课堂讲解

课时区间 1：钣金基本术语

钣金（sheetmetal）到目前还没有一个比较完整的定义，国外某专业期刊将其定义为：钣金是针对金属薄板（通常在 6mm以下）的一种综合冷加工工艺，包括剪、冲/切/复合、折、焊接、铆接、拼接和成型等，其最显著的特征是零件壁厚均匀。

钣金设计中的基本术语有：规则折弯、滚动折弯、缝止裂槽、边缝、凹槽、分割边、尖角、拉伸壁、切割实体和展开等。

·规则折弯：在零件的平整部分创建直的折弯特征，它只包含一个草绘图元，并且不能与其他现有折弯交叉。

·滚动折弯：创建由草绘图元（显示折弯位置、折弯角度和折弯半径）指定的折弯特征。折弯角度为 0～180°。

·缝止裂槽：沿壁切割或撕裂钣金件时所采用的方法，有助于在建模时将材料拉伸考虑在内，从而满足设计意图。

·边缝：沿边切割或撕裂钣金件时所采用的方法，有助于在建模时将材料拉伸考虑在内，从而满足设计意图。

·凹槽：钣金件曲面或边上的切口。

·分割边：将一条边一分为二的特征。

·尖角：钣金件的两条边相交所形成的突出部分，该部分可通过切割或冲孔除掉。

·拉伸壁：从一条边拉伸到空间的钣金件实体结构。

·切割实体：从钣金件壁中移除材料的实体部分。

·展开：将成型钣金件中的折弯展平在零件主体平面内，从而为钣金下料提供指导。

课时区间 2：钣金工艺基础

钣金加工属于机械加工范畴，应用现代机械设备可以简化加工过程并提高加工质量。钣金原材料经过钣金加工可得到满足设计要求的钣金零件，这个加工过程称为钣金加工工艺流程。

1.钣金材料的选用

钣金零件的结构特征决定于钣金零件的应用场合，而它的结构决定着其加工过程，也就是所谓的工艺流程。钣金件有的要求密度小、强度高、外观宜人、导电性好，也有的要求成本低、硬度高，用在不同场合时所需的材料也不一样。

钣金加工一般用到冷轧板（SPCC），热轧板（SHCC），镀锌板（SECC、SGCC），铜（Cu，黄铜、紫铜、铍铜），铝板（6061、6063、硬铝等），铝型材，不锈钢（SUS），根据产品作用不同，选用材料也不一样。

表 1-1 中列出了常用钣金材料及代号。

2.钣金材料

（1）冷轧板

冷轧板SPCC主要用于电镀和烤漆件，成本低，易成型，材料厚度≤3.2mm。

·耐指纹，具有很优越的耐蚀性和较佳的烤漆性，而且保持了冷轧板的加工性。但是它无防锈能力，表面需电镀或烤漆处理。

·常用板厚（mm）：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0。

·用途：冷轧板广泛用于电源产品的机壳、面板、门板及内部结构件。如图 1-1 所示为电源产品的机壳、门板。

（2）热轧板

热轧板SHCC材料厚度≥3.0mm，多适用于电镀、烤漆，成本低，但难成型，主要用平板件，如图 1-2 所示。

（3）镀锌板

镀锌板SECC、SGCC。SECC电解板分N料、P料。N料主要不作表面处理，成本高；P料用于喷涂件。SECC的底材为一般的冷轧钢卷，在连续电镀锌产线经过脱脂、酸洗、电镀及各种后处理制程后，即成为电镀锌产品。SECC不但具有一般冷轧钢片的机械性能及近似的加工性，而且具有优越的耐蚀性及装饰性外观。在电子产品、家电及家具市场上具有很大的竞争性及取代性。例如目前电脑机箱普遍使用的就是SECC。

