钣金加工设计指南：综合指南

钣金加工是制造业中的关键工序，在建筑、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。 钣金的多功能性及其能够形成各种形状和尺寸的能力使其成为创建复杂和错综复杂设计的热门选择。

但是，要确保任何钣金制造项目的成功，必须对设计原则和最佳实践有深入的了解。 在本文中，我们将提供钣金制造设计的综合指南，包括材料选择技巧、几何约束和具有成本效益的设计策略。

无论您是经验丰富的工程师还是新手设计师，本指南都将帮助您创建满足项目要求和规范的高质量钣金零件。

钣金制造概述

出于制造目的，金属板被归类为任何厚度小于 0.25 英寸的金属。 所有的钣金件都要求具有一致的宽度，这限制了它的一些应用。 但要确保生成的零件能够满足耐用性和寿命的要求。

一般来说，钣金零件在汽车底盘和其他强度重量比很重要的领域很常见。 金属板的厚度较薄，由它制成的零件通常是空心的。 这意味着它们的重量会更轻，但具有相同的承受更大负载的能力。

为简单的应用选择精密的工艺是没有意义的。 然而，避免为高价值应用制造精密钣金件也是不可行的。 因为它可能会因磨损而导致敏感设备损坏。

工作原理

背后的工作原理 钣金加工 很简单。 这取决于金属的弹性以及冷轧金属在耐用性方面表现更好的事实。 钣金制造包括两种方法，切割和成型。

顾名思义，切割需要去除板材的一部分以获得所需的形状。 另一方面，成型是一种有点困难的方法，由三个不同的过程组成。 他们主要一起工作来创建您需要的对象的形式。 该过程需要仔细考虑设计和可制造性，以尽量减少浪费并确保完美。      

在大多数情况下，制造商依靠 DXF 或 DWG 模型中的 CAD 文件来确保符合可用设计。 在大多数项目中，切割和成型过程协同工作，因为它可以更快地产生结果。 此外，钣金制造通常不需要后处理，但可能需要一些精加工和连接，具体取决于应用。

4 种主要的钣金加工技术

钣金制造过程包括两个主要过程； 成型和切割。 这两种技术共同创造了任何产品的最终形式。 虽然切割是一个简单的过程，但成型有进一步的分类，即冲压、弯曲和冲孔。

以下是与创建钣金零件的主要技术相关的基本细节：

1 – 切割

切割过程去除特定形状的多余金属板以获得最终形状。 切割钣金有 3 种主要方法：

1.      激光切割
2.      等离子切割g
3.      水射流切割

2 – 弯曲

此 折弯工艺 只需在特定点对金属板施加很大的力即可获得所需的形状。 在某些情况下，弯曲下方的区域可能需要一些准备工作。 例如，弯曲槽口不仅向技术人员显示弯曲的位置，而且还可以促进过程本身。

3 – 冲压

为了在有限的时间内制造出复杂的零件，制造商通常选择冲压工艺，这是一种复杂的形式。 该过程结合了不同的技术，使用剪切、弯曲和拉伸来从金属板中创建新的形状。 

4 – 打孔

为了在有限的时间内制造出复杂的零件，制造商通常会选择冲压工艺，这是一种复杂的成型工艺。该工艺结合了不同的技术，包括剪切、弯曲和拉伸，以将金属板制成新的形状。此外，一些冲压工艺甚至会使用不同的技术将多个零件连接在一起。 

使用钣金制造的主要优点和局限性

钣金零件设计因其明显的优势而在许多行业中非常流行。 但是，该过程也有多种限制。 这些优点和局限性是制造商在确定金属的正确应用时最重要的设计考虑因素之一。

钣金制造设计指南

如前所述，钣金制造设计需要注意一些设计要求。 这些要求中的大部分取决于产品的整体设计。 例如，一个简单的产品不会有太多要求，但复杂的几何形状自然需要更多流程才能上市。

通常，钣金制造需要一系列最佳实践，以确保完美并在最短的时间内交付最佳质量。 钣金的一般准则包括以下 5 类。

1 – 公差

公差是各种应用中最重要的参数之一。 一般的经验法则表明，更高的精度需要更多的资源并且会产生额外的成本。 因此，公差应根据应用而定。

最好的例子就是汽车行业。

门或车身任何其他部分所需的精度显然低于底盘或其他一些整体部件的要求。 通常，公差要求取决于项目要求，但这种方法在产品中可能存在很多不一致之处。

许多制造商和行业倾向于制定质量标准以避免这些不一致。虽然这些标准不是一刀切的解决方案，但它们是保持一致性和性能的绝佳工具。此外，遵守行业标准也使满足行业要求和建立消费者对品牌的信任变得更加容易。

