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钣金结构设计工艺手册

1.1钣金材料的选材

钣金材料是通信产品结构设计中最常用的材料，了解材料的综合性能和正确的选材，对产品成本、产品性能、产品质量、加工工艺性都有重要的影响。

1.1.1钣金材料的选材原则

1）选用常见的金属材料，减少材料规格品种，尽可能控制在公司材料手册范围内；

2）在同一产品中，尽可能的减少材料的品种和板材厚度规格；

3）在保证零件的功能的前提下，尽量选用廉价的材料品种，并降低材料的消耗，降低材料成本；

4）对于机柜和一些大的插箱，需要充分考虑降低整机的重量；

5）除保证零件的功能的前提外，还必须考虑材料的冲压性能应满足加工艺要求，以保证制品的加工的合理性和质量。

1.1.2几种常用的板材介绍

1.1.2.1钢板

1）冷轧薄钢板

冷轧薄钢板是碳素结构钢冷轧板的简称，它是由碳素结构钢热轧钢带，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，不产生氧化铁皮，因此，冷板表面质量好，尺寸精度高，再加之退火处理，其机械性能和工艺性能都优于热轧薄钢板。

常用的牌号为低碳钢08F和10#钢，具有良好的落料、折弯性能。

2）连续电镀锌冷轧薄钢板

连续电镀锌冷轧薄钢板，即“电解板”，指电镀锌作业线上在电场作用下，锌从锌盐的水溶液中连续沉积到预先准备好的钢带表现上得到表面镀锌层的过程，因为工艺所限，镀层较薄。

　３）连续热镀锌薄钢板

连续热镀锌薄钢板简称镀锌板或白铁皮，是厚度0.25~2.5mm的冷轧连续热镀锌薄钢板和钢带，钢带先通过火焰加热的预热炉，烧掉表面残油，同时在表面生成氧化铁膜，再进入含有H2、N2混合气体的还原退火炉加热到710~920℃，使氧化铁膜还原成海绵铁，表面活化和净化了的带钢冷却到稍高于熔锌的温度后，进入450~460℃的锌锅，利用气刀控制锌层表面厚度。

最后经铬酸盐溶液钝化处理，以提高耐白锈性。

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。

４）覆铝锌板

覆铝锌板的铝锌合金镀层是由55%铝、43.4%锌与1.6%硅在600℃高温下固化而组成，形成致密的四元结晶体

保护层，具有优良的耐腐蚀性，正常使用寿命可达25年，比镀锌板长3-6倍，与不锈钢相当。

覆铝锌板的耐腐蚀性来自铝的障碍层保护功能，和锌的牺牲性保护功能。

当锌在切边、刮痕及镀层擦伤部分作牺牲保护时，铝便形成不能溶解的氧化物层，发挥屏障保护功能。

上述2）、3）、4）钢板统称为涂层钢板，在国内通讯设备上广泛采用，涂层钢板加工后可以不再电镀、油漆，切口不做特殊处理，便可直接使用，也可以进行特殊磷化处理，提高切口耐锈蚀的能力。

从成本分析看，采用连续电镀锌薄钢板，加工厂不必将零件送去电镀，节省电镀时间和运输出费用，另外零件喷涂前也不用酸洗，提高了加工效率。

5）不锈钢板

因为具有较强的耐腐蚀能力、良好的导电性能、强度较高等优点，使用非常广泛，但也要充分考虑它的缺点：

材料价格很贵，是普通镀锌板的4倍；材料强度较高对数控冲床的刀具磨损较大一般不合适数控冲床上加工；不锈钢板的压铆螺母要采用高强度的特种不锈钢材料的压铆螺母，价格很贵；压铆螺母铆接不牢固经常需要再点焊；表面喷涂的附着力不高、质量不宜控制；材料回弹较大折弯和冲压不易保证形状和尺寸精度。

