钣金工艺与结构设计基础知识.pdf

认真勤奋主动担当 专业能力开放包容 一、钣金加工定义一、钣金加工定义: 钣金加工是针对金属薄板（通常在6mm以下）一种综合冷加工工艺，包括剪 切,冲裁,折弯,焊接,铆接,模具成型及表面处理等。其显著的特征就是同一零件厚度 一致。根据加工方式不同,通常分为两类: 1.非模具加工: 通过数控冲床 ,激光镭射,折弯机,铆钉机等加工工具对板材进行加工的工艺方式,一 般用于样品制作,成本较高。 2.模具加工: 通过固定的模具,对钣金进行加工,一般有下料模,成型模,主要用于批量生产,成本较 低。 钣金件具有重量轻、强度高、导电（能够用于电磁屏蔽）、成本低、大规模 量产性能好等特点，在电子电器、通信、汽车工业、医疗器械等领域得到了广泛 应用，例如在电脑机箱、手机、电控柜、取款机、设备外罩中，钣金件是必不可 少的组成部分。随着钣金的应用越来越广泛，钣金件的设计变成了产品开发过程 中很重要的一环，机械工程师必须熟练掌握钣金件的设计技巧，使得设计的钣金 既满足产品的功能和外观等要求，又能使得冲压模具制造简单、成本低。 钣金加工厂一般来说基本设备包括：剪板机、数控冲床、激光切割机、等离子 切割机、水射流切割机、复合机、折弯机以及各种辅助设备如：开卷机、校平 机、去毛刺机、点焊机、铆钉机、刨槽机等。 数控冲床的工作原理为：由数控装置内的计算机对编制好的加工程序分析后通过伺服系统及可编程序制器向机床主轴及进 给等执行机构发出指令，机床主体则按照这些指令，并在检测反馈装置的配合下，对工件加工所需的各种动作，如刀具相 对于工件的运动轨迹、位移量和进给速度等项要求实现自动控制，从而完成工件的加工。 激光切割机的原理：光纤激光切割机利用高密度激光束照射被切割材料上，使材料很快 被加热至汽化的温度，瞬间蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成行窄 的切缝（如0.1mm左右），完成对材料的切割，这就是激光切割（Laser Cutting）。 按结构分可以分成两大类： 1、开放式数控冲床：结构形状C型，一面是开放式。优点： 造价便宜、上下 工件方便，方便大型钣金加工。缺陷：工位吨数低最大只能做到35吨，超过35 吨位精度下降。 2、封闭式数控冲床：机构形状O型，无开放面。优点：可以造高吨位35吨及 以上，稳定性好。适合高精度钣金加工。缺陷：造价高于开式数控冲床，上下 料必须从左右两边上下料。 目前我们公司使用的是通快1000型开放式数控冲床，可加工0.62.0mm厚度的 SPCC/SGCC/SECC板；0.61.5mmSUS不锈钢板，加工幅面为1250X2500mm 如果从激光发生器来分可以分为： A，固体激光。B，半导体激光。C，液体激光。D，气体激光。 这里面用于钣金加工激光切割的有固体激光和CO2激光两种。 我们公司用的是德国梅塞尔激光切割机，属于固体激光。可加工1500X3000mm规格的板材， 加工厚度为0.38mm 折弯机顾名思义是一种能够对薄板进行折弯的机器。折弯机分为液压折弯机和 数控折弯机，液压折弯机按同步方式又可分为：扭轴同步、机液同步，和电液 同步。液压折弯机按运动方式又可分为：上动式、下动式。 我们公司用的是国产数控折弯机，可用于厚度6mm，宽度小于3000的板材折弯 1.1 冷轧普通薄钢板冷轧普通薄钢板，是普通碳素结构钢冷轧板的简称，简称：，它是 由普通碳素结构钢热轧钢板经过进一步冷轧制成厚度小于4mm的钢板，由于在 常温下轧制，不产生氧化皮，因此，表面质量好，尺寸精度高，再加之退火处 理，其机械性能和工艺性能良好，是钣金加工最常用的一种金属材料。 常用牌号：国标GB（Q195、Q215、Q235、Q275） 日标JIS(SPCC、SPCD、SPCE) 1.2 连续电镀锌薄钢板连续电镀锌薄钢板，俗称：，是指在电镀锌作业线上在电场作用 下，锌从锌盐的水深液中沉积到预先准备好的冷板表面上，钢板表面就会产生 一层镀锌层，使钢板具有良好的耐腐蚀性。 