对于钣金制造，流行的标准是 ISO 2768。这涵盖了多个行业的公差要求，同时保持成本和加工能力之间的完美平衡。

一般公差

对于钣金制造，行业中到处都使用一些通用公差。 它们符合国际标准。 但是，在航空航天和汽车等敏感应用中，精度对性能至关重要。

成型基础

在此过程中，通过施加压力将平板金属板弯曲成预定形状。 工艺要求和细节根据弯曲工艺的类型而变化。 虽然方法很多，但以下三种钣金折弯方法是最常见的。

• 折弯压制：手工工艺使用夹杆和板材来成型金属板。该工艺仅适用于原型制作和小规模生产。
• 滚弯：相同的基本原理，但结果将是圆柱体、圆锥体或其他弧形。 
• 折弯机折弯：最先进的折弯工艺，使用带冲头和模具的液压机。 这适用于厚度最大为 6mm 的金属板材，可以轻松制作出精确的特征。 

钣金折弯的积分参数

谈到弯曲工艺，制造商和设计师必须考虑多个参数。 这些设计要求是任何钣金折弯的根本特征，建议遵守他们的标准以确保获得出色的结果。

以下是任何钣金折弯操作的 6 个最重要的参数。

• 弯曲线： 折弯线是板材表面上的一条直线，标记折弯两侧的起点到终点。 折弯线的行业标准是在折弯内边缘和折弯外侧之间保持 5 倍板材厚度的距离。
• 弯曲半径： 弯曲半径是指弯曲轴线到两条弯曲线之间的材料内表面的距离。 通常建议使用至少与材料厚度一样大的弯曲半径。 弯曲半径越大越好，但使用小于材料厚度的半径会降低零件的承载能力。
• 弯曲角度： 弯曲与来自轴的假想垂直线形成的角度。 弯曲角度的行业惯例是确保法兰长度必须是厚度的 4 倍，而不是具体数字。 保持所有弯曲角度相同也是一种很好的做法。  
• 中性轴： 中性轴是纸张保持其原始长度的部分，因为它既没有拉伸也没有压缩。 它是一个独立的参数，对其位置没有法律限制或指导方针。 然而，弯曲半径和角度等其他因素的准确性在决定最终产品的性能方面起着至关重要的作用。 因此，这些因素越精确，产品的性能就可能越好。
• K 因子： 材料的 K 因子是其位置的量度，通过将材料与其厚度 (t) 之间的距离除以其 T 来确定。K 因子受一系列因素的影响，包括材料类型、弯曲工艺、弯曲角度等。 为确保获得最佳结果，K 因子应在 0.25 至 0.50 的范围内。 K 度量可以通过公式 K = T/t 计算。
• 弯曲余量： 为制作准确一致的弯曲零件，仔细测量并考虑弧长以及中性轴与弯曲线之间的距离非常重要。 您还应该使用适合弯曲材料和厚度的准确弯曲余量，以及所使用的弯曲工艺类型（例如，空气弯曲、底部弯曲或压印）。

切割基础

钣金制造的另一个重要过程是切割。 在许多情况下，它是一种更简单的替代方法，可以以可接受的精度快速提供结果。 在设计阶段，钣金设计指南重点关注以下 5 个参数。

材料选择

在此过程中，材料特性在确定特定材料的合适工艺方面起着重要作用。 考虑铝和钢的例子可以更好地理解这一点。 自然地，由于钢的相对强度和耐用性，切割铝比处理钢要简单。

对于材料选择，最佳做法是还要考虑可制造性。 例如，如果钢铁和铝都能承受特定操作的负荷，那么在不考虑制造能力的情况下选择更坚固的替代品（钢铁）并不总是更明智。   

开孔直径

在设计涉及在板材上钻孔的产品时，重要的是要考虑板材的厚度和孔的直径。 一般的经验法则是确保孔的直径至少等于板材的总厚度。

如果孔的直径与板材的厚度相比太小，则会导致在孔周围形成裂纹和脆性区域。 随着时间的推移，这些裂纹会扩展并导致耐久性问题，从而对产品的整体性能产生负面影响。

因此，重要的是要确保孔的直径适合板材的厚度，以保持产品的结构完整性和长期耐用性。

局部强化

切割材料时，该过程会产生大量热量，从而影响材料的性能。 具体来说，切口周围的区域可能会变得过热，从而导致局部硬化。 为防止出现此问题，建议降低整体切削速度并使用冷却液调节受影响区域的温度。 通过这样做，可以将局部硬化的风险降至最低。