1.1.2.2铝和铝合金板

通常使用的铝和铝合金板主要有以下三种材料：

防锈铝3A21、防锈铝5A02和硬铝2A06。

防锈铝3A21即为老牌号LF21，系AL—Mn合金，是应用最广的一种防锈铝。

这种合金的强度不高（仅高于工业纯铝），不能热处理强化。

故常用冷加工方法来提高它的力学性能，在退火状态下有高的塑性，在半冷作硬化时塑性尚好。

冷作硬化时塑性低，耐蚀性好，焊接性良好。

防锈铝5A02即为老牌号LF2系AL—Mg防锈铝，与3A21相比，5A02强度较高，特别是具有较高的疲劳强度、塑性与耐蚀性高。

热处理不能强化，用接触焊和氢原子焊焊接性良好，氩弧焊时有形成结晶裂纹的倾向，合金在冷作硬化时有形成结晶裂纹的倾向。

合金在冷作硬化和半冷作硬化状态下可切削性较好，退火状态下可切削性不良，可抛光。

硬铝2A06为老牌号的LY6，是常用的硬铝牌号。

硬铝和超硬铝比一般的铝合金具有更高的强度和硬度，可以作为一些面板类的材料，但是塑性较差，不能进行折弯，折弯会造成外圆角部位有裂缝或者开裂。

铝合金的牌号和状态已经有新的标准，牌号表示方法的标准代号为GB/T16474-1996，状态代号GB/T16475—1996，与老标准的对照表如下表1-1所示：

表1-1铝合金新旧牌号对照表

牌号

状态

新

旧

新

旧

新

旧

新

旧

新

旧

1070A

5A06

LF6

2A80

LD8

2A14

LD10

H12

1060

5A12

LF12

2A90

LD9

2A50

LD5

1050A

8A06

4A11

LD11

6A02

LD2

1035

3A21

LF21

6063

LD31

7A04

LC4

RCS

1200

2A02

LY2

6061

LD30

7A09

LC9

5A02

LF2

2A06

LY6

2A11

LY11

5A03

LF3

2A16

LY16

2A12

LY12

5A05

LF5

2A70

LD7

2A13

LY13

1.1.2.3铜和铜合金板

常用的铜和铜合金板材主要有两种，紫铜T2和黄铜H62，

紫铜T2是最常用的纯铜，外观呈紫色，又称紫铜，具有高的导电、导热性、良好的耐蚀性和成形性，但强度和硬度比黄铜低得多，价格也是非常昂贵，主要用作导电、导热和耐用消费品腐蚀元件，一般用于电源上需要承载大电流的零件。

黄铜H62，属高锌黄铜，具有较高的强度和优良的冷、热加工性，易用于进行各种形式的压力加工和切削加工。

主要用于各种深拉伸和折弯的受力零件，其导电性不如紫铜，但有较好强度和硬度，价格也比较适中，在满足导电要求的情况下，尽可能选用黄铜H62代替紫铜，可以大大降低材料成本，如汇流排，目前绝大部分汇流排的导电片都是采用黄铜H62，事实证明完全满足要求。

1.1.3材料对钣金加工工艺的影响

钣金加工主要有三种：

冲裁、弯曲、拉伸，不同的加工工艺对板材有不同要求，钣金的选材也应该根据产品的大致形状和加工工艺考虑板材的选择。

1.1.3.1材料对冲裁加工的影响

冲裁要求板材应具有足够的塑性，以保证冲裁时板材不开裂。

软材料（如纯铝、防锈铝、黄铜、紫铜、低碳钢等）具有良好的冲裁性能，冲裁后可获得断面光滑和倾斜度很小的制件；硬材料（如高碳钢、不锈钢、硬铝、超硬铝等）冲裁后质量不好，断面不平度大，对厚板料尤为严重。

对于脆性材料，在冲裁后易产生撕裂现象，特别是宽度很小的情况下，容易产生撕裂。

1.1.3.2材料对弯曲加工的影响

需要弯曲成形的板材，应有足够的塑性、较低的屈服极限。

塑性高的板材，弯曲时不易开裂，较低屈服极限和较低弹性模量的板料，弯曲后回弹变形小，容易得到尺寸准确的的弯曲形状。

含碳量＜0.2%的低碳钢、黄铜和铝等塑性好的材料容易弯曲成形；脆性较大的的材料，如磷青铜（QSn6.5～2.5）、弹簧钢（65Mn）、硬铝、超硬铝等，弯曲时必须具有较大的相对弯曲半径（r/t），否则在弯曲过程中易发生开裂。

特别要注意材料的硬软状态的选择，对弯曲性能有很大的影响，很多脆性材料，折弯会造成外圆角开裂甚至折弯断裂，还有一些含碳量较高的钢板，如果选择硬质状态，折弯也会造成外圆角开裂甚至折弯断裂，这些都应该尽量避免。

1.1.3.3材料对拉伸加工的影响

板材的拉伸，特别是深拉伸，是钣金加工工艺中较难的一种，不仅要求拉伸的深度尽量小，形状尽可能简单、圆滑过渡，还要求材料有较好的塑性，否则，非常容易引起零件整体扭曲变形、局部打皱、甚至拉伸部位拉裂。

屈服极限低和板厚方向性系数大，板料的屈强比σs/σb越小，冲压性能就越好，一次变形的极限程度越大。

板厚方向性系数>1时，宽度方向上的变形比厚度方向上的变形容易。

拉伸圆角R值越大，在拉伸过程中越不容易产生变薄和发生断裂，拉伸性能就越好。

常见的拉伸性能较好的材料有：

纯铝钣、08Al，ST16、SPCD。

1.1.3.4材料对刚度的影响

在钣金结构设计中，经常遇到钣金结构件的刚度不能满足要求，结构设计师往往会用高碳钢或不锈钢代替低碳钢，或者用强度硬度较高的硬铝合金代替普通铝合金，期望提高零件的刚度，实际上没有明显的效果。

对于同一种基材的材料，通过热处理、合金化能大幅提高材料的强度和硬度，但对刚度的改变很小，提高零件的刚度，只有通过变换材料、改变零件的形状，才能达到一定的效果，不同材料的弹性模量和剪切模量参见表1-2。

表1-2常见材料的弹性模量和剪切模量

名称

弹性模量E

GPa

切变模量G

GPa

名称

弹性模量E

GPa

切变模量G

GPa

灰铸铁

118~126

44.3

轧制锌

31.4

球墨铸铁

173

铅

6.8

碳钢、

镍铬钢

206

79.4

玻璃

1.96

铸钢

202

有机玻璃

2.35~29.4

轧制纯铜

108

39.2

橡胶

0.0078

冷拔纯铜

127

电木

1.96~2.94

0.69~2.06

轧制磷锡青铜

113

41.2

夹布酚醛塑料

3.95~8.83

冷拔黄铜

89~97

34.3~36.3

赛璐珞

1.71~1.89

0.69~0.98

轧制锰青铜

108

39.2

尼龙1010

1.07

轧制铝

25.5~26.5

硬四氯乙烯

3.14~3.92

拔制铝线

聚四氯乙烯

1.14~1.42

铸铝青铜

103

11.1

低压聚乙烯

0.54~0.75

铸锡青铜

103

高压聚乙烯

0.147~0.24

硬铝合金

26.5

混凝土

13.73~39.2

4.9~15.69

1.1.3.5常用板材的性能比较

表1-3几种常用板材的性能比较

材料

价格系数

搭接电阻（mΩ）

数控冲床加工性能

激光加工性能

折弯性能

涨铆螺母工艺性

压铆螺母工艺性

表面喷涂

切口防护性能。

冷軋钢板鍍藍鋅

1.0

好

一般

较好

冷軋钢板鍍彩鋅

1.2

好

一般

好

连续电镀锌钢板

1.7

好

一般

最差

热镀锌钢板

1.3

好

一般

较差

覆铝锌板

1.4

好

一般

差

不銹钢

6.5

差

好

一般

差

很差

差

好

防锈鋁板

2.9

一般

极差

好

一般

好

硬铝、超硬铝板

3.0

一般

极差

好

一般

好

T2铜板

5.6

好

极差

好

一般

好

黄铜板

5.0

好

极差

好

一般

好

注:

