深度解析：Proe/Creo钣金结构设计

【一】

什么是钣金

钣金是针对金属薄板的一种综合冷加工工艺, 这种金属薄板通常在6mm以下, 它涵盖了剪的操作, 还有冲/切/复合的操作, 以及折的操作, 还有铆接、拼接、拉伸、成型的操作, 像汽车车身那种成型也包括在内。它具有显著的特征, 那就是同一零件的厚度是一致的。

【二】

结构设计准则

设计产品零件之际, 得将容易制造这一问题予以考虑。尽可能去思索一些办法, 既能够让加工变得容易, 又能够让材料实现节约, 而且还能够让强度得以增加, 并且不出废品。基于此, 设计人员理应留意以下制造方面的事项。

钣金件所具备的工艺性, 指的是零件于冲切工序里的难易程度, 以及在弯曲操作中的情况, 和拉伸加工时的状况。工艺好意味着材料损耗要少, 工序数量要少, 模具构造简单, 使用期限得高, 产品质量还得稳定。

通常情形下, 对钣金件工艺性起着最大影响作用的正是材料的性能, 以及零件的几何形状, 还有尺寸与精度要求, 怎样于薄板构件结构设计之际全面纳入对加工工艺要求以及特点的考量, 在此给出几条设计准则。

1，简单形状准则

若切割面之几何形状越发简单, 那么切割下料便会越便利、越发简易, 且切割的路径会越短, 切割量亦会越小。举例而言, 直线相较于曲线更为简单, 圆相较于椭圆及其他高阶曲线更加简单, 规则图形相比于不规则图形更为简单, 详情可见下图所示。

(a)不合理结构 (b)改进结构

假如存在这样一种情况, 即图a的结构, 它只有在批量大的时候才会具备意义, 不然的话, 当面对需要冲裁的状况时, 就会出现切割麻烦的问题。所以, 在小批量生产这种情形下, 适宜采用图b所示的结构。

(a)不合理结构 (b)改进结构

2，节省原料准则（冲切件的构型准则）

节省原材料等同于降低制造成本, 零碎的下角料常常被当作废料予以处置, 所以在薄板构件的设计当中, 需尽可能地减少下脚料, 冲切弃料得最少以便减少料的浪费, 尤其在批量大的构件下料之际效果颇为显著, 减少下角料的途径存在着:

(1)减少相邻两构件之间的距离

(a)不合理结构 (b)改进结构

(2)巧妙排列

(a)不合理结构 (b)改进结构

(3)将大平面处的材料取出用于更小的构件

(a)不合理结构 (b)改进结构

3,足够强度刚度准则

⑴、带斜边的折弯边应避开变形区

⑵.两孔之间的距离若太小，则在切割时有产生裂纹的可能。

零部件上边进行冲孔构造的设计之时, 需要去思索预留适度的孔洞边缘距离以及孔洞相互之间的间距, 以便用于防止突然冲出来导致物品裂开这样子复杂情况的发生。零部件的冲孔边缘距离其外形的最小距离, 会随着零部件与孔洞的形状存在差异而有一定的限定范围。当冲孔边缘跟零部件外形边缘并非平行状态的时候, 此刻这个最小距离应当不小于材料的厚度t ；要是处于平行状态的话, 那么应当不小于1.5t。最小的孔边距以及孔间距, 展示参考相关表格。

模具制作上以圆孔最坚固好制造维修，唯开孔率较低。

开孔率最高的是正方形孔, 然而由于其是90度角, 角边极易磨损崩塌, 进而导致要修模, 最终造成停线。六角形的开孔, 其有着大于90度的120度角, 相比正方形孔开孔更为坚固, 不过其开孔率在边缘位置比正方形孔要差一些。