牌号：国标GB（DX1、DX2、DX3、DX4） 日标JIS(SECC、SECD、SECE) 1.3 连续热镀锌薄钢板连续热镀锌薄钢板，一般简称或，钢板表面美观，有块状 或树叶状镀结晶花纹，且镀层牢固，有优良的耐大气腐蚀性能，同时，钢板还 有良好的焊接性能和冷加工成型性能，与电镀锌板表面相比，其镀层较厚，主 要用于要求耐腐蚀性较强的钣金件。 牌号：国标GB（Zn100PT、Zn200SC、Zn275JY） 日标JIS(SGCC、SGCD1、SGCD2、 SGCD3) 1.4 不锈钢板不锈钢板，是一种耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学 浸蚀性介质腐蚀的钢。又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀 的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。 需要注意的是：不锈钢板的强度较高，对数控冲床的刀具磨损较大，一般 不合适数冲加工。 牌号：不锈钢的种类有很多，钣金加工常用的是一种奥氏体不锈钢 （1Cr18Ni9Ti） 日标JIS(SUS) 1.5 铝板铝板, 铝是一种银白色的轻金属，具有良好的导热性、导电性和延展性。 纯铝强度很低，无法作为结构材料使用，钣金加工一般用到的是铝合金板，根 据合金元素含量不同，铝板可以分为8个系列，分别为1000系列、2000系列 8000系列，常用的有2000系列，3000系列和5000系列。2000系列是一种铜铝合 金，特点是硬度较高，又称硬铝；可用作各种中等强度的零件和构件，3000系 列是一种锰铝合金，防锈性能较好，所以又称防锈铝；5000系列是一种镁铝合 金，主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高。在相同面积下铝镁合金的重 量低于其他系列。 常用牌号的有：3A21(老牌号LF21) 、5A02(老牌号LF2) 、2A06(老牌号LY6) 1.6 常用板材重量的计算常用板材重量的计算 基本计算公式：材料重量=长（m）*宽（m）*料厚（mm）*材料密度 材料名称碳钢板不锈钢板铝板紫铜板黄铜板材料名称碳钢板不锈钢板铝板紫铜板黄铜板 密度7.857.932.718.898.5 紧固件为将两个或两个以上零件（或构件）紧固连接成为一件整体时所采用 的机械零件的总称。常用紧固件包括：螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫圈、销等。 2.1 螺纹加工螺纹加工 普通螺纹的表示： 粗牙普通螺纹用字母“M”及公称直径表示，如公称直径为24mm的粗牙普通 螺纹的代号为M24。 细牙普通螺纹用字母“M”及公称直径*螺距表示,如M24*1.5。 攻螺纹前钻底孔直径尺寸计算公式：底孔直径=螺纹外径螺距 也可按下表直接查出： 螺纹规格 M2 M3 M4 M5 M6 M8 M10 M12 M14 底孔直径 1.6 2.43.34.25 6.8 8.510 12 2.2 铆螺钉，铆螺母，铆松不脱螺钉铆螺钉，铆螺母，铆松不脱螺钉，其工作原理是，先在工件上预加工相 应大小的孔，然后通过冲床或压铆机等设备施加压力，使铆螺母、铆螺钉的齿 边挤入板内，导致孔的的周边产生塑性变形，变形物被挤入导向槽，从而产生 锁紧的效果。 常用铆螺钉、铆螺母及焊接螺母底孔加工尺寸查询表 规格 种类 M2.5 M3 M4 M5 M6 M8 M10 压铆螺母柱 5.46.17.2 通孔8 盲孔8.5 压铆螺钉 2.53 4 5 6 8 涨铆螺母 5 6 8 9 11 14 松不脱螺钉 5.86.48 9.5 焊接螺母 5 6 7 9 钣金加工工程图也属于机械制图的范畴，机械制图是用图样确切表示机械 的结构形状、尺寸大小、工作原理和技术要求的学科。图样由图形、符号、文 字和数字等组成，是表达设计意图和制造要求以及交流经验的技术文件，常被 称为工程界的语言。 1.1三视图简介 三视图是观测者从三个不同位置观察同一个空间几何体而画出的图形，三视图 就是主视图、俯视图、左视图的总称。 一个视图只能反映物体的一个方位的形状，不能完整反映物体的结构形状。三 视图是从三个不同方向对同一个物体进行投射的结果，另外还有如剖面图、半 剖面图等做为辅助，基本能完整的表达物体的结构。 三视图的投影规则是： 主视、俯视 长对正 主视、左视 高平齐 左视、俯视 宽相等 1.2第三角投影法简介 三视图有两种画法：第三角投影法和第一角投影法，这两种投影法均符合ISO 国际标准。目前，中国、德国等国家采用第一角投影法，美国、日本等国家则 采用第三角投影法，在实际生产过程中我们也经常会见到第三视角的图纸。 两种投影法的不同之处： 第一角投影法是将物体放在投影面与观察者之间 第三角投影法是将投影面放在物体与观察者之间 所以两种投影法所得的视图，在表示物体前后位置关系上是相反的： 第一角视图：左视图放右边，右视图放左边，俯视图放下面，依此类推； 第三角视图：左视图放左边，右视图放右边，俯视图放上面，依此类推； 在国际标准中，为区别两种画法，规定了两种画法的标记符号，如右图。 2.1展开计算原理： 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件展开长度的基准。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,当弯曲半径变小，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。 2.2计算方法： 钣金展开的计算方法有很多，每家钣金厂的计算方法也不一定相同，我们采 用的是比较简单实用的折弯扣除法来计算展开尺寸。 展开的基本公式: 展开长度=料外+料外展开系数（K值） 折弯类型示意图计算公式 直角折弯 折弯类型示意图计算公式 直角折弯展开尺寸=A+BK 非直角折弯非直角折弯展开尺寸=A+B（q/90)*K 圆弧折弯圆弧折弯 (R/T5) 展开尺寸 =(ART)+(BRT)+3.14*q*(R+0.5T)/180 压死边压死边展开尺寸=A+B0.43T 直边段差 （直边段差 （Z折）折） 1.当H5T时，分两次成型，按两次直角折弯计 算； 2.当H5T时，一次成型，L=A+B+K ( K值查24表参考数值) 斜边段差 （斜边段差 （Z折）折） 1.当H2T时， a.当q70 L=A+B+C+0.2 b.当q70 L=A+B+K ( K值查3.2.4表参考数值，即按直边段 差展开) 1.当H2T时，分两次成型，按两次非直角折弯 计算； 板厚板厚T0.81.01.21.52.02.53.0 K（冷板）（冷板）1.51.82.12.63.44.55.4 K（不锈钢）（不锈钢）1.41.92.32.873.75 板厚板厚T0.51.01.21.52.02.53.0 K0.81.51.72.33.24.05.0 板厚板厚T1.01.52.02.53.04.05.06.08.010.0 K1.82.63.54.44.86.58.09.512.516 表21钢板展开系数表(单位:mm) 表22铝板展开系数表(单位:mm) 表23铜板展开系数表(单位:mm) H T 0.5 0.8 1.0 1.2 1.5 1.6 2.0 3.2 0.5 0.1 0.8 0.2 0.1 0.1 1.0 0.5 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 1.5 1.0 0.7 0.5 0.3 0.3 0.3 0.3 