1，表中的数据与材料具体的牌号和厂家均有关系，仅作为定性参考之用。

2，铝合金、铜合金板材在激光切割上加工性极差，一般不能采用激光加工。

1.2冲孔和落料：

1.2.1冲孔和落料的常用方式

1.2.1.1数控冲冲孔和落料：

数控冲冲孔和落料，就是利用在数控冲床上的单片机预先输入对钣金零件的加工程序（尺寸，加工路径，加工工具等等信息），使数控冲床采用各种刀具，通过丰富的NC指令可以实现各种各样的冲孔、切边、成形等形式的加工。

数控冲一般不能实现形状太复杂的冲孔和落料。

特点：

速度快，省模具。

加工灵活，方便。

基本上能够满足样品下料生产中的需要。

注意的问题及要求：

薄材（t<0.6）不好加工，材料易变形；加工范围受刀具，夹爪等限制；适中的硬度和韧性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；高的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。

数控冲一般适合冲裁T=3.5～4mm以下的低碳钢、电解板、覆铝锌板、铝板、铜板、T=3mm以下的不锈钢板，推荐的数控冲床加工的板料厚度为：

铝合金板和铜板为0.8～4.0，低碳钢板为0.8～3.5mm，不锈钢板0.8～2.5mm。

对铜板加工变形较大，数控冲加工PC和PVC板，加工边毛刺大，精度低。

冲压时用的刀具直径和宽度必须大于料厚，比如Φ1.5的刀具不能冲1.6mm的材料.