⑶.板条是细长的, 其刚度比较低, 在进行剪裁的时候, 也容易产生裂纹, 对刀具的磨损尤其严重, 特别是这种情况。

冲裁件里, 其凸出部分或者凹入部分的深度, 还有宽度, 在一般情形下, 是应当不小于1.5t的, 这里的t指坯料厚度, 与此同时, 要防止出现窄长的切口以及过窄的切槽, 以此来增大模具相应部位的刃口强度。见下图。

一般钢的情况下, A要大于或等于一点五吨；合金钢的情形下, A需大于或等于二吨；对于黄铜和铝而言, A应大于或等于一点二吨, t指的是材料厚度。

4,可靠冲裁准则

有一种半圆切线结构, 在图a中呈现, 对其进行冲裁加工是颇具难度的。这是由于, 要对刀具与工件之间的相对位置予以精准确定。而准确的测量定位, 不仅会耗费时间, 更为关键的是, 刀具存在可磨损状况以及安装方面的误差, 精度通常难以达到如此高的要求。一旦对这样的结构进行加工时稍微出现偏差, 质量便很难得到保证, 并且切割后的外观也欠佳。所以, 应当选用图b所展示的结构, 这种结构能够确保冲裁加工质量具备可靠性的。

(a)不合理结构 (b)改进结构

5，避免粘刀准则(穿破件的构型准则)

在构件中间冲裁切割时会出现刀具和构件粘接交紧的问题。

解决的办法：

(1)留有一定的坡度；

(2)切割面连通见下图。

(a)不合理结构 (b)改进结构

(a)不合理结构 (b)改进结构

一旦于一道工序里凭借冲切法制作出90°的弯边, 那么在选材之时, 就得留意材质切莫过硬, 不然极易处于直角弯折地方出现破裂情况, 应当针对弯边位置设置工艺切口, 以此避免折角处产生破裂。

6，弯曲件的结构准则

⑴、板件最小弯曲半径

材料处于弯曲状态时, 在其圆角区域之上, 外层会遭受拉伸, 而内层会受到压缩。一旦材料的厚度确定下来, 内半径r愈发小的时候, 材料所受到的拉伸以及压缩状况就会越发严重。当外层圆角处的拉伸应力超出材料的极限强度之际, 就会出现裂缝以及折断现象。所以, 对于弯曲零件展开结构设计时, 应当避免过小的弯曲圆角半径。且出于此目的而规定了最小弯曲半径。

常用金属材料最小折弯半径列表

弯曲半径所指的是弯曲件内侧的半径, t是材料的壁厚, t为材料壁厚, M是退火状态, Y是硬状态, Y2为1/2硬状态。

对于呈现如下图之封闭样式弯边状况的零件, 其弯边高度h, 最大的限度是不得超越40㎜的, 要是存在需要大于40㎜的情况, 那么是需要经过校核之后才能够投入使用的。

⑵、弯曲的最小直边高度

处于弯曲状态的直边, 其具备的高度条件是不宜过小, , 如若不然, 将难以形成足够量的弯矩, 进而很难达成获取形状精准无误的零件这一目标。实际情况中, 其具体数值需满足h≥R+2t这样的公式方可。

①一般情况下的最小直边高度要求

弯曲件的直边高度不宜太小，最小高度按图要求：h＞2t。

弯曲件的直边高度最小值

②特殊要求的直边高度

要是设计当中存在需要弯曲件的直边高度h这个数值小于或等于2t这种情况, 那么就要先对弯边高度予以加大, 在弯好之后再将其加工成需要的那种尺寸；或以弯曲变形区内进行加工之后存在浅槽的状况下, 再开展折弯操作。

特殊情况下的直边高度要求

③弯边侧边带有斜角的直边高度

当存在带有斜角且位于弯边侧边的弯曲件时, 其侧面所具有的最小高度是这样的, h等于（2至4）t, 并且h大于3mm。

弯边侧边带有斜角的直边高度

⑶、弯曲的直边变形处理

、在a小于R的情况下, 经过弯曲之后, b这个面靠着a的那一处依旧存在着一段残余的圆弧, 为了防止出现残余的圆弧这种情况产生, 一定要使得a大于或者等于R。

②、于U形弯曲件之上, 两弯曲边最优等长, 以此避免弯曲之际产生向一侧移位之状况；倘若不被允许, 那么可设置一个工艺定位孔。

防止在侧面呈现梯形形状进行弯曲过程中小裂纹或者畸形情况的产生, 应当设计预留切槽, 或者把根部改成阶梯形状, 槽的宽度K要大于或者等于2t, 槽的深度L要大于或者等于t加上R再加上K除以2。

④、为了防止在弯曲的时候, 圆角因为受压从而产生挤料进而出现起皱的情况, 需要设计预留切口, 就如同室外机侧板（上端、下端）圆角处的切口形式那样。

B 与盖板厚度（t）相等

⑤、防止弯曲后，直角的两侧平面产生褶皱，应设计预留切口。

⑥、防止弯曲后，产生回弹的切口形式。

a≥1.5t（t—材料厚度)

⑦、防止冲孔后，弯曲产生裂纹的切口形式。

⑧、在防止弯曲之际, 一侧朝着内部生成缩减。能够谋划工艺定位孔。至于两边同时进行折弯的做法也可行 , 也能够采用增添幅宽这般方法来处理收缩方面的问题。

⑨、弯成直角的搭接形式。

⑷、凸部的弯曲

要是出现像a图那般弯曲线跟阶梯线达成一致的情况, 有时就会在根部位置出现开裂以及发生变形的状况。所以要使得弯曲线避开阶梯线呈现出就如同图b那样的情形, 或者设计切口呈现出如同c、d那样的情况。

⑸、折弯件上的孔边距

孔边距方面, 存在这样的情况, 即先进行冲孔这一操作, 之后再实施折弯操作, 并且孔的位置应当处于弯曲变形区之外, 目的是防止在弯曲的时候孔会出现变形的状况, 孔壁到弯边的距离会体现在表当中。

表折弯件上的孔边距

在防止弯曲的那种时候, 处在弯曲面上的孔, 在受力以后是会发生变形的, 孔边缘到到底根部所在距离, 那个数值A要大于或者等于4才行。

②、进行弯曲边冲孔操作时, 孔边到弯曲半径R中心的距离L, 不能过小, 不然弯曲成型后会致使孔发生变形。这个值L要满足L≥2t才行。

⑹、局部弯曲的工艺切口

①折弯件的弯曲线应避开尺寸突变的位置

在把某一段的边缘进行局部弯曲之际, 为了避免尖角那里形成造成弯裂情况的应力集中, 能够把弯曲线挪动一定的距离, 从而让其离开尺寸突变的地方, 也就是图a所示的那样, 或者开设工艺槽, 就像图b呈现的, 又或者冲工艺孔, 类似图c的样子。留意图里的尺寸要求: S要大于等于R ；槽宽k需大于等于t；槽深L应大于等于t加上R再加上k除以2。

②当孔位于折弯变形区内，所采取的切口形式

当孔在折弯变形区内时，采用的切口形式示例

⑺、打死边的设计要求

打死后边的死边长度, 跟材料的厚度存在关联, 像下面所展示的图那样, 通常死边的最小长度L, 要大于或等于3.5t加上R。

其中t为材料壁厚，R为打死边前道工序的最小内折弯半径。

⑻、设计时添加的工艺定位孔

要确保毛坯于模具里精准定位, 避免弯曲之际毛坯发生偏移进而产生废品, 在设计之时就应当预先添加工艺定位孔, 就如同下面所展示的图像那样。尤其是针对多次弯曲成形的零件, 统统都必须把工艺孔当作定位基准, 以此来减少累计误差, 保障产品质量, 这些都是为了保证毛坯在模具中准确定位, 防止弯曲时……。