0.2 2.0 1.5 1.2 1.0 0.8 0.5 0.4 0.4 0.3 2.5 2.0 1.7 1.5 1.3 1.0 0.9 0.5 0.4 3.0 2.5 2.2 2.0 1.8 1.5 1.4 1.0 0.5 3.5 2.7 2.5 2.3 2.0 1.9 1.5 0.6 4.0 3.2 3.0 2.8 2.5 2.4 2.0 0.8 4.5 3.7 3.5 3.3 3.0 2.9 2.5 1.3 5.0 4.0 3.8 3.5 3.4 3.0 1.8 表24直边段差展开系数表(单位:mm) 3.1冲压工艺 3.1.1 冲孔最小尺寸要求 由于受到冲孔凸模强度限制，孔径不能过小，冲孔最小尺寸与孔的形状、材料 机械性能和材料厚度有关。 表31 冲孔最小尺寸列表 材料 冲孔的最小直径或最小边长(t为材料厚度) 圆孔D（D为直径）方孔L（L为边长） 腰圆孔、矩形孔a （a为最小边长） 高、中碳钢1.3t1.2t1t 低碳钢及黄铜1t0.8t0.8t 铝、锌0.8t0.6t0.6t 3.1.2 冲孔最小孔距 零件的冲孔边缘离外形的最小距离随零件与孔的形状不同有一定的限制，可 参考下图 3.1.3 冲孔搭边要求 采用复合模加工的孔与外形、孔与孔之间的精度较易保证，加工效率较高，但 孔与孔之间，孔与外形之间的距离必须要能满足复合模的最小壁厚要求，如图 D1 D2 D4 D3 D4 t (0.8以下)t (0.81.59)t (1.593.18)t (3.2以上) D13mm2t D23mm2t D31.6mm2t2.5t D41.6mm2t2.5t 3.1.4先冲孔后折弯，为保证孔不变形，孔与弯边的最小距离，公式：X2t+R t X R 3.1.5 在拉深零件上冲孔时，见图，为了保证孔的形状及位置精度以及模具的强 度，其孔壁与零件直壁之间应保持一定距离，即其距离a1及a2应满足下列要求： a1 R1+0.5t，a2R2+0.5t. 式中R1，R2圆角半径； t板料厚度。 R1 a2 R2 a1 t 3.1.6 数冲加工应注意的问题及要求 厚度0.6mm以下材料易变形，加工范围受模具，夹爪等限制，一般不适合用 数冲加工； 适中的硬度和韧性的材料有较好的冲裁加工性能；硬度太高会使冲裁力变大， 对冲头和精度都有不好的影响；硬度太低，使冲裁时变形严重，精度受到很大的 限制； 材料的高塑性对成形加工有利，但不适合于蚕食、连续冲裁，对冲孔和切边 也不太合适；适当的韧性对冲裁是有益的，它可以抑制冲孔时的变形程度；韧性 太高则使冲裁后反弹严重，反而影响了精度。 冲压普通低碳钢板时，模具直径和宽度必须大于料厚，比如1.4的模具不能 冲1.5mm的材料，冲压铝合金板和铜合金板的模具可以小一些，但冲压不锈钢和 高碳钢板的模具就需用更大一些，否则模具容易断裂损坏； 不锈钢板一般不宜用数冲加工。当然，厚度0.8mm2.5mm的不锈钢板可以用数 冲加工，但对模具的磨损大，且加工的废品率也比普通钢板要高很多； 3.2折弯工艺 钣金折弯，是指改变板材或板件角度的加工。如将板材弯成V形，U形等。 一般情况下，钣金折弯有两种方法:一种方法是模具折弯，用于结构比较复杂， 体积较小、大批量加工的钣金结构；另一种是折弯机折弯，用于加工结构尺寸比 较大的或产量不是太大的钣金结构。目前我司产品的折弯主要采用折弯机加工。 3.2.1 折弯加工顺序的基本原则： 由内到外进行折弯； 由小到大进行折弯； 先折弯特殊形状，再折弯一般形状； 前工序成型后对后继工序不产生影响或干涉。 3.2.2 折弯半径 材料弯曲时，其圆角区上，外层收到拉伸，内层则受到压缩。当材料厚度一定时， 内r越小，材料的拉伸和压缩就越严重；当外层圆角的拉伸应力超过材料的极限 强度时，就会产生裂缝和折断，因此，弯曲零件的结构设计，应避免过小的弯曲 圆角半径。常用材料的最小弯曲半径见下表。 序号材料最小弯曲半径序号材料最小弯曲半径