结构设计技巧，钣金结构设计之冲切与折弯知识大全

结构设计技巧，钣金结构设计之冲切与折弯知识大全

对于工业设计师来说，一些常用的加工工艺是有必要去了解和熟悉的，想要产品落地生产销售，一些工艺常识是需要知晓的。下面优概念工业设计为大家普及钣金结构设计常识，重点讲解关于冲切与折弯的相关知识，希望这篇结构设计技巧能够带给不少感悟。钣金具有重量轻、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。

一、什么是钣金

钣金是针对金属薄板（通常在6mm以下）一种综合冷加工工艺，包括剪、冲/切/复合、折、铆接、拼接、拉伸、成型（如汽车车身）等。其显著的特征就是同一零件厚度一致。

二、结构设计准则

在设计产品零件时，必须考虑到容易制造的问题。尽量想一些方法既能使加工容易，又能使材料节约，还能使强度增加，又不出废品。为此设计人员应该注意以下制造方面事项。

钣金件的工艺性是指零件在冲切、弯曲、拉伸加工中的难易程度。良好的工艺应保证材料消耗少，工序数目少，模具结构简单，使用寿命高，产品质量稳定。

在一般情况下，对钣金件工艺性影响最大的是材料的性能、零件的几何形状、尺寸和精度要求。如何在薄板构件结构设计时充分考虑加工工艺的要求和特点，这里推荐几条设计准则。

1，简单形状准则

切割面几何形状越简单，切割下料越方便、简单、切割的路径越短，切割量也越小。如直线比曲线简单，圆比椭圆及其它高阶曲线简单，规则图形比不规则图形简单，见下图。

(a)不合理结构　　(b)改进结构

图a的结构只有在批量大时方有意义，否则冲裁时，切割麻烦，因此，小批量生产时，宜用图b所示结构。

(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）

节省原材料意味着减少制造成本。零碎的下角料常作废料处理，因此在薄板构件的设计中，要尽量减少下脚料。冲切弃料最少以减少料的浪费。特别在批量大的构件下料时效果显著，减少下角料的途径有：

(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。

零件上冲孔设计应考虑留有合适的孔边距和孔间距以免冲裂。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。当冲孔边缘与零件外形边缘不平行时，该最小距离应不小于材料厚度t；平行时，应不小于1.5t。最小孔边距和孔间距见表。

模具制作上以圆孔最坚固好制造维修，唯开孔率较低。

以正方形孔开孔率最高，但因是90度角，角边容易磨损崩塌,造成要修模而停线.而六角形的开孔其大于90度的120度角比正方形孔开孔更坚固但开孔率在边缘比正方形孔差一点。

⑶.细长的板条刚度低，也易在剪裁时产生裂纹，特别是对刀具的磨损严重。

冲裁件的凸出或凹入部分的深度和宽度，一般情况下，应不小于1.5t(t为料厚)，同时应该避免窄长的切口与和过窄的切槽，以便增大模具相应部位的刃口强度。见下图

对一般钢A≥1.5t；对合金钢A≥2t；对黄铜、铝A≥1.2t；t—材料厚度。

4,可靠冲裁准则

图a所示的半圆切线结构冲裁加工很难。因为这要求准确地确定刀具和工件之间的相对位置。准确测量定位不仅费时，更重要的是，刀具由可磨损和安装的误差，精度通常达不到这么高的要求。这样的结构一旦加工稍有偏差，质量很难保证，且切割外观差。所以应采用图b所示的结构，它可保证可靠的冲裁加工质量。

(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

当搭接在一道工序中用冲切法制成90°的弯边时，选材要注意材质不宜太硬，否则易在直角弯折处破裂。应在弯边位置设计工艺切口，防止折角处破裂。

6，弯曲件的结构准则

⑴、板件最小弯曲半径

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，内半径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。为此规定最小弯曲半径。

常用金属材料最小折弯半径列表

弯曲半径是指弯曲件的内侧半径,t是材料的壁厚。t为材料壁厚，M为退火状态，Y为硬状态，Y2为1/2硬状态。

对于如下图所示封闭式弯边零件，其弯边高度h最大不得超过40㎜,若需大于40㎜者，须经校核后方能使用。

⑵、弯曲的最小直边高度

弯曲的直边高度不宜过小，否则不易成形足够的弯矩，很难得到形状准确的零件。其值h≥R+2t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

如果设计需要弯曲件的直边高度h≤2t,，则首先要加大弯边高度，弯好后再加工到需要尺寸；或者在弯曲变形区内加工浅槽后，再折弯。

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

当弯边侧边带有斜角的弯曲件时，侧面的最小高度为：h=（2～4）t＞3mm

弯边侧边带有斜角的直边高度

⑶、弯曲的直边变形处理

①、当a＜R时，弯曲后，b面靠a处仍然有一段残余圆弧，为了避免残余圆弧，必须使a≥R。

②、在U形弯曲件上，两弯曲边最好等长，以免弯曲时产生向一边移位。如不允许，可设一工艺定位孔。

③、防止侧面（梯形）弯曲时产生裂纹或畸形。应设计预留切槽，或将根部改为阶梯形。槽宽K≥2t，槽深L≥t+R+K/2。

④、防止圆角在弯曲时受压产生挤料后起皱，应设计预留切口。如室外机侧板（上端、下端）圆角处切口形式。

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、防止弯曲时，一边向内产生收缩。可设计工艺定位孔，或两边同时折弯，还可用增加幅宽的办法来解决收缩问题。