⑼、标注弯曲件相关尺寸时，要考虑工艺性

⑽、弯曲件的回弹

具有影响回弹效果的因素存在着诸多, 其中涵盖了: 材料所具备的机械性能, 薄壁的厚度, 弯曲呈现出来的半径, 以及处于弯曲状态时发挥作用的正压力等等。

⑴折弯件的内圆角半径与板厚之比越大，回弹就越大。

⑵从设计上抑制回弹的方法示例。

在当前境况下, 弯曲工件所呈现的回弹现象, 现阶段主要是由从事生产的厂家, 于模具开展设计工作的过程当中, 通过采取一定的相关措施来予以规避的。与此同时, 从设计层面出发对某些结构加以改进, 以此促使回弹角实现减小, 情况如下列图所示: 在弯曲区域进行加强筋的压制操作, 这种做法不但能够提升工件自身所具备的刚度, 甚至于对于抑制回弹而言也有着一定的有利作用。

7，拉深件的构形准则

a. 拉深件的形状应尽量简单、对称。

b. 针对拉深件而言, 其各个部分的尺寸比例应当恰到好处, 需尽可能地规避去设计宽度较大的凸缘以及深度有所加大的拉深件, 对于D凸＞3d, h≥2d这种特别强调数量更多几次才可实施全面拉动工序情形的拉深件而言 , 因为这类零件需要较多的拉深次数。

c. 拉深件的圆角半径需恰当, 圆角半径应尽可能取大那般, 以便于成型以及减少拉深的次数。

⑴、拉深件的圆角半径。

⑵、拉深件或弯曲件冲孔的合适位置。

⑶、为了避免拉深的时候出现扭曲变形的情况, A、 B的宽度应当是相等的（呈现对称状态）, 也就是说A等于B。

⑷、拉伸件设计图纸上尺寸标注的注意事项

对于拉伸件而言, 其各处受力不均, 应力大小各有差异, 这致使拉伸之后的材料厚度出现变化。通常来讲, 底部中央维持着原本的厚度, 底部圆角位置的材料会变薄, 顶部靠近凸缘之处的材料会变厚, 矩形拉伸件四周圆角部位的材料也会变厚。

⑸、拉伸件产品尺寸的标准方法

制造拉伸产品之际, 于产品图纸之上的尺寸, 要确切表明务必保住那个外部尺寸, 或者保住那个内里尺寸了, 绝不可同时去标注内部层面的尺寸以及外部层面的尺寸。

⑹、拉伸件尺寸公差的标注方法

拉伸件凹凸圆弧的内半径, 其尺寸公差为双面对称偏差, 一次成形的圆筒形拉伸件的高度尺寸公差, 也是双面对称偏差, 并且, 它的偏差值是国标（GB）16级精度公差绝对值的一半, 还冠以±号。

8，提高零件强度的合理构型准则

⑴、对较长的钣金件为了提高其强度，应该设计加固筋。

⑵、在弯曲件的弯角处再作弯折，能起到筋条的加强作用。

⑶、加强筋

对板状金属零件实施压筋操作, 能够起到有助于增加结构刚性的作用, 关于加强筋结构以及其尺寸的选择, 可参照表来进行。

⑷、打凸间距和凸边距的极限尺寸

打凸间距和凸边距的极限尺寸按下表选取。

⑸、百叶窗

百叶窗常常被运用在多种罩壳或者机壳之上, 以此起到通风散热的功效, 它的成型方式乃是借着凸模的一边刃口把材料进行切开, 然而凸模剩余的部分与此同时会让材料做出拉伸变形, 进而形成一边有开口的起伏形态。

百叶窗的典型结构参见图。

百叶窗尺寸有着这样的要求, a要大于或等于4t, b要大于或等于6t, h要小于或等于5t, L要大于或等于24t, r要大于或等于0.5t。

9，钣金件常用螺钉底孔构型准则

⑴、孔翻边

孔翻边的型式存在着较多的情况, 此准则仅仅聚焦于那需要进行加工螺纹操作的内孔翻边, 像图里所展示的那样。

⑵、螺钉、螺栓的过孔和沉头座

用于螺钉、螺栓通过的孔以及沉头座的结构尺寸, 按照下表来进行选取。针对沉头螺钉所使用的沉头座这种情况而言, 如果存在板材太薄的情况, 以至于难以同时确保过孔d2以及沉孔D的相关要求, 那么应当优先确保过孔d2的各项要求得以满足。