失真

钣金制造中的变形是指制造过程中金属板的翘曲、弯曲、扭曲或屈曲。 出现此问题的原因有多种，例如制造过程中温度、应力或压力的变化。 变形会导致最终产品出现严重问题，例如尺寸不准确、装配不良和强度降低。

刻尔夫

割缝与所用刀具的宽度和被切割材料的厚度直接相关。 本质上，它代表了被切削刀具去除的材料的宽度，它决定了切削过程中浪费了多少材料。

例如，如果激光束有 0.1 毫米的切口，并通过 1 毫米厚的金属板进行切割，则从板材上去除的材料的总宽度将为 0.2 毫米（从板材的每一侧去除 0.1 毫米）那个切口）。 切口宽度可能因切割工艺的类型、被切割材料的类型和材料的厚度而异。

在设计用于钣金制造的零件时考虑切口很重要，因为它会影响零件的最终尺寸。 如果需要精确的尺寸，那么设计师应该考虑到切口并相应地调整设计。 此外，切口也会影响制造过程的成本，因为切口越宽，材料浪费越多。

钣金零件的共同特征

钣金设计涉及多种功能，使这些零件能够满足行业的要求。 以下是钣金零件通常具有的 6 个主要共同特征。

芯圆角

拐角圆角是钣金零件上的圆形边缘或拐角，其创建是为了避免锋利的边缘，这可能是危险的，也可能导致金属中的应力集中，从而导致失效。

建议：

• 尺寸：圆角尺寸至少应等于金属板的厚度。换句话说，厚度为 2 毫米或以下的金属板应使用 2 毫米的圆角。 
• 对称性：零件上的圆角应对称。这意味着对角上的圆角应大小相同。
• 均匀性：整个零件的圆角尺寸应均匀一致。这意味着所有角上的圆角尺寸应相同。 
• 放置：圆角应放置在容易出现应力集中的区域。这包括金属板弯曲的区域或形状或方向发生变化的区域。 
• 半径：圆角的半径应尽可能大。这有助于更均匀地分布应力，并降低应力集中的可能性。 
• 设计：零件的设计应使得可以轻松添加圆角而不会损害零件的完整性。

肋骨

通常垂直于钣金件表面的凸起特征。 它们用于在不增加太多重量的情况下增加零件的强度和刚度。

建议：

• 使用圆角来平滑肋条和周围材料之间的过渡，这将有助于更均匀地分布应力。 
• 避免将肋条放置得太近或太靠近弯曲处，因为这会在材料中产生薄弱点。 
• 考虑使用锥形或可变高度的肋条来更均匀地分布应力。 

浮雕

凹坑通常用于多种用途，包括通过增加加固来提高钣金零件的刚度和强度。为紧固件或其他要连接的部件创建光滑齐平的表面。为其他零件或部件提供间隙。 

建议：

• 保持压纹深度不超过金属板厚度的 50%，以避免产生应力集中。 
• 使用圆角来平滑压纹和周围材料之间的过渡，这将有助于更均匀地分布应力。
• 避免将压花放置得太近或太靠近弯曲处，因为这会在材料中产生薄弱点。
• 考虑浮雕对零件整体外观的影响，并确保它符合任何品牌或设计要求。 

圆老板

钣金制造中的凸起圆形特征，用于增加零件的强度和刚度。 它通常是通过在金属板上冲压或形成圆形凹陷而形成的，这会导致凹陷周边的金属凸出并形成凸起的圆形特征。

建议：

• 选择正确的尺寸和位置：仔细考虑凸台的位置和尺寸，以确保它能够提供必要的支撑和强度，而不会干扰其他组件或产生制造挑战。
• 使用正确的工具：制作圆形凸台需要专用工具，例如冲头和模具组或成型工具。使用正确的工具非常重要，以确保凸台正确成型，并且金属板在此过程中不会受损。
• 考虑材料厚度：金属板的厚度会影响可形成的圆形凸台的尺寸和形状。较厚的材料可能需要更大或更深的凸台来提供必要的强度和刚度。

