掌握钣金制造：专家设计指南和最佳实践

钣金制造是制造业的关键工艺，在建筑、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。金属板材的多功能性及其可成型为各种形状和尺寸的能力使其成为创建复杂设计的流行选择。

然而，为了确保任何钣金制造项目的成功，必须充分了解设计原则和最佳实践。在本文中，我们将提供钣金制造设计的全面指南，包括材料选择、几何约束和经济高效的设计策略的技巧。

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格的高质量钣金零件。

出于制造目的，金属板材被归类为厚度小于 0.25 英寸的金属板材。所有钣金零件都要求具有一致的宽度，这限制了其一些应用。但确保最终的零件能够满足耐用性和寿命的要求。

一般来说，钣金零件常见于汽车底盘等强度重量比很重要的领域。金属板材的厚度较小，由其制成的零件通常是空心的。这意味着它们的重量会更轻，但具有相同的能力来承受更大的负载。

对于简单的应用选择精密工艺是没有意义的。然而，避免高价值应用的精密钣金制造也是不可行的。因为它可能会因磨损而导致敏感设备损坏。

工作原理

钣金制造背后的工作原理非常简单。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。钣金加工由切割和成型两种方法组成。

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。它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，以最大限度地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，因为这样可以更快地获得结果。此外，钣金制造通常不需要后处理，但根据应用可能需要一些精加工和连接。

4 种主要钣金制造技术

钣金制造过程由两个主要过程组成；成型和切割。这两种技术共同创造出任何产品的最终形式。切割是一个简单的工艺，而成型则有进一步的分类，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
3.      水射流切割

2 – 弯曲

弯曲过程只是在金属板上的特定点施加很大的力以获得所需的形状。在某些情况下，弯曲下方的区域可能需要一些准备。例如，弯曲凹口不仅可以向技术人员显示弯曲的位置，还可以简化流程本身。

3 – 冲压

为了在有限的时间内制造出复杂的零件，制造商通常会选择冲压工艺，这是一种复杂的形式。该工艺结合使用剪切、弯曲和拉伸等不同技术，用金属板材创造出新的形状。 

4 – 拳击

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，这是一种复杂的形式。该工艺结合了剪切、弯曲和拉伸等不同技术，用金属板材创造出新的形状。 此外，一些冲压工艺甚至还使用不同的技术连接多个部件。 

使用钣金进行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受欢迎。然而，该过程也存在多种限制。这些优点和局限性是制造商最重要的设计考虑因素，因为他们决定了金属的正确应用。

优点 缺点 与其他制造方法相比，周转速度快。难以进行具有复杂细节的复杂设计，这会限制可生产的形状和形式的范围。用于生产和原型制作的高质量零件。 需要大量投资工具和其他设备，这可能成为小规模生产的障碍。 用途广泛，足以处理多种金属，例如钢、铝和铜。 由于工艺涉及切割、成型和精加工等多个阶段，因此与其他制造方法相比，交货时间更长。由于采用中空设计，因此具有高强度重量比。 需要熟练的劳动力，这可能很昂贵 在大多数情况下不需要后处理。  

如前所述，钣金制造的设计需要注意一些设计要求。这些要求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的工艺才能投入市场。

一般来说，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提供最佳的质量。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。

汽车行业就是一个完美的例子。

车门或车身任何其他部件所需的精度显然会低于底盘或其他整体部件的要求。一般来说，容差要求取决于项目要求，但该方法可能会在产品中产生很多不一致之处。

许多制造商和行业更愿意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，符合行业标准也更容易满足行业要求并建立消费者对品牌的信任。

对于钣金制造，流行的标准是 ISO 2768。它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，业界各处都使用一些通用公差。它们符合国际标准。然而，在航空航天和汽车等敏感应用中，精度对性能至关重要，但会有一些例外。