用于螺钉、螺栓的过孔

用于沉头螺钉的沉头座及过孔

*要求钣材厚度t≥h。

用于沉头铆钉的沉头座及过孔

*要求钣材厚度t≥h。

【三】

钣金件的尺寸公差

影响产品质量以及价格的重要因素之中存在公差, 在进行零件制造之时, 经验告知我们, 不管投入了多少成本与时间, 要完全依照图纸上所标注的尺寸精确地加工出来, 几乎是不太可能的, 产品设计在性能以及经济方面都需要满足用户的需求, 从企业自身而言, 也必然要维持正常的利润。

对于此情况, 公差必然得依据产品的性能以及经济这两个方面予以确定。因而设计务必要全面精准地把握公差的原则。

⑴、冲切件的尺寸公差。

⑵、弯曲件的边高h直线尺寸公差。

注：弯曲边长L 直线尺寸公差按表规定。

⑶、弯曲件的角度公差。

⑷、拉深件的高度h尺寸公差。

注：拉深边长L 直线尺寸公差按表规定。

⑹、冲切件的断面粗糙度。

（7）、冲切件的毛刺允许高度

（8）、冲裁件毛刺的极限值

冲裁件的毛刺, 超过了一定的高度, 这是不被允许的, 冲压件毛刺高度的极限值, 其单位为毫 米, 具体数值见下面的表格。

表冲压件毛刺高度的极限值

f 级也就是精密级，其适用于具备较高要求条件的零件。m 级又为中等级, 它适用于有着中等要求水准所需要的零件。g 级亦称粗糙级, 它去用于面向在这方面有着一般要求之类的零件。

（9）、设计图纸中毛刺的标注要求

* 毛边方向：BURR SIDE。

有需要压毛边之处为: COIN或者COIN。整体结构件断口切莫全都压毛边的这种形态而去实施操作, 因这种状况会造致使成本提高。尽量是在如下的情形当中予以使用: 断口呈暴露于外界的状态；人手频繁触及到的锐利边缘处；存在线缆穿行的孔洞或者凹槽区；有呈现相比较而言滑动的部位。

图钣金结构设计图纸中毛刺的标注示例

【四】

钣金表面处理及钣金材料

⑴、压印工艺、压花工艺简介

这两种工艺, 在钣金件上应用得相当多, 像标签粘贴位置指示, 产品编码, 生产日期, 版本, 厂家代号, 甚至图案等, 都能够借助这两种工艺来予以加工制做。

①．压印工艺

压印会致使材料厚度出现变化, 把受到挤压的材料填充在带有起伏的模腔内, 进而让零件上生成起伏的花纹或者字样。

通常状况下是于封闭模里开展, 目的是防止金属被挤压到模子型腔之外；针对于相对较大的零件或者形状特殊成形之后要进行切边的零件, 能够在敞开模中开展。为求得零件拥有良好的表面质量, 在成形之前应当把毛坯实施退火、酸洗、喷砂等处理。

②．压花工艺

相似于压印的是压花工艺, 不过这种工艺变形的深度相对较小, 所需的压力同样较小。当深度h≤(0.3~0.4t)时, 压花的方法是在呈光面的凹模上施行；当深度h>0.4t之际, 压花的方法是在带有与凸模配合的相应凹槽的凹模上开展, 此凹模的宽度相较于凸模上的要大一点, 其深度相较于凸模上的要浅一些。

⑵、高碳钢、低碳钢对应的常用材料牌号列表

⑶、金属材料

⒈普通冷轧板 SPCC

SPCC意味着钢锭经由冷轧机持续轧制成契合要求厚度的钢板卷料, 或者片料, SPCC的表面并没有任何防护, 暴露于空气中极易被氧化, 特别是在潮湿的环境里, 氧化速度有所加快, 进而出现暗红色的铁锈, 在使用期间, 其表面需要喷漆、电镀或者进行其它防护。