酒窝特征

经常出于各种原因使用凹窝，包括： 通过添加钢筋来提高钣金零件的刚度和强度。 为要连接的紧固件或其他组件创建光滑平齐的表面。 为其他零件或组件提供间隙。

建议：

• 仔细考虑凹坑的大小和位置。凹坑应位于最能发挥功效的区域，其大小应适合应用。
• 过大或过深的凹坑会削弱材料，而过小或过浅的凹坑可能无法提供足够的增强作用。
• 选择合适的工具。有多种工具可用于制作凹坑，包括冲头、模具和成型工具。您选择的工具取决于凹坑的大小和形状，以及所用材料的类型。
• 考虑金属板的厚度和材料。不同类型的金属板可能需要不同的技术或工具来制作凹痕，较厚的材料可能需要更大的力或更大的工具。
• 注意设计中的任何限制或约束。凹坑可能很有用，但它们可能并不适合每种应用。确保设计考虑到添加凹坑可能产生的任何潜在问题或挑战。

百叶功能

百叶窗的主要目的是改善安装百叶窗的外壳或面板中的气流和通风。 百叶窗可以设计成适合特定用途，例如将空气导向特定方向、降低噪音或提供防尘、防污垢或防潮保护。

建议：

• 尺寸：应根据所需的气流和安装可用空间的大小仔细选择百叶窗的尺寸。太小的百叶窗可能无法提供足够的通风，而太大的百叶窗可能会损害面板的结构完整性。
• 方向：百叶窗的方向应根据气流方向和可能影响气流的任何潜在障碍物或障碍物的位置来选择。
• 形状：百叶窗的形状会影响通风系统的效率。采用流线型、符合空气动力学的百叶窗可以改善气流并减少湍流。
• 材料：百叶窗所用材料应根据预期用途以及面板将暴露的环境条件进行选择。例如，不锈钢或铝可能更适合户外应用，因为户外应用需要担心暴露在自然环境中。
• 制造方法：应根据制造过程所需的精度、一致性和成本效益来选择用于制造百叶窗的制造方法。

圆形淘汰赛

根据所使用的冲头和模具的尺寸，圆形敲除器可用于创建各种尺寸的孔。 它们通常用于钣金制造中，用于电箱、HVAC 系统和外壳等应用。

建议：

• 选择正确的尺寸：确保使用正确尺寸的冲头和模具来打出您需要的孔。使用错误的尺寸可能会导致孔太小或太大。
• 使用正确的材料：圆形敲除器通常设计用于特定类型的金属板，因此请确保使用适合您所处理材料的敲除工具。
• 保持冲头和模具锋利：冲头和模具会随着时间推移而变钝并开始变形，从而导致孔的质量不佳。保持冲头和模具锋利且处于良好状态可获得最佳效果。
• 考虑材料的厚度：圆形开孔器最适合较薄的材料。如果您需要在较厚的金属板上打孔，则可能需要使用不同的工具或技术。
• 注意毛刺：使用圆形冲孔时，孔边缘可能会产生毛刺。务必使用去毛刺工具或砂纸去除所有毛刺，以获得干净的表面。

材料厚度

推荐的金属板材厚度取决于具体应用和所使用的材料。 一般来说，较厚的金属提供更大的强度和耐用性，而较薄的金属则更加柔韧和轻便。 金属板材的常见厚度范围为 0.5 毫米至 6 毫米，但可能会根据材料和预期用途而有所不同。 下面的图表显示了钣金制造中使用的一些常见金属的建议材料厚度。

注意：: 该图表提供了一般指南，给定应用的适当材料厚度可能取决于其他因素。

要避免的常见钣金设计错误

钣金制造是一个复杂的过程，涉及设计、切割、弯曲和将钣金组装成最终产品。 然而，即使是最熟练的设计师也可能会犯错误，从而导致成本高昂的返工或零件报废。 为了避免这些代价高昂的错误，了解最常见的设计错误并采取措施避免它们非常重要。

错误 1：没有折弯的 CAD 文件

要避免的一个常见错误是提供没有折弯的 CAD 文件。 没有弯曲的钣金零件无法制造为单件，并且可能需要额外的零件和劳动力将多个零件连接在一起。 在设计中包含折弯并指定折弯角度和半径以确保正确制造零件非常重要。     

错误 2：特征太靠近弯曲

另一个类似的错误包括不小心将孔、凸耳等特征放置得太靠近弯曲。 如果将特征保持得太近会怎样？ 您最终会得到一个变形的金属部件，这只会浪费您的金钱和时间。 为避免犯此错误，您可以在所有 CAD 设计中实施 4T 规则。 4T 规则规定所有特征都应至少远离任何弯曲线 4 倍的材料厚度。

