定。（2）尽量减少焊缝金属的填充量。填充量少，成本低，箱体受焊接过程影响小。（3）合理布置焊缝。焊缝布置合理，则可减少热变形和热应力，防止局部过热，从而保证焊接质量。设计焊缝时，应尽量设计为对称布置。值得注意的是，焊缝的布置应便于在焊接前采用点焊的办法，将整个机箱先连成一体，而且，焊缝的位置要便于施焊，否则影响焊接质量。（4）尽量避免和减少应力集中。由于焊缝本身是应力集中源，因而，焊接件在动载荷情况下特别容易在焊缝处产生裂纹。设计时，应尽量采用等厚度板料焊接，或加工成等厚度焊接的过渡区。（5）加工区域内尽量不布置焊缝，因为先焊后加工，会削弱焊缝强度，而且加工面的质量也得不到保证。（6）焊缝应避免过分集中或交叉，焊缝的数量要尽量少。!.塑料机箱近年来，随着材料科学研究的不断深入，工程塑料的广泛应用及加工工艺的不断改进，有一些工程塑料（如聚碳酸脂塑料）在强度、刚度方面已接近甚至超过金属，而且，工程塑料还具有造型美观、易加工成型、成本低等特点。随着工程塑料的机械稳定性、物理稳定性和化学稳定性的不断提高，用工程塑EPE电子工业专用设备Eguipment for Electronic Products Manufacturing制造与工艺$!#!#（总第 lO2 期）71料替代金属材料作为电子设备的结构件是电子设备发展的必然趋势。事实上，国外许多民用、军用电子设备的机箱和结构件都是采用工程塑料制成的，在国内，塑料机箱在民用电子设备中已得到了广泛应用，而在军用电子设备中的应用还不多。设计塑料机箱时应注意解决以下几个问题：（l）机箱壁厚应尽可能均匀一致，防止在成型过程中由于不均匀的凝固与收缩，在厚壁处易产生气泡和收缩变形，在急剧过渡处因收缩应力而引起裂纹。（2）机箱内外表面相连及拐角处应用园角过渡，如为尖角，则会产生应力集中，而影响到机箱的强度和质量。（3）机箱上的孔应尽可能设计在不易削弱机箱强度的地方，除相邻孔之间以及孔到边缘之间保留适当的距离，还应尽可能使有孔的部分壁厚厚一些，以防止孔眼处安装零件而破裂。（4）机箱上的凸出部分尽量设计在机箱的拐角处，而且凸出部分的高度不要超过孔径的两倍，并要有足够的倾斜角以便脱模。过高的凸出部分会关住气体，使这部分的强度和密度减小。（5）要设计合理的加强筋，以加强机箱的强度和刚度，防止翘曲。（6）要考虑箱体的脱模斜度，斜度的大小与塑料的性能、收缩率以及箱体的厚度、形状有关，通常取l5 l。!结束语电子设备结构设计的工艺性所涉及的内容相当复杂、广泛。有些工艺方法是相互交叉的，如钣金结构中焊接工艺是常用的。本文讨论的只是本人从事结构设计的一点经验，是初步的，不一定全面。工艺性是一门实践性很强的专业，设计人员只有到生产一线，深入了解生产单位的加工设备、工艺方法以及加工人员的素质等，才能设计出工艺性好的设备。参考文献：l王成焘.现代机械设计 思想与方法M.上海：上海科学技术文献出版社，l999.2端木时夏M.北京：仪器制造工艺学.机械工业出版社，l98l.3宋福生.电子机械零部件制造工艺学M.南京：东南大学出版社，l990.4董杰.机械设计工艺性手册M.上海：上海交通大学出版社，l99l.5杨兵论，陈艳华.电子钣金结构设计的工艺性J.舰船电子工程，200l.（4）：!26-3l.敬告语尊敬的读者、专家及业界的领导，为适应新的发展形势，很高兴 电子工业专用设备 经全面改版后与您见面了。本刊是在您多年关怀下，茁壮成长起来的，我们热忱希望您能一如既往地关心支持本刊，共同努力将本刊办成精品刊物，保进我国电子专用设备产业的蓬勃发展。本刊是在原有的基础上，由主办单位中国电子科技集团公司第四十五研究所与北京菲尔斯信息咨询有限公司共同推出的面向国内外公开发行的刊物。其办刊宗旨是：引导电子专用设备的技术应用，推动电子专用设备行业的市场发展，促进其学术与技术的交流，为促进电子专用设备产业发展服务。电子工业专用设备 的编研人员是一支以年青人为主体的充满朝气的队伍。我们深喑我国在此行业中创业的前辈们为“振兴我国集成电路产业”而付出了几多努力和艰辛；也庆幸我们赶上了我国集成电路产业快速发展的大好时机。铁肩担道义，妙手著文章。深信通过我们的不懈努力，电子工业专用设备 将伴随着中国集成电子产业的发展步伐一起走向美好的明天。电子工业专用设备 编辑部全体成员制造与工艺电子工业专用设备Eguipment for Electronic Products ManufacturingEPE!#（总第 l02 期）!#!#电子设备结构设计的工艺性电子设备结构设计的工艺性作者：生建友作者单位：总参第63研究所,江苏,南京,210007刊名：电子工业专用设备英文刊名：EQUIPMENT FOR ELECTRONIC PRODUCTS MANUFACTURING年，卷(期)：2003,32(1)被引用次数：1次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.王成焘 现代机械设计-思想与方法 19992.端木时夏 仪器制造工艺学 19813.宋福生 电子机械零部件制造工艺学 19904.董杰 机械设计工艺性手册 19915.杨兵论.陈艳华 电子钣金结构设计的工艺性期刊论文-舰船电子工程 2001(04)本文读者也读过(7条)本文读者也读过(7条)1.王伟新.赵林宏 新型总线式电子设备结构设计会议论文-20002.任海林.潘永强.REN Hai-lin.PAN Yong-qiang 基于Pro/E的雷达电子设备机箱的参数化设计期刊论文-电脑知识与技术2011,07(4)3.戈进飞.安彤.GE Jin-fei.AN Tong 机载气密式高压电源机箱结构设计期刊论文-电子机械工程2007,23(4)4.王美娥 有限元分析在结构设计中的应用期刊论文-航天控制2004,22(1)5.张金凤.程建平.巩瀛洲.ZHANG Jin-feng.CHENG Jian-ping.GONG Ying-zhou 高精度真空钎焊炉焊接6061机载计算机机箱期刊论文-真空2009,46(1)6.方伟奇.王克军.张明.FANG Wei-qi.WANG Ke-jun.ZHANG Ming 某机载电子设备结构设计期刊论文-电子机械工程2010,26(3)7.雷宏东.LEI Hong-dong 某型加固计算机的主机机箱结构设计期刊论文-机械管理开发2010,25(5)引证文献(1条)引证文献(1条)1.付高嵩 舰载电子机柜结构轻型化设计探讨期刊论文-舰船电子工程 2007(4)本文链接：http:/