0.6mm以下的材料一般不用NCT加工。

不锈钢材料一般不用NCT加工。

（当然，0.6~1.5mm的材料可以用NCT加工，但对刀具磨损大，现场加工出现的废品率的几率比其它GI等材料要高的多。

）

其它形状的冲孔落料希望尽可能简单、统一。

数控冲的尺寸要规格化，如圆孔，六边形孔、工艺槽最小宽度为1.2mm。

具体参考《钣金模具手册》。

1.2.1.2冷冲模冲孔和落料：

对产量较大，尺寸不太大的零件进行冲孔落料，为提高生产效率，而专门开的钣金冲压模具。

一般由凸模和凹模组成。

凹模一般有：

压入式，镶拼式等。

凸模一般有：

圆形，可更换；组合式；快装卸型等。

最常见的冲模有：

冲裁模（主要有：

开式落料模，闭式落料模，冲孔落料复合模，开式冲孔落料连续模，闭式冲孔落料连续模），弯曲模，压延模。

特点：

因为用冷冲模冲孔及落料基本可一次冲压完成，效率高，一致性好，成本低。

所以对于年加工量在5000件以上，零件尺寸不是太大的结构件，加工厂一般开冷冲模加工，在结构设计时就要考虑按开冷冲模加工的工艺特点设计。

比如零件不应出现尖角（除使用上必须外），需设计成圆角，可改善模具的质量和寿命，也使工件美观，安全，耐用；为满足功能要求，零件的结构形状可以设计得更复杂等。

1.2.1.3密孔冲冲孔：

密孔冲可以视为数控冲的一种，对于有大量密孔的零件，为提高冲孔效率，精度等，专门开可一次冲大量密孔的冲孔模对工件进行加工。

如：

通风网板，进出风挡板等。

见图1-1所示。

图中阴影部分为密孔模，零件的密孔靠密孔模可快速冲出。

比一个一个的冲孔，大大的提高效率。

图11密孔冲示意图

密孔设计注意的问题及要求：

产品上密孔的设计应考虑密孔冲模具的加工特点是重复多次冲裁，这样在设计密孔的排布的时候应采用这样的原则：

1）设计密孔排布时首先考虑借用《钣金模具手册》上规划的密孔模，以减少模具成本；

2）同一类型的密孔排布时应统一，行间距规定一个不变的数值，列间距也规定一个不变的数值，这样同一类型的密孔模具可以通用，减少开模数量，降低了模具的成本；

3）同一类型的孔的尺寸应一致，如六方孔可以统一为内切圆Φ5的六方孔，此六方孔为公司六方孔的常用尺寸，占六方密孔的90%以上。

4）采用错位排布两行孔数不等时，必须满足两个要求，1，孔距较大，两孔的边缘距离大于2t（t为材料厚度）；2，总排数应该为偶数排，如图1-2所示；

图1-2密孔错位排布示意图

5）如果密孔的孔距很小，每排孔的数量必须为为偶数。

如图13所示，两个密孔之间的距离D小于2t时（t为材料厚度），因为模具的强度问题，则密孔模要间隔设置，图中阴影部分为密孔模。

可以看出，每排孔的数量必须为为偶数。

如果图1-2中的孔距也是这样很小时，因为每排的孔数不等（7空、8孔两种），则无法用密孔模一次性冲出。

图13密孔模

图1-1a的密孔模可设计成如图1-4所示。

图14密孔模

图1-1b的密孔模只能设计成如图1-5所示。

图15密孔模

设计密孔的排布时尽量按照上述要求设计，并且连续和有一定的规律性，便于开密孔模具，降低冲压成本，否则只能采用数冲或开很多套模具来完成加工。

如图1-6所示，图a，交错孔，行数不是偶数；图b，中间缺孔；图c，密孔距离太近，每行孔数和每列孔数都是奇数；图d、e，密孔距离太近，密孔的每行孔数不相等，这些不能仅靠密孔模冲孔一次完成加工，还须用其它补加工方法才能完成。

图f，如果用密孔模加工，也需要用其它补加工方法才能完成，即使开落料模，也需要多副冲孔模完成，工艺性很差。

图16密孔排部示意图

1.2.1.4激光切割：

激光切割是由电子放电作为供给能源，利用反射镜组聚焦产生激光光束作热源的一种无接触切割技术，利用这种高密度光能来实现对钣金件的打孔及落料。

特点：

切割形状多样化，切割速度比线切割快，热影响区小，材料不会变形，切口细，精度及质量高，噪声小，无刀具磨损，无需考虑切割材料的硬度，可加工大型，形状复杂及其它方法难以加工的零件。

但其成本较高，同时会损坏工件的支撑台，而且切割面易沉积氧化膜，难处理。

一般只适合单件和小批量加工。

注意的问题及要求：

一般只用于钢板。

铝板及铜板一般不能用，因为材料传热太快，造成切口周围融化，不能保证加工精度及质量。

激光切割端面有一层氧化皮，酸洗不掉，有特殊要求的切割端面要打磨；激光切割密孔变形较大，一般不用激光切割密孔。

1.2.1.5线切割：

线切割是把工件和电极丝（钼丝，铜丝）各作为一极，并保持一定距离，在有足够高的电压时形成火花隙，对工件进行电蚀切割的加工方法，切除的材料由工作液带走。

特点：

加工精度高，但加工速度较低，成本较高，且会改变材料表面性质。

一般用于模具加工，不用作加工生产用零件。

有些单板型材面板的方孔没有圆角，无法铣削，又因为铝合金不能用激光切割，如果没有冲压空间不能冲压，只能采取线切割加工，速度很慢，效率非常低，无法适应批量生产，设计应该避免这种情况。