如图 1-3 所示为镀锌板喷涂件。

（4）铜

主要用做导电料件，其表面处理是镀镍、镀铬，或不作处理而采用钝化来防止其在空气中被氧化，成本高。如图 1-4 所示为导电铜板件图。

（5）铝板

强度较低，成型性能优良，焊接性和耐腐蚀性好，散热能力强，表面一般用铬酸盐（J11-A）氧化（导电氧化、化学氧化），成本高，有镀银、镀镍两种。

·用途：使用时表面需作拉丝氧化处理，常用于要求重量轻的机器上，如图 1-5 所示为冲孔铝板。

·常用板厚（mm）：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0。

（6）铝型材

截面结构复杂的料件，大量用于各种插箱中，表面处理同铝板，如图 1-6 所示为铝型材图。

（7）不锈钢

·不锈钢SUS301。铬（Cr）的含量较SUS304低，耐蚀性较差，但经过冷加工能获得很好的拉力和硬度，弹性较好，多用于弹片弹簧及防EMI。

·不锈钢SUS304。使用最广泛的不锈钢之一，因含镍（Ni）故比含铬（Cr）的钢富有耐蚀性和耐热性，拥有非常好的机械性能，无热处理硬化现象，无弹性。

不锈钢主要用于不作任何表面处理的场合，其成本高。

3.加工工艺

在设计产品零件时，必须考虑便于加工制造的问题。尽量想一些方法既能使加工容易，又能使材料节约，还能使强度增加。为此设计人员应该注意以下事项。

（1）冲切件原则

·冲切件形状原则。冲切件的形状应尽量简单，避免冲切件上的过长的悬臂狭槽，如图 1-8 所示。

图中 A 为悬臂槽宽度，不同材料对 A 值与板厚的要求也不一样，表 1-2 列出了常用材料悬臂槽与板厚尺寸关系。

·冲切废弃料原则。要求冲切弃料最少，提高原材料的利用率，减少不必要的浪费。如图 1-9（a）所示的零件，对外形结构经过改进后，变成如图 1-9（b）所示零件。改进之后，同样大小的原材料将会加工出更多的零件，从而提高材料利用率。

（2）冲孔件原则

·最小边距和孔间距原则。零件上冲孔设计应考虑留有合适的孔边距和孔间距以免冲裂。最小孔边距和孔间距如表 1-3 所示。

·圆孔最小直径或方孔的最小边长原则。冲孔时，孔的大小受冲头强度的限制，冲孔的尺寸不能太小，否则容易损坏冲头。最小冲孔直径、最小边长与板厚的关系如表 1-4所示。

·冲缺口原则。冲切缺口应尽量避免如图 1-10（a）所示的尖角。缺口为尖角的冲孔，将缩短模具使用寿命，并且在尖角处容易产生裂纹。将图示 1-10（a）改为如图 1-10（b）所示结构后，不仅能改善零件成型，还有利于延长模具的使用寿命。

其中： t 为料厚， R ≥0.5 t 。

（3）弯曲件原则。

·弯曲件的弯曲圆角原则。板件弯曲时，若弯曲处的圆角过小，则外表面容易产生裂纹。若弯曲处的圆角过大，因受到回弹的影响，弯曲件的精度不易保证，如图 1-11所示，为此规定弯曲件的最小弯曲半径。

弯曲件常用最小弯曲半径如表 1-5 所示。

·弯曲件的直边高度原则。弯曲的直边高度不宜过小，否则达不到成型所需要的足够弯矩，并且很难加工成形状准确的零件，如图 1-12 所示。 h ≥ R +2 t 才能满足工艺成型要求。

·弯曲边与冲孔边间距原则。弯曲边冲孔时，孔边到弯曲半径 R 中心的距离 L 不得过小，以免弯曲成型后会使孔变形，如图 1-13 所示。其值 L ≥2 t 才能满足工艺成型要求。

当 a ＜ R 时，弯曲后， b 面靠 a 处仍然有一段残余圆弧，如图 1-14（a）所示。为了避免残余圆弧，必须使 a ≥ R ，如图 1-14（b）所示。

·防止侧面/梯形弯曲时产生裂纹或畸形原则。防止侧面/梯形弯曲时产生裂纹或畸形，应设计预留切槽，或将根部改为阶梯形。槽宽≥2 t ，槽深 L ≥ t + R + K /2。

·防止圆角起皱原则。防止圆角在弯曲时受压产生挤料后起皱，应设计预留切口。如室外机箱侧板（上端、下端）圆角处切口形式，如图 1-16所示。

防止弯曲后直角的两侧平面产生褶皱，应设计预留切口，如图 1-17 所示。

常用弯曲件的弯曲半径与 R 之间的关系如表 1-6 所示。

·防止弯曲后回弹原则。为了防止弯曲后零件产生回弹，通常在结合缝处开切口，如图 1-18所示。

其中： a ≥1.5 t ， t 为料厚。

·防止冲孔弯曲后产生裂纹原则。为了防止冲孔后零件弯曲产生裂纹，采用如图 1-19所示切口形式来避免。

·解决弯曲收缩问题的原则。防止弯曲时，一边向内产生收缩，设计工艺定位孔，或两边同时折弯，也可用增加幅宽的办法来解决收缩问题，如图 1-20 所示。

·凸部弯曲采用结构原则。如图 1-21（a）所示的弯曲线和阶梯线一致时，会在根部开裂变形。所以针对凸部弯曲，采用使弯曲线让开阶梯线的结构，如图 1-21（b），或设计切口，如图 1-21（c）、（d）所示。

图 1-21 中（b）、（c）、（d）凸部弯曲的各参数分别满足如下要求：

m≥2t；k≥1.5t，L≥t+R+k/2；r≥2t，n=r。

·防止弯曲时孔变形的孔边距原则。为了防止弯曲时弯曲面上的孔受力后发生变形，孔边距（至底根部）的值 A ≥4 才能满足工艺成型要求，如图 1-22所示。

（4）拉伸件原则

·拉伸件的构形原则。拉伸件的形状应尽量简单、对称。拉伸件各部分尺寸比例要恰当，尽量避免设计宽凸缘和深度大的拉伸件（D凸＞3d，h≥2d）。因为这类零件需要较多的拉伸次数。拉伸件的圆角半径要合适，圆角半径尽量取大些，以利于成型和减少拉伸次数。

·拉伸件的圆角半径原则。拉伸件的圆角半径原则如表 1-7所示。

·拉伸件/弯曲件冲孔使用合适位置如图 1-23所示。

·防止拉伸时产生扭曲变形。如图 1-24（a）所示，产生了扭曲变形，宽度 A 、 B 的值应相等，如图 1-24（b）所示。

其中，（a）图中， A ≠ B ；（b）图中， A ＝ B 。

（5）穿破件

穿破件的构型原则。当搭接在一道工序中用冲切法制成 90°的弯边时，选材的材质不宜太硬，否则易在直角弯折处破裂。防止直角弯折处产生破裂，须在弯边位置设计工艺切口，如图 1-25 所示。

（6）提高零件强度的构型

对较长的钣金件，为了提高其强度，应该设计加固筋。筋的形状、尺寸及适宜间距如表 1-8 所示。

在弯曲件的弯角处再作弯折，能起到筋条的加强作用，如图 1-26 所示为弯曲件在弯角处进行折弯。

弯角处加强筋的形状、尺寸及筋间距如表 1-9 所示。

4.加工设备

钣金加工基本设备包括剪板机（Shear Machine）、数控冲床（CNC Punching Machine）/激光、等离子、水射流切割机（Laser，Plasma，Water Jet Cutting Machine）/复合机（Combination Machine）、折弯机（BendingMachine）及各种辅助设备，如开卷机、校平机、去毛刺机和点焊机等。

下列图示为钣金加工设备，图 1-27～图 1-30 分别为剪板机、数控冲床、水射流切割机和数控折弯机。

课时区间 3：钣金产品设计流程

产品的结构设计涉及面广，需要综合考虑产品可能出现的各种问题，而且结构设计并不是孤立设计，在设计过程中要充分与电气设计、热设计、外观设计等设计工作相配合，因此往往是一边设计一边修改、调整，直到最终符合要求，完善产品各方面性能。

（1）熟悉产品的技术指标和使用条件

结构设计工程师接手新的设计任务后，应该详细了解产品的各项技术指标，尤其是与结构关系密切的技术指标；产品需要完成的功能及其他特殊要求（如体积、材料、重量的限制等）；产品的工作环境、气候条件、机械条件、储藏和运输条件等。

（2）确定结构方案

根据产品的工作原理合理绘制结构外形图，即将产品划分为若干个功能模块（功能单元或分机）。划分时应确定各个模块的输入、输出；分清高压侧、低压侧；分清高频端、低频端，选择可靠的机、电、液、控制连接方案。另外，还要考虑产品的通风散热、重量分配、操作简易和加工工艺等各个因素。

在划分功能模块时，电气工程师、热流工程师、机械工程师及系统总工程师应该密切配合，综合考虑各种因素得出最佳的功能模块划分方案。

（3）确定产品尺寸和所用材料

在确定产品尺寸之前，通常需要先确定产品内部零部件所需空间，尤其是体积较大的零部件更应该优先考虑，然后计算出总的产品尺寸。有时候也会先规定外形尺寸，然后在限定的空间范围内对零部件进行规划布局。通常外形尺寸应该尽可能符合国家标准及行业有关规定，以利于实现“三化”（标准化、系列化、通用化）。

（4）进行总体设计

在计算机中粗略设计整个产品结构 3D模型，并验证电气、控制等功能。

（5）进行细部设计

详细设计产品零部件，并及时沟通出现的问题，找出对策。确定无误情况下，出二维工程图，并安排加工。

（6）产品装配、调试、试运行

对加工完成的钣金结构件，与电路板等电子器件关联装配。调试产品的电气性能，并进行振动测试、高/低温测试、老化实验等相关测试。确认产品满足客户要求后进行量产。

（7）产品结构件问题反馈与改善

对客户使用过程中出现的问题进行跟踪收集、汇总，做出相应对策，改善产品设计，在下一代产品中完善设计和功能。

课时区间 4：钣金结构设计注意事项

钣金设计属于机械设计范畴，它必须遵守机械设计规则，循序渐进，逐步完成整个设计过程。

零件结构直接关系到产品的功能、可靠性、可维护性和实用美观并影响用户的心理。产品的整机结构设计已经发展成以人机工程学、技术美学、机械学、力学、传热学、材料学、表面装饰等为基础的综合性学科。

钣金结构设计往往需要综合考虑产品应用过程中可能出现的各方面的问题，从而尽量提前考虑到将来可能出现的设计缺陷。对其设计有：功能性、可靠性、工艺性、经济性、外观及成本等方面的要求。

另外，在设计过程中还应该不断完善产品结构的受力状况，提高产品的精度和保证产品寿命，以及方便后续的产品维护，从而降低钣金件在产品的寿命范围内出现失效的可能性。

钣金结构设计中的注意事项如下。

·能否实现预期功能。

·能否满足强度、刚度要求。

·能否满足工艺性、经济性要求。

·能否满足整机装配。

·能否满足整机的电气、EMC（电磁兼容）、冷却和散热要求。