⑨、弯成直角的搭接形式。

⑷、凸部的弯曲

若象a图那样弯曲线和阶梯线一致，有时会在根部开裂变形。所以使弯曲线让开阶梯线如图b，或设计切口如c、d那样。

⑸、折弯件上的孔边距

孔边距：先冲孔后折弯，孔的位置应处于弯曲变形区外，避免弯曲时孔会产生变形。孔壁至弯边的距离见表。

表折弯件上的孔边距

①、防止弯曲时，弯曲面上的孔受力后会变形，孔边距（至底根部）其值A≥4方可。

②、弯曲边冲孔时，孔边到弯曲半径R中心的距离L不得过小，以免弯曲成型后会使孔变形。其值L≥2t方可。

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

局部弯曲某一段边缘时，为了防止尖角处应力集中产生弯裂，可将弯曲线移动一定距离，以离开尺寸突变处（图a)，或开工艺槽（图b)，或冲工艺孔（图c) 。注意图中的尺寸要求：S≥R ；槽宽k≥t；槽深L≥t+R+k/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

打死边的死边长度与材料的厚度有关。如下图所示，一般死边最小长度L≥3.5t+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

为保证毛坯在模具中准确定位，防止弯曲时毛坯偏移而产生废品，应预先在设计时添加工艺定位孔，如下图所示。特别是多次弯曲成形的零件，均必须以工艺孔为定位基准，以减少累计误差，保证产品质量。

⑼、标注弯曲件相关尺寸时，要考虑工艺性

⑽、弯曲件的回弹

影响回弹的因素很多，包括：材料的机械性能、壁厚、弯曲半径以及弯曲时的正压力等。

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。

弯曲件的回弹，目前主要是由生产厂家在模具设计时，采取一定的措施进行规避。同时，从设计上改进某些结构促使回弹角减小如下图所示：在弯曲区压制加强筋，不仅可以提高工件的刚度，也有利于抑制回弹。

7，拉深件的构形准则

a. 拉深件的形状应尽量简单、对称。

b. 拉深件各部分尺寸比例要恰当，尽量避免设计宽凸缘和深度大的拉深件。（D凸＞3d， h≥2d）因为这类零件要较多的拉深次数。

c. 拉深件的圆角半径要合适，圆角半径尽量取大些，以利于成型和减少拉深次数。

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、防止拉深时产生扭曲变形，A、B宽度应相等（对称）即A=B。

⑷、拉伸件设计图纸上尺寸标注的注意事项

拉伸件由于各处所受应力大小各不相同，使拉伸后的材料厚度发生变化。一般来说，底部中央保持原来的厚度，底部圆角处材料变薄，顶部靠近凸缘处材料变厚，矩形拉伸件四周圆角处材料变厚。

⑸、拉伸件产品尺寸的标准方法

在设计拉伸产品时，对产品图上的尺寸应明确注明必须保证外部尺寸或内部尺寸，不能同时标注内外尺寸。

⑹、拉伸件尺寸公差的标注方法

拉伸件凹凸圆弧的内半径以及一次成形的圆筒形拉伸件的高度尺寸公差为双面对称偏差，其偏差值为国标(GB)16级精度公差绝对值的一半，并冠以±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

在板状金属零件上压筋，有助于增加结构刚性，加强筋结构及其尺寸选择参见表。

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

百叶窗通常用于各种罩壳或机壳上起通风散热作用，其成型方法是借凸模的一边刃口将材料切开，而凸模的其余部分将材料同时作拉伸变形，形成一边开口的起伏形状。

百叶窗的典型结构参见图。

百叶窗尺寸要求：a≥4t；b≥6t；h≤5t；L≥24t；r≥0.5t。

9，钣金件常用螺钉底孔构型准则

⑴、孔翻边

孔翻边型式较多，本准则只关注要加工螺纹的内孔翻边，如图所示。

⑵、螺钉、螺栓的过孔和沉头座

螺钉、螺栓过孔和沉头座的结构尺寸按下表选取取。对于沉头螺钉的沉头座，如果板材太薄难以同时保证过孔d2和沉孔D，应优先保证过孔d2。

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

公差是影响产品质量和价格的重要因素之一。在制造零件的时候，经验告诉我们，无论投入多少成本和时间，完全按图纸上标注的尺寸准确地加工出来几乎是不可能的。产品设计无论从性能上还是经济上都要满足用户的需要。从企业本身来说，也必须保持正常的利润。

为此公差必须由产品的性能和经济两方面来决定。所以设计要充分掌握公差的原则。

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

冲裁件毛刺超过一定的高度是不允许的，冲压件毛刺高度的极限值(mm)见下表。

表冲压件毛刺高度的极限值

* f级（精密级）适用于较高要求的零件；m级（中等级）适用于中等要求的零件；g级（粗糙级）适用于一般要求的零件。

（9）、设计图纸中毛刺的标注要求

* 毛边方向：BURR  SIDE。

* 需要压毛边的部位：COIN或COIN CONTINUE。一般不要整个结构件断口全部压毛边，这样会增加成本。尽量在下面情况使用：暴露在外面的断口；人手经常触摸到的锐边；需要过线缆的孔或槽；有相对滑动的部位。

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

压印、压花工艺在钣金件上应用很多，包括标签粘贴位置指示、产品编码、生产日期、版本、厂家代号、甚至图案等，都可以利用这两种工艺进行加工。

①．压印工艺

压印是使材料厚度发生变化，将挤压的材料充塞在有起伏的模腔内，使零件上形成起伏花纹或字样。

一般情况下是在封闭模中进行，以免金属被挤到模子型腔外面；对于比较大的零件或形状特殊成形后进行切边的零件，可在敞开模中进行。为使零件得到良好的表面质量，成形前应将毛坯进行退火、酸洗、喷砂等处理。

②．压花工艺

压花工艺与压印类似，只是变形的深度较小，所需的压力也较小。压花的方法，深度h≤(0.3~0.4t)时，在光面凹模上进行；深度h>0.4t时，在带有与凸模配合的相应凹槽的凹模上进行，其凹模的宽度要比凸模上的大一些，深度要比凸模上的浅。

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是指钢锭经过冷轧机连续轧制成要求厚度的钢板卷料或片料。SPCC表面没有任何的防护，暴露在空气中极易被氧化，特别是在潮湿的环境中氧化速度加快，出现暗红色的铁锈，在使用时表面要喷漆、电镀或者其它防护。

⒉镀锌钢板SECC

SECC的底材为一般的冷轧钢卷，在连续电镀锌产线经过脱脂、酸洗、电镀及各种后处理制程后，即成为电镀锌产品。SECC不但具有一般冷轧钢片的机械性能及近似的加工性，而且具有优越的耐蚀性及装饰性外观。在电子产品、家电及家具的市场上具有很大的竞争性及取代性。例如电脑机箱普遍使用的就是SECC。

⒊热浸镀锌钢板SGCC

热浸镀锌钢卷是指将热轧酸洗或冷轧后之半成品，经过清洗、退火，浸入温度约460°C的溶融锌槽中，而使钢片镀上锌层，再经调质整平及化学处理而成。SGCC材料比SECC材料硬、延展性差（避免深抽设计）、锌层较厚、电焊性差。

⒋不锈钢SUS301

Cr（铬）的含量较SUS304低，耐蚀性较差，但经过冷加工能获得很好的拉力和硬度，弹性较好，多用于弹片弹簧以及防EMI。

⒌不锈钢SUS304

使用最广泛的不锈钢之一，因含Ni（镍）故比含Cr（铬）的钢较富有耐蚀性、耐热性，拥有非常好的机械性能，无热处理硬化现象，没有弹性。

①.SECC的镀锌方法

热浸镀锌法：连续镀锌法，成卷的钢板连续浸在溶解有锌的镀槽中；板片镀锌法，剪切好的钢板浸在镀槽中，镀好后会有锌花。

电镀法: 电化学电镀，镀槽中有硫酸锌溶液，以锌为阳极，原材质钢板为阴极。

②．镀锌钢板的一般问题点

1.白锈---因结露或被水沾湿致迅速发生氢氧化锌为主要成分的白色粉末状的锈。(会导致产品质量劣化)

2.红锈---因结露或被水沾湿致迅速发生氢氧化铁为主要成分的红茶色粉末状的锈。

3.烙酸不均匀---黄茶色的小岛形状或线形状的花纹，但耐蚀性没有问题。

4.替代腐蚀保护---在锌面割伤而，露出钢板基体表面的情况下，我们也不必担心镀锌钢板切边生锈问题。

③．镀锌钢板之烤漆处理

1.前处理

由于锌是一种高活性金属，在烤漆前需要适当的化学转化处理如磷酸盐处理。磷酸盐处理剂有两种，一种是处理铁的，一种是处理锌的。

2.脱脂

采用弱碱，有机溶剂及中性乳液或洗涤剂，避免用酸或强碱脱脂剂。可用水膜试验（Water lreakage test）来确认，观察试验后的水是否受到污染，以及试品表面的水膜是否均匀。

3.烤漆

电镀锌钢片对漆的选择性比冷轧钢片为严。使用水性底漆（Water promer）可以确保有较强的油漆附着性。