功能 普遍的公差范围 附加说明 壁厚 0.9 毫米至 20 毫米 偏移 0.3 毫米至 0.7 毫米 卷曲>2 倍材料厚度 任何小于建议的卷曲尺寸都会使板材变脆。弯曲 0.9 毫米 – 1.2 毫米1.8 毫米 – 2.4 毫米3.8 毫米 – 5.0 毫米7.5 毫米 – 10 毫米15 毫米 – 20 毫米 所有弯曲预计都会有 +/- 度偏差。此外，任何其他规格都会增加您的成本。折边内径 =材料厚度，返回长度为厚度的 4 倍埋头孔大直径 =+/- 0,254 毫米小直径> 2/3 厚度孔和槽直径> 材料厚度直径小于材料厚度会导致板材出现裂纹。凹口和标签凹口宽度> 1.5 倍厚度
长度> 5x 厚度 

成型基础知识

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

• 制动压制：手动过程使用夹杆和板来形成金属板。该工艺仅适用于原型制作和小规模生产。
• 滚动弯曲：基本原理相同，但结果将是圆柱体、圆锥体或其他弧形的形式。 
• 折弯机弯曲：最先进的弯曲工艺，使用带有冲头和模具的液压机。这适用于厚度不超过 6 毫米的金属板材，可以轻松产生精确的特征。 

钣金折弯的积分参数

在弯曲过程中，制造商和设计人员必须考虑多个参数。这些设计要求是任何钣金折弯的根本特征，建议遵守其标准以确保出色的结果。

以下是任何钣金折弯操作的 6 个最重要的参数。

• 弯曲线：  弯曲线是板材表面上的一条直线，标记弯曲两侧的起点到终点。折弯线的行业标准是在折弯的内侧边缘和外侧之间保持 5 倍板材厚度的距离。
• 弯曲半径： 弯曲半径是指两条弯曲线之间从弯曲轴到材料内表面的距离。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个很好的做法。  
• 中性轴：  中性轴是片材中保持其原始长度的部分，因为它既没有被拉伸也没有被压缩。它是一个独立的参数，对其位置没有法律限制或指导。然而，其他因素（例如弯曲半径和角度）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，产品的性能可能就越好。
• K 因子：  材料的 K 系数是对其位置的度量，通过将材料与其厚度 (t) 之间的距离除以 T 来确定。K 系数受到一系列因素的影响，包括材料类型、弯曲工艺、弯曲角度等。为了确保最佳结果，K 因子应落在 0.25 至 0.50 的范围内。 K指标可以通过公式K =T/t计算。
• 弯曲余量： 为了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）的准确弯曲余量。

切割基础知识

钣金制造中的另一个重要过程是切割。在许多情况下，这是一种更简单的替代方案，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，材料特性对于确定特定材料的合适工艺起着重要作用。考虑一下铝和钢的例子可以更好地理解这一点。当然，由于钢的相对强度和耐用性，切割铝比处理钢更简单。

对于材料选择，最佳实践是同时考虑可制造性。例如，如果钢和铝都能承受特定操作的负载，那么在不考虑制造能力的情况下选择更坚固的替代品（钢）并不总是更明智的做法。   

孔径

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，则可能导致孔周围形成裂纹和脆性区域。这些裂纹会随着时间的推移而扩展，并导致耐用性问题，从而对产品的整体性能产生负面影响。

因此，为了保持产品的结构完整性和长期耐用性，确保孔的直径适合板材的厚度非常重要。

局部强化

切割材料时，该过程会产生大量热量，这可能会影响其性能。具体来说，切口周围的区域可能会变得过热，导致局部硬化。为防止出现此问题，建议整体放慢切削速度并使用冷却液调节受影响区域的温度。这样做可以最大限度地降低局部硬化的风险。

失真

钣金制造中的变形是指金属板材在制造过程中的翘曲、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。变形可能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。

切口

切缝与所用切削刀具的宽度和被切削材料的厚度直接相关。本质上，它代表了切削刀具去除材料的宽度，它决定了切削过程中浪费了多少材料。

例如，如果激光束的切口为 0.1 毫米，并且在 1 毫米厚的金属板上进行切割，则从金属板上去除的材料的总宽度将为 0.2 毫米（切割每侧各 0.1 毫米）。切口宽度可能会根据切割工艺的类型、被切割材料的类型以及材料的厚度而变化。