1.2.1.6常用的三种落料和冲孔方法的特点对比

表1-4常见三种冲孔和落料加工特点比较注：

以下数据为冷轧钢板的数据。

激光切割

数控冲（包括密孔冲）

冷冲模

可加工材质

钢板

钢板，铜板、铝板

可加工料厚

1mm～8mm

0.6mm～3mm

一般小于4mm

加工最小尺寸（普通冷轧钢板）

最小细缝0.2mm

最小圆0.7mm

冲圆孔Ø≧t

方孔小边W≧t

长槽宽W≧t

冲圆孔Ø≧t

方孔小边W≧t

长槽宽W≧2t

孔与孔，孔与边的边缘最小距离

≧t

≧1t

孔与孔，孔与边的边缘优选距离

≧1.5t

一般加工精度

±0.1mm

加工范围

2000X1350

外观效果

外缘光滑，切割端面有一层氧化皮

毛边大，且有带料毛边

少量毛边

曲线效果

光滑，形状多变

毛边大，形状规范；

光滑，形状多变

加工速度

切割外圆快

冲制密孔快

最快

加工文字

刻蚀，较浅，尺寸不受限制

冲压凹形文字，符号较深；尺寸受模具限制

冲压，凹形文字，符号，较深；尺寸受模具限制

成形

不能

凹点，沉（沉）孔，小型拉伸等均可

可实现较复杂的形状

加工费用

较高

低

1.2.2冲孔落料的工艺性设计

1.2.2.1排布的工艺性设计

大批量及中批量生产，零件的材料费用占较大的比重，对材料的充分和有效利用，是钣金生产的一项重要经济指标。

所以在不影响使用要求的条件下，结构设计人员设计时，争取采用无废料或少废料的排布方法，如图1-7所示为无废料排布。

图17无废料排布

有些零件形状略加改变，就可以大大节约材料。

如图1-8所示，图2比图1省料。

图18略改设计的省料排部

1.2.2.2冲裁件的工艺性

对于数控冲床加工外圆角，需要专用的外圆刀具，为了减少外圆刀具，如图1-9所示本手册规范外圆角为：

1）90度直角外圆角系列半径为r2.0，r3.0、r5.0，r10，

2）135度的斜角的外圆角半径统一为R5.0，：

图19冲裁件的外圆角

冲孔优先选用圆形孔，圆孔应按照《钣金模具手册》中规定的系列圆孔选取，这样可以减少圆孔刀具的数量，减少数控冲床换刀时间。

由于受到冲孔凸模强度限制，孔径不能过小，其最小孔径与材料厚度有关。

在设计时孔的最小直径不应小于下表1-5所示的数值。

表1-5用普通冲床冲孔的最小尺寸

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

≥1.3t

≥1.2t

≥1t

低碳钢及黄铜

≥1t

≥0.8t

铝、锌

≥0.8t

≥0.6t

布质胶木层压板

≥0.4t

≥0.35t

≥0.3t

冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不应过小，其值见图1-10：

图110冲裁件的孔与孔、孔与边缘之间的距离

考虑到模具的冲压加工中，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，而且模具的的维修成本，维修方便，考虑到以上原因，孔与孔之间，孔与外形之间的距离如果能满足复合模的最小壁厚要求，工艺性更好，如图1-11所示：

图111冲裁件的搭边要求

表1-6复合模加工冲裁件的搭边最小尺寸

t（0.8以下）

t（0.8~1.59）

t（1.59~3.18）

t（3.2以上）

3mm

1.6mm

2.5t

1.6mm

2.5t

如图1-12所示，先冲孔后折弯，为保证孔不变形，孔与弯边的最小距离

X≥2t+R

图112孔与弯边的最小距离

在拉深零件上冲孔时，见图1-13，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，

a2≥R2+0.5t.

式中R1，R2－圆角半径；

t－板料厚度。

图113在拉深件上冲孔

1.2.2.3冲裁件的加工精度

图114冲裁件孔中心距的公差

图1-14冲裁件孔中心距的公差：

表1-7孔中心距的公差表单位：

材料厚度

普通冲孔精度

高级冲孔精度

公称尺寸L

<50

50～150

150～300

<50

50～150

150～300

±0.1

±0.15

±0.20

±0.03

±0.05

±0.08

1～2

±0.12

±0.20

±0.30

±0.04

±0.06

±0.10

2～4

±0.15

±0.25

±0.35

±0.06

±0.08

±0.12

4～6

±0.20

±0.30

±0.40

±0.08

±0.10

±0.15

注：

使用本表数值时所有孔应是一次冲出的。

图1-15孔中心距与边缘距离公差：

图115孔中心与边缘距离的公差

冲压件设计尺寸基准的选择原则

1）冲压件的设计尺寸基准尽可能与制造的定位基准相重合，这样可以避免尺寸的制造误差。

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