⒉镀锌钢板SECC

SECC以一般的冷轧钢卷作为底材, 在连续电镀锌产线历经脱脂, 酸洗, 电镀以及各种后处理制程后, 摇身变为电镀锌产品, 其不但拥有一般冷轧钢片的机械性能以及相似的加工性, 还兼备出色的耐蚀性和装饰性外观, 在电子产品领域, 在家里电器物范围内、于家具的市场当中具备极大的竞争性以及很强的取代性, 诸如电脑机箱广泛采用的便是SECC。

⒊热浸镀锌钢板SGCC

热浸镀锌钢卷是这样制成的, 它是经由热轧酸洗或者冷轧之后的半成品, 接着是要经过清洗这一步骤, 之后还要进行退火这一步工序, 然后是浸入大概是460°C的溶融锌槽之中, 这才使得钢片镀上了锌层, 随后还要经过调质整平以及化学处理才完工。SGCC材料相较于SECC材料具备硬度更高的特点, 同时延展性较差, 这就需要避免深抽设计, 而且其锌层比较厚, 电焊性也比较差。

⒋不锈钢

Cr（铬）含量处于较低水平, 其耐蚀性表现欠佳, 然而经由冷加工后, 能够获取颇为良好的拉力与硬度, 并且弹性较为良好, 在多方面被应用于弹片弹簧以及防EMI。

⒌不锈钢

使用较为广泛的不锈钢之中一部分, 因为含有Ni（镍）, 所以相比含Cr（铬）的钢在耐蚀性、耐热之上更具优势, 具备相当优良的诸多机械性能, 不存在进行热处理后硬化的状况, 不存在弹性这一属性。

①.SECC的镀锌方法

热浸镀锌法包含连续镀锌法, 此方法是将成卷的钢板持续浸在存有溶解锌的镀槽之中。热浸镀锌法还拥有板片镀锌法, 该方法是把经过剪切的钢板浸入镀槽, 镀好之后会有锌花出现。

电镀法, 是采用电化学电镀的方式, 在镀槽之中存在着硫酸锌溶液, 将锌作为阳极, 把原材质的钢板当作阴极。

②．镀锌钢板的一般问题点

1.白锈, 是那种因结露或者被水沾湿从而致使迅速发生以氢氧化锌作为主要成分的呈现白色粉末状的锈, 它会导致产品质量劣化。

2.红锈, 是那种因为结露或者被水沾湿, 从而导致迅速发生的, 以氢氧化铁作为主要成分的, 呈现红茶色粉末状的锈。

3.烙酸呈现出不均匀的状况, 呈现出黄茶色的小岛形状, 或者呈现出线形状的花纹, 不过耐蚀性不存在问题。

4.取而代之的是腐蚀保护, 当锌面出现割伤, 并致使钢板基体表面暴露出来时, 我们无需担忧镀锌钢板切边会出现生锈的状况。

③．镀锌钢板之烤漆处理

1.前处理

鉴于锌属于具有高活性的金属, 于烤漆之前, 需开展称得上适当那般的化学转化处理, 像是磷酸盐方面的处理。有可以处理铁的磷酸盐处理剂, 还有能够处理锌的磷酸盐处理剂, 这便是可算作能够归于磷酸盐处理剂范畴的两种类型。

2.脱脂

选用弱碱, 有机溶剂以及中性乳液或者洗涤剂, 防止使用酸或者强碱脱脂剂能够用水膜试验也就是Water test来证实, 查看试验之后的水有没有被污染, 以及试品表面的水膜是不是匀称。

3.烤漆

电镀锌钢片针对漆的选择方面, 相较于冷轧钢片而言更为严格, 采用水性底漆（Water）能够保证具备较强的油漆附着。