在设计用于钣金制造的零件时，考虑切口非常重要，因为它会影响零件的最终尺寸。如果需要精确的尺寸，那么设计者应该考虑切口并相应地调整设计。此外，切口还会影响制造过程的成本，因为切口越宽，可能会浪费更多材料。

钣金零件的常见特征

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。

核心圆角

角圆角是钣金零件上的圆形边缘或拐角，旨在避免锋利的边缘，这可能很危险，也可能导致金属中的应力集中，从而导致故障。

建议：

• 尺寸：圆角的尺寸应至少等于钣金的厚度。换句话说，对于厚度为 2 毫米或更薄的钣金，应使用 2 毫米圆角。 
• 对称：零件上的圆角应该是对称的。这意味着相对角上的圆角应该具有相同的尺寸。
• 均匀性：整个零件的圆角尺寸应均匀。这意味着所有角上的圆角尺寸应相同。 
• 放置：圆角应放置在可能发生应力集中的区域。这包括金属板弯曲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压力并减少压力集中的可能性。 
• 设计：零件的设计应确保可以轻松添加圆角，而不会影响零件的完整性。

排骨

通常垂直于钣金零件表面的凸起特征。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：

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

浮雕

使用凹坑的原因有多种，包括通过添加加固来提高钣金零件的刚度和强度。为要连接的紧固件或其他部件创建光滑齐平的表面。为其他零件或组件提供间隙。 

建议：

• 将压花深度保持不超过钣金厚度的 50%，以避免产生应力集中。 
• 使用圆角使压花与周围材料之间的过渡变得平滑，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，因为这可能会在材料中产生薄弱点。
• 考虑压花对零件整体外观的影响，并确保其符合任何品牌或设计要求。 

圆形老板

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，以确保其能够提供必要的支撑和强度，而不会干扰其他组件或造成制造挑战。
• 使用正确的工具：创建圆形凸台需要专门的工具，例如冲头和模具组或成型工具。重要的是要使用正确的工具来完成工作，以确保凸台正确形成并且金属板在此过程中不会损坏。
• 考虑材料厚度：金属板材的厚度会影响可成型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

使用凹坑的原因有多种，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部件创建光滑齐平的表面。为其他零件或组件提供间隙。

建议：

• 仔细考虑凹痕的大小和位置。凹坑应放置在能提供最大益处的区域，并且其大小应适合应用。
• 太大或太深的凹痕会削弱材料的强度，而太小或太浅的凹痕可能无法提供足够的加固。
• 为工作选择正确的工具。有多种工具可用于创建凹痕，包括冲头、冲模和成形工具。您选择的工具取决于凹痕的大小和形状，以及所使用的材料类型。
• 考虑钣金的厚度和材料。不同类型的金属板材可能需要不同的技术或工具来创建凹痕，而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限制。凹坑可能是有用的特征，但它们可能并不适合所有应用。确保设计考虑到添加凹痕可能出现的任何潜在问题或挑战。

百叶窗功能

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。百叶窗可以设计用于特定用途，例如将空气引导到特定方向、降低噪音或提供防尘、污垢或防潮保护。

建议：

• 尺寸：百叶窗的尺寸应根据所需的气流和可安装的空间大小仔细选择。百叶窗太小可能无法提供足够的通风，而太大则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以及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、空气动力学形状设计的百叶窗可以改善气流并减少湍流。
• 材料：百叶窗使用的材料应根据预期应用以及面板将暴露的环境条件来选择。例如，不锈钢或铝可能更适合需要考虑暴露于自然环境的户外应用。
• 制造方法：应根据制造工艺所需的精度、一致性和成本效益来选择用于制造百叶窗的制造方法。

回合淘汰赛

圆形脱模器可用于创建各种尺寸的孔，具体取决于所使用的冲头和模具的尺寸。它们通常用于电气箱、HVAC 系统和外壳等应用的钣金制造。

建议：

• 选择正确的尺寸：确保使用适合您所需孔尺寸的正确尺寸的冲头和冲模。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：圆形脱模器通常设计用于处理特定类型的金属板材，因此请确保使用适合您所使用的材料的脱模工具。
• 保持冲头和冲模锋利：随着时间的推移，冲头和冲模会变钝并开始变形，从而导致孔质量较差。保持它们锋利并处于良好状态，以获得最佳效果。
• 考虑材料的厚度：圆形脱孔最适合较薄的材料。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：使用圆形孔时，孔边缘可能会产生毛刺。确保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推荐材料厚度。

金属 仪表 毫米 英寸 钢/不锈钢/铝220.80.031钢/不锈钢/铝201.00.039钢/不锈钢/铝181.20.047钢/不锈钢/铝161.60.063钢/不锈钢/铝142.00.079钢/不锈钢钢/铝122.50.098钢/不锈钢/铝103.20.126

注意 ：此图表提供了一般准则，给定应用的适当材料厚度可能取决于其他因素。

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：特征太接近弯曲

另一个类似的错误包括不小心将孔、突舌等特征放置得太靠近弯曲处。如果特征太接近会发生什么？您最终会得到一个变形的金属零件，这只会浪费您的金钱和时间。  为了避免犯这个错误，您可以在所有 CAD 设计中实施 4T 规则。 4T 规则规定所有特征距任何折弯线的距离至少应为 4 倍材料厚度。

错误 3：完全垂直的内部弯曲半径

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，建议指定适合所用材料和厚度的最小弯曲半径。这将允许弯曲过程平稳过渡，并防止可能导致故障的应力集中。

为了方便起见，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，但为所有弯曲使用相同的半径更具成本效益。           

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。这将确保制造过程更顺畅和最终产品更准确。                                   

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 文件中未包含此细节。除了等待其他人安排所需的硬件之外，没有其他事可做。显然，这种延迟会增加装配时间和成本。

错误 5：选择不合适的表面处理

精加工通常是制造过程的最后也是必不可少的步骤。大多数人错误地认为精加工只有一个功能，那就是让你的零件看起来更好。

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。虽然存在只关注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。

美观的表面处理，例如粉末涂层，确实提供了一些保护。然而，丝印等多种表面处理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换精加工，为金属零件提供电气连接。它还为绘画提供了底漆层。

了解应该使用什么整理剂以及应该避免什么整理剂非常重要。正确的表面处理完全取决于您正在设计的金属零件的应用。

错误 6：选择了错误的金属板

您必须从头到尾考虑您正在设计的零件的应用。例如，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，应关注流动因素来选择合适的钣金。像下面这样的问题非常重要。  

• 每天的预期穿着是多少？
• 您的金属部件是否在容易腐蚀和生锈的环境中使用？
• 金属板材的制造有多容易？
• 金属部件的外观有多重要？
• 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，并让您做出明智的设计。

错误 7：未考虑 U 型钢的材料强度

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。忽视材料强度可能会导致 U 形槽钢太弱，导致在压力下弯曲或断裂。为了避免这种错误，必须选择合适的U型槽材料和厚度。基于预期负载并考虑通道在使用中可能遇到的任何额外应力，例如振动或冲击。

错误 8：设计无法实现的焊接要求

无论设计多么简单，很有可能需要一些焊接或其他机械接头。 Some designers make the common mistake of overestimating the welding capabilities of the unit, which in turn increases the complexity and costs.

The best way forward to avoid such issues is to implement strict design for manufacturing (DFM) practices. This ensures that all features are according to the prevalent standards.

The term sheet metal is used quite widely in the industry. However, the metal used is generally one of the following.

• Stainless Steel: This is perhaps the most common and famous option because of its versatility and durability. Stainless steel is the first choice for applications where a cost-effective, durable, and strong option is needed.
• Cold Rolled Steel: An excellent option for application where material strength is the primary concern for the designers.
• Pre-Plated Steel: Similar to regular steel, but comes with a special coating to prevent corrosion.  
• