钣金设计指南

钣金设计指南

目录

Ⅰ、设计小知识………………………………………………………………………………………3 一、功能要求…………………………………………………………………………………………3 二、工艺要求…………………………………………………………………………………………3

1、 冲裁……………………………………………………………………………………………3 2、 折弯……………………………………………………………………………………………7 3、 钣金件的连接…………………………………………………………………………………12 4、 其它工艺………………………………………………………………………………………16 三、装配要求…………………………………………………………………………………………17 四、成本要求…………………………………………………………………………………………18 五、材料的选择………………………………………………………………………………………18 六、金属冲压件的公差………………………………………………………………………………18 Ⅱ、钣金常用机构形式………………………………………………………………………………19 1、 冲裁………………………………………………………………………………………………3

Ⅰ、设计小知识

钣金件的设计除了要考虑功能要求外，还得考虑工艺要求、装配要求、成本要求。与铸、锻件相比，钣金件所做成的产品有较高的强度、较轻的结构重量；加工简便，所用的设备简单；外形平整，加工余量少，可减轻重量，缩短生产周期，降低成本。 一、功能要求

功能要求主要是满足系统的结构要求、强度要求、屏蔽要求、接地导电性能等。

系统的结构是一个系统的硬件、PCB板、线材、电源等空间放置的位置、形式、连接装配方式等。钣金件由于其良好的强度、钢度、加工性、导电性，通常是用来负责支承起系统中大部分的硬件、PCB板、线材、电源等。硬件的放置形式多种多样，其要求也会有所不同。

机械强度是钣金件设计中最重要的一环。因为系统中大部分的重量靠钣金件来支承，钣金件的机械强度出现问题，系统中整个强度就会出问题。医疗仪器一般需要做震动测试，跌落实验，碰撞实验，冲击实验等，有的机器甚至要求强度做到能承受100g的冲击，这就需要足够的机械强度和钢度。尤其是那些需要支承悬空的硬件的钣金件，和起主要支承作用的支架等，更必须有更好的强度。

通常设计大型的系统如B超、CT机、检验设备，通信用的机箱机柜等，会先设计起支承用的支架框架。这样的支架框架可选用型材（如铝型材），也可选用比较厚的钣金件折弯成“∏”或“□”形。一般情况，增加一个折弯会使钢度增加几倍。 二、工艺要求

钣金件的加工设备主要有数控冲床，折弯机，冲床，剪裁机，铣床，钻床，焊接设备等（附表中是迈讯的机器设备统计）。钣金成形可归纳为压缩类成形、伸长类成形和弯曲类成形三种基本类型。

钣金件加工中的矫形、弯曲、卷板、冲裁、拉深等工序，都是利用金属在常温下产生的塑性变形而成为所需的形状。因此，金属的塑性变形是金属成形的基础。

金属在冷状态下受外力作用时，其形状和尺寸将发生变化，这种变化可以是弹性的，也可以是塑性的。当外力解除后，能恢复其原来的形状和尺寸的就是弹性变形，反之就是塑性变形。金属塑性变形最基本的形式就是滑移。 1、 冲裁

冲裁是利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的一种冲压方式，主要设备是冲床。可以制成成品零件，也可作为弯曲、拉深、和成形等工艺准备毛坯。冲裁分为落料和冲孔两种。利用冲裁取得一定的外形的制件或坯料的冲压方法就是落料；反之，得到带孔的的就是冲孔。板料分离的变形过程分为三个阶段：弹性变形阶段，塑性变形阶段，剪裂阶段。

在冲出孔的上部，有细微圆角，称圆角带。这是当冲裁过程中塑性变形开始时，由金属纤维的弯曲变形和拉伸而造成的。连接圆角带的是光亮的切割部分，称作光亮带，它是在金属产生塑性变形时形成的。光亮带下面是粗糙的表面，称为断裂带，它是由于拉应力的作用，使金属纤维断裂而形成的。在冲裁件或废料上，也有类似的三个部分，但其分布位置的上下次序恰好相反。冲裁件的尺寸精度主要是靠模具保证的，所以如果开模件的质量比较稳定，制件的互换性较好，一般不需要进一步的机械加工，即可满足装配和使用要求，材料的利用率较高，操作简便。在大批量生产时采用冲裁，能显著地提高生产效率，易实现机械化和自动化。

冲裁间隙是指凹模和凸模之间的尺寸差。冲裁间隙是一个重要的工艺参数，其大小除对冲裁件的断面质量和尺寸精度有影响外，还会对冲裁力和模具寿命有直接影响。

表1 冲裁间隙的影响

用模具直接下料时，冲裁件的直角处通常可以做成圆角，不仅模具寿命会沿长，零件做出来也不会留下安全隐患；直接用数控冲床加工时，因圆角较难加工，可以做成45°倒角。

冲裁精度：钣金件的内外形的经济精度为GB7∽8级，一般要求落料件的精度最好低于5级，冲孔件

注：我们公司外协厂商所用的数控冲床都属于一般冲模，只有用精密模具做的冲孔模才能达到上表中高级冲模的公差。并且只适用于两个孔同时冲出的情况。

冲裁件的凸出悬臂和凹槽宽度不宜过小，其合理数值可参考表下表： 表3 冲裁件的凸出悬臂和凹槽宽度

冲孔时，孔径不宜过小。其最小孔径与孔的形状、材料的机械性能、材料的厚度等有关。 表4 冲裁件的最小孔径

冲裁件的外形或内孔应避免尖锐的清角，在各直线或曲线的连接处，除属于无废料冲裁，宜有适当的圆角，其半径R的最小值见下表:

表5 冲裁半径

冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不应过小，其许可值见下图

1

图1

2、折弯

折弯主要由折弯机或手工来完成。

板料在弯曲过程中外层受到拉应力，内层受到压应力，从拉到压之间有一既不受拉力又不受压力的过渡层称为中性层；中性层在弯曲过程中的长度和弯曲前一样，保持不变，所以中性层是计算弯曲展开长度的基准。

展开长度的基本公式：展开长度=两个折弯边长度之和+补偿量

中性层位置与变形程度有关，当弯曲半径较大，折弯角度较小时，变形程度较小，中性层位置靠近板料厚度的中心处；当弯曲半径较小，折弯角度增大时，变形程度随之增大，中性层位置逐渐向弯曲中心的内侧移动。(做产品设计时可以用Pro-E等软件来计算出的近似的展开长度)

在折弯有撕裂的地方，一般需要留有工艺口（见图1）。用数控冲床加工时，工艺口的宽度由加工厂的刀宽（冲头）决定，但一般不小于钣金件的料厚，最小不小于１.５—2mm宽。如果没有特殊的要求，图纸上可以不标注详细的尺寸和公差。

图2 图3 图4

拐角处的折弯用图3的方式，会留下一个缺口，焊接时会出现焊穿或焊渣过大的情况。改为图4的方式设计为好，能封闭内部结构，焊接时只要点焊就很结实了，美观大方。

弯曲件的尺寸精度取GB7∽8级。 弯曲件的弯边的直线高度：

1) 当弯曲成90°角时，为保证弯边能顺利地弯曲，必须使弯边的直线高度不小于2倍料厚。若小于2倍料厚则必须压槽（图6），或加长高度，弯曲后再铣去，否则不能保证角度要求。

2) 图7的左边（a）零件是不正确的支臂结构，在侧面弯边的斜边一直沿伸到变形区域，所以斜边与变形区域交界部分的弯曲直线高度小于2t的部分在弯曲时不可能达到要求的角度，因此工件的形状

a)为了避免这种缺陷的出现，必须使这些孔分布在变形区域之外(图8)，从孔边到弯曲半径r中心的距离取为：当t＜2mm

时，L≥t；当t≥2mm时，L≥2t。如果是螺纹孔或有装配要求的光孔，而距离没有达到上述要求，则螺纹须在折弯完成后加工，否则螺纹会因拉伸变形而失效。

b)、先折弯再冲孔：在弯曲件或拉延件上冲孔时，其孔壁与工件直壁之间应保持一定的距离)，距离太小时，在冲孔时会使凸模受水平推力而折断：从孔边到弯曲半径r中心的距离取为： L≥0.5t。

图9

弯曲件的尺寸精度

弯曲件的尺寸，由于影响因素较多，一般不属配合的尺寸，其精度取10级公差绝对值的一半并冠以“±”号，但最小精度偏差不得小于表6中所列的直线尺寸公差值和角度公差值，如超过表列数值必须在弯曲后进行手工校正。 表6 弯曲件的尺寸

对于内弯角小于60°的弯曲，为了避免撕裂和畸变，应开止裂槽或切口。图10(b)和图10(d)是开止裂槽的情形，图10(e)是开止裂切口的情形。图10(e)和图7(f)是在复杂弯曲件上开止裂槽的情形，图10(g)和图10(h)是切口弯曲的情形。图10(i)是冲方孔后弯曲成形。

对剪裁的条料或毛料，剪裁边缘的硬度一般提高20-30％，若不开止裂槽，比退火料更容易开裂。

切槽端头可以做成呈半圆形，半径最小为t。其深度，即半圆端到起始弯曲的距离为0.75-1.5mm，这样才可以在弯曲时不引起畸变。也可以做成长方形。

图10

一般弯角都呈圆形，其半径与钣金件的材质、板厚、成型条件等有关，一般可以在图纸上不需要标注具体的尺寸。如要得到比较尖的弯角，可采用如图11所示的方法，将弯曲部分铣去—

31

12

的厚度t。

图11

3、钣金件的连接

常见的钣金件的冷作工艺的连接方法有：咬缝连接、铆接、焊接、螺钉连接、预埋(胀接)等。 咬缝连接：咬缝连接就是将薄板的边缘相互折转扣合压紧的连接方法。咬缝连接不需要特殊的设备，当板较薄尤其不适宜用焊接时，这种连接更能显示出其优越性。其致密性较好，连接又十分可靠，所以对厚度在1mm以下的钣金结构，常可以选用咬缝连接。如我们常见的铁桶就是用这种联接方式。

铆接：借助铆钉形成的不可拆连接。铆接的结构具有传力均匀可靠、韧性和塑性好、容易检查和维修的特点，所以对于承认冲击和振动载荷的构件的连接、某些异种金属的连接，以及焊接性的金属(如铝合金)。铆接结构根据其工作的要求和应用范围的不同，分为强固铆接、紧密铆接和密固铆接。强固铆接要求铆钉能承受大的作用力，保证构件有足够的强度，而对接合缝的严密性无特别的要求，如屋架、桥梁、车辆等；紧密铆接的铆钉不承受大的作用力，但对接合缝要求紧密，以防学习漏水或漏气，如水箱、油罐等；密固铆接既要要求铆钉能承受大的作用力，又要求接合缝紧密，如压缩空气罐、压力管路等。铆钉可由钢、铜、铝等多种材料制成。铆钉的种类有半圆头、平锥头、沉头等。我们常用的铆钉的规格为3.2mm，精装配时钉孔直径取d+0.1mm=3.3mm，粗装配时钉孔直径取d+0.4mm=3.7mm。手工冷铆时的铆钉直径一般不超过8mm，用铆钉枪铆接时的铆钉直径一般不超过13mm，用铆接机铆接时的铆钉直径可达20mm。 当用一块钣金件不能达到预期的目地时，常用两个零件连接成一个零件，此时就常用到焊接。焊接最常用的是亚弧焊，电焊，气焊等。

螺钉连接一般是用于可拆的结构。其特点是构造简单可靠、装拆方便、成本低，运用广泛。 常见的形式是预埋，把螺钉、螺柱或螺母压入到钣金件当中。预埋螺柱一般不会出什么问题，因为螺柱是特制的，螺柱的六角头上方有一个槽，当压入六角头时，板上的材料会挤进槽内，能自行固定。而螺钉就不一样，我们选取的螺钉一般没有特制的，没有挤压槽，所以当螺钉压入时，挤压的材料没地方去，受材料的挤压，很难控制螺钉与钣金平面的垂直度。所以，安装另外的零件时，往往会出现很难装配的情况。螺钉越长，越难控制。这时最好不用选用预埋的形式，直接用螺钉连接更好些。

公司外协生产中的钣金件的预埋螺柱的外径有两种规格（如表７），如果选择不对，会出现外径偏小，能通过PCB板的固定孔的情况。如M3的螺柱，有两种规格，外径分别是φ4.19/-0.12和φ5.38/-0.12两种规格，如果PCB板的固定孔稍大一点，小规格的螺柱可以通过。鉴于此情况的出现，我们可以在螺柱的规格后面加上其外径要求，如4个M3x11的螺柱，其外径规格选用为φ5.38时，图纸上标明为“4-预埋螺柱M4x11（外径规格φ5.3)”。

翻边攻丝、预埋螺母是用螺钉连接时钣金件加工的常用方法。当需要承担的力较大时，最好使用预埋螺母。当用模具直接成形时，用翻边攻丝的工艺比较简单，成形后只要攻丝就好了。翻边攻丝的有效牙

长必须保证3个以上，这是生产厂家的工艺必须保证的，否则容易引起滑牙。翻边攻丝、预埋螺母各有其优点和缺点：预埋螺母承力较大，螺纹稳定，可以使用较大的螺钉，但所占用的空间较大，螺母容易松脱；翻边攻丝的工艺简单易加工，适合大批量生产时使用，所占用的空间较小，但容易滑牙，不能承受大的作用力，也不能用大螺纹（不能保证牙长）。

翻边攻丝正反方向一般是按冲压模具的方向定的，在上方的一面一般叫正面，下方的一面一般叫反面。所以翻边攻丝的正面是平的那一面，反面是突出来的那一面。在2D图纸上标正反面的时候请注意，别标错了，以免供应商做错了。

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表8 螺母规格表 (材料为碳钢或不锈钢)

表8 常见翻边攻丝预冲孔径

表9 翻边攻丝的尺寸表（大概值）

4、其它工艺

铝板、不锈钢板的拉丝氧化：外装饰件在加工前，做拉丝氧化，可以形成很美观的表面，如DVD的操作面板等；拉丝氧化属于机械抛光之类，如果不是用作外观件，就不必要做此工艺了。拉丝氧化必须是在折弯等加工工艺前做，它并不能提高其表面硬度，所以对铝板折弯的压痕没有影响。在折弯铝板等软材的时候，可以把折弯机的压力调小一点，可以把压痕调到最小。

电镀：常见的有镀锌，镀镍，镀银等。一般厚度要求是10μm以上。

在钣金件上可以喷粉(喷塑)、喷油等。粉的附着力比油要好，但颜色较油难调点。 三、装配要求

设计钣金件时应考虑装配。

大批量的组装时，应该少用一些比较费时费用的结构，尽量利用模具冲压成卡扣、突台等安装方式。 小批量生产时，就考虑得少些。我们公司生产的产品，都属于小批量，只需要考虑装配的先后顺序、装配方式等。

如图１２所示，是装DigiQlo的ECG模块的盒子，左边是工程化前的装配方式，把底盒的四边都折起来焊接后插入到盒盖当中，在四周用螺钉装配。做回来的样品底盒常常做过大或过小，不仅不好装配，EMC效果也做得不太好。改成右图安装方式，把底盒的两长边向外再折一道弯，与盒盖的折边用螺钉连接，这样装配很简单快速。

当钣金件之间焊接或与另外的零件装配需要定位时，常会用到定位孔或定位台。一般，用模具直接加工成形时，在钣金件上冲压出成定位台比较好，安装时不需要辅助工具，如图１３所示，直接在装配件上做成孔，插入到定位台中。而用数控冲床加工时，一般冲压出定位孔比较好，加工比较容易，定位时需要插入定位销定位。

图１３ 图１４

当一个钣金件压到另外一件上，而此时需要做电磁屏蔽时，在其中一个(一般是里面的那个)可设计一些防ECM的弹片向外突出，如图１４所示，当前者压到上面的时候能起到很好的电接触作用，防止钣金件的面与面之间出现翘曲而影响EMC效果，也可起到弹片的作用，防止震动时出现松动现象。这种弹片状的结构必须用模具冲压成形。 四、成本要求

大批量生产时，就应该缩短装配周期，使装配的费用尽可能的降低，尤其是国外的OEM项目（国外的装配工人的费用更贵）。可以采用模具冲压成形生产。

小批量生产时，尽可能用一些简单的装配方式，如螺钉连接等。

选用SPCC（冷钆钢板）再电镀的成本会比直接选用SECC的成本增加约35%。 选用SPCC（冷钆钢板）再电镀的生产周期要比直接选用SECC的周期要长2～3天。 五、材料的选择

一般我们所用的钣金件都是薄钢板，利用冷轧或是热轧方法轧制而成的。根椐用途的不同，薄钢板的材料有低碳钢、不锈钢，有的还在薄钢板是镀上一层有色金属膜，称作镀膜薄钢板（如镀锌钢板、镀铅钢板、镀锡钢板）等，还有的用到铝板。

镀锌钢板通常又叫白锌板，有抗腐蚀性强及表面美观的特征，其表面有镀锌层结晶花纹。只要接受钢板加工后的断口不耐腐蚀，可以采用镀锌钢板。我们公司的产品一般都放在室内的环境下，不会出现腐蚀性很强情况，可以采用镀锌钢板。

钣金常用的材料有：1、冷轧钢板0.8-3.0 mm；2、电解板0.8-3.0 mm； 3、不锈钢板0.5-3.0 mm；4、铝板1.5-3.0 mm。

表９ 钢板的生产方法、特点及用途表

六、金属冲压件的公差

凡产品图纸上没有注明公差的冲压件，其尺寸公差均属于自由公差。外协厂在计算凸模与凹模的尺寸时，金属冲压件的自由公差数值通常按G B 8级精度选取，也可按下表选取。 表10金属冲压件的公差

Ⅱ、钣金常用机构形式

钣金机构常用的形式很多，下面是主要的几种形式： 1、钩

我们可以利用钣金十分灵活的冲压变形的特性，做成卡钩，用来固定需要安装在钣金的平面上的各种物体。钣金件中间的卡钩冲压前有的需要先开工艺孔。这种设计一般要开模，不能用折床折出来，在做样品或是小批生产时，在NCT冲床或冲裁冲床冲出工艺孔后，用一个小模具冲出卡钩来。；钣金件边缘的卡钩可以用折床折出来。

图1是固定扬声器的一个小机构。其三面做成卡钩形式，扬声器的圆周刚好能卡在三个弯钩里，另一边是用凸台来挡住扬声器圆周的另一个方向。这种设计结构简单，安装很方便。

图1

图2

图2是一种用来固定电线、排线的的长钩，其周围是圆弧连接，头部有一个斜坡，也呈圆弧形，呈长勺状。能方便的把线横着装入后固定住，不会把线刮伤。图中卡线的两个面间的距离为2mm。

图3

图3是一种用常用的卡钩结构。一个零件的卡钩正好能卡在另一零件的长形槽内，并通过长形槽前的突台来增加其紧固的作用力。突点与卡钩必须有一点点预干涉量，才能使两者紧紧卡住，卸下时必须用比较大的力。有的钩可以设计在钣金的边上，这样做可以用折床折出来，会减少加工的难度，降低生产成本。图中的右下图是一个小卡钩，一般常用于卡在另一钣金件的边上；这种小卡钩一般可以不用开工艺孔，是直接在模具上冲压产生剪切变形。

图4

图4是一种钩的变形式样，用于卡装另一件钣金零件的机构。图中钩的两个平面之间的距离为1.2mm，另一钣金件的料厚为0.8mm，两者之间的间隙为0.4mm。钩的中部有一向上的斜角，待固定的钣金零件开口中部也有一倒角，能起到很好的导向的作用，可以很轻松的装配。这种机构前面还有一连接小条，并且两个零件能使其两个面紧紧装配在一起，还能很有效的防止两零件因作用力过大而使弯钩变形脱开的情况发生。此种机构在小批生产时必须用NCT冲床或小模具冲裁出工艺孔后，用模具冲压出来。 2、凸台

凸台是钣金件中很常用的机构，可以用来定位，增加卡装的牢固性，增加钣金件的强度，垫高零件如PC板等。

图1中右边的凸台就是用来定位的，把扬声器推入到三个卡钩内后，凸台能挡住扬声器防止其向右滑动。图3中的凸台是增加卡装的牢固性的，能有效的防止卡钩内的零件向后滑动而脱开。

图5

图5中凸台一般是用来垫高PCB板，其所能达到的高度h与斜面的倾斜角有关，倾斜角越大凸台所能达到的高度h越大。也可以冲出凸台后再抽牙（翻边），如图5右所示，这样就能够用来装配PC板，可以用来代替我们常用的压帽螺柱（预埋螺柱）。

图6是用突台来起加强钣金件的强度的例子。在钣金的料厚较薄，而如果某些部位又要受较大的作用力则会产生变形时，在钣金的边缘一般可以用反折边的方式来加强，例如图6的左图的形式；而在钣金的中间位置又不允许开长口的情况下，可以考虑用突台来加强，效果很好。图6中是一个提手，中间部分受力较大，用凸台加强，可以增加其横向抗弯的作用。图6右边是一个支架，其整体强度较弱，在中间位置加一个长的凸台，其整体强度增加很多。图6下是一用凸台加强的长条。

图6

加强筋有半圆形筋和梯形筋两种形式，其尺寸如下：

加强筋的型式和尺寸（表中前面的是最小尺寸，后面的是常用尺寸）

加强筋间距和加强筋与工件边缘间距离的极限尺寸(毫米)

3、桥

桥是钣金件中的常用结构，需要做一个小模具才能冲压出来，可以不用工艺孔。如图7所示，在桥内插入另一块钣金件，这样就可以把两个钣金件联结在一起，只需要在另一面加上一个螺丝或其它固定方式即可。为防止其松动或不太紧的情况，一般桥与板之间须配合紧一点。连续几个桥也可以做成滑道的机构，用于要求装配是插入式的装配，如图8所示的一个盒子（左图），插入到一个由两个折弯形成的滑道（右图）中。

图

7

图8

4、弹片

把钣金件的三面开长的工艺孔，形成一个长条钣金，就形成了一个弹片。一般来说这种弹性比较差，不能象弹簧一样使用。图9左是其使用的典型形式，在一个折成盒状的钣金件中间装入硬件，主要是用来消除硬件与钣金件装配时的间隙，起到弹片的作用。右图是一个机构的一部分，利用其弹性，可以用手指按凸角台A处，使B边能向里运动，从而可以让开与凸台A形状一样的反向的凸台 （在凸台A的下方有一折弯是用来防止弹片过度变形）。

图9

5、半剪

半剪一般是用于某些需要屏蔽，但有可能要也可能不要此结构的地方。通常用手或工具就可以取下这一块钣金。在冲压时四周开小口或冲出钣金的厚度，留下几条1mm宽的条就可以了。如图10所示。

图10

6、旋转机构

旋转机构一般需要一个轴和一个孔。可以直接在钣金中压入金属轴类零件做成轴，也可以用凸台来做成。如图11所示，一个钣金B冲出凸台成左图所示的形状，另一个钣金A冲出所需的圆弧后折弯成中间图的形状，两者装配后形成右图的机构。这样零件B就能绕凸台的轴线做旋转运动了。这种特殊的机构一般适合于大批

量的生产，开模后，其所需的费用很低，装配很简单。但其精度很低，不能用于很精密的装配。

图11

7、螺钉

钣金件中的螺钉种类很多，常用到的有压帽螺柱（预埋螺柱），压帽螺母（预埋螺母），伸缩螺钉等。图12就是一个伸缩螺钉，主要作用是能在其所连接的另一零件的螺纹孔位置不准确时，可以起到调节精度的作用；其与钣金的连接和预埋螺母的压入形式相同。

下，可以考虑运用一些比较简单的机构；而比较复杂的结构，尽量不用或少用。建议最好能了解一下钣金厂的加工能力，如果厂商有一些简易的模具，我们可以考虑拿来使用，设计时其冲压的结构和尺寸相同，这样价格就会很低，使用也很方便。

附表：

直剑刀、直尖刀、大弯刀、小弯刀、压平模、段差模。

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