错误三：完全垂直的内弯曲半径

在 CAD 设计中使用垂直线总是很诱人。 然而，现实有点不同。 弯曲金属板通常会产生圆形尖端，从而为您的弯曲提供半径。 试图获得完美的尖角可能会导致材料变形和开裂，从而损害最终产品的完整性。 为避免此问题，建议指定适用于所用材料和厚度的最小弯曲半径。 这将允许在弯曲处平滑过渡并防止可能导致故障的应力集中。

为方便起见，您可以通过测量弯曲区域的长度并将答案除以二来轻松找到金属零件的弯曲半径。 虽然您可以轻松地为每个弯曲零件使用不同的半径，但对所有弯曲使用相同的半径会更划算。           

错误 4：CAD 文件中未包含硬件详细信息

最好在 CAD 文件中包含尽可能多的详细信息，包括特定的硬件规格、尺寸和位置。 这将确保更顺畅的制造过程和更准确的最终产品。                                   

想象一下，需要一个特定的铆接螺母（例如 CLS-440-2）来组装模型，但 CAD 文件中并未包含此细节。 除了等待其他人安排所需的硬件外，别无他法。 显然，这种延迟会增加组装时间和成本。

错误 5：选择不合适的饰面

精加工通常是制造过程的最后一步，也是必不可少的一步。 大多数人错误地认为精加工只有一个功能，那就是让你的部分看起来更好。

事实上，您选择的表面处理类型也可以在保护金属部件免受生锈或腐蚀方面发挥重要作用。 虽然存在只注重金属部件美观的表面处理，但其他类型的表面处理旨在通过其保护特性来延长产品的使用寿命。

美学整理，如粉末涂层，确实提供了一些保护。 然而，丝网印刷等几种精加工仅适用于向金属部件添加文本或图像。 化学转化整理剂具有相反的功能。

这些饰面会改变产品的最外层，并起到保护涂层的作用。 除此之外，您还可以进行铬酸盐转化处理，使金属部件具有电气连接性。 它还提供用于绘画的底漆层。

重要的是要了解你应该使用什么整理剂以及你应该避免什么。 正确的饰面完全取决于您正在设计的金属部件的应用。

错误六：选错金属板

您必须从头到尾考虑您正在设计的部件的应用。 例如，您不能在海洋和含盐环境中使用未完成的钢材。 这样做会使您的金属部件容易生锈和腐蚀。

相反，通过关注流动因素来选择合适的钣金件。 像下面这样的问题非常重要。  

• 每天的预期磨损是多少？
• 您的金属零件是否在容易腐蚀和生锈的环境中使用？
• 钣金制造有多容易？
• 金属零件的外观有多重要？
• 您的零件需要导电性吗？
• 您的金属零件需要具备哪些机械性能？

回答这些问题将使您了解您的技术要求是什么，并让您做出明智的设计。

错误 7：不考虑 U 型槽的材料强度

U型槽是任何产品设计的重要组成部分，其强度主要取决于材料的整体强度。 忽视材料强度会导致 U 形通道太弱，导致在应力下弯曲或断裂。 为避免这种错误，必须为 U 型槽选择合适的材料和厚度。 基于预期负载并考虑通道在使用中可能遇到的任何额外压力，例如振动或冲击。

错误八：设计无法实现的焊接要求

无论设计多么简单，都很有可能需要一些焊接或其他机械接头。 一些设计人员常犯高估装置焊接能力的错误，这反过来又增加了复杂性和成本。

避免此类问题的最佳方法是实施严格的制造设计 (DFM) 实践。 这确保所有功能都符合通用标准。

钣金类型

钣金一词在工业中使用得相当广泛。 然而，所使用的金属通常是以下之一。

• 不锈钢： 由于其多功能性和耐用性，这可能是最常见和最著名的选择。 不锈钢是需要具有成本效益、耐用且坚固的选择的应用的首选。
• 冷轧钢： 对于材料强度是设计师主要关注的应用的绝佳选择。
• 预镀钢： 类似于普通钢，但带有特殊涂层以防止腐蚀。  
• 铝： 一种重量轻且几乎惰性的选择，可提供出色的强度重量比。
• 铜： 铜是一种昂贵但有效的材料。 它在正常条件下不会发生反应，性能持久，不会发生任何化学或生物降解。
• 黄铜： 一种铜和锌合金，既耐腐蚀又足够坚硬，可以吸收多次冲击。

钣金零件的常见表面处理

虽然钣金件通常无需任何处理即可正常工作，但某些应用程序会违反此规则。 以下过程是钣金产品最常见的一些后处理步骤。

• 阳极氧化
• 打磨
• 抛光
• 喷砂
• 粉末涂料
• 电镀
• 钝化
• 铬涂层
• 根据要求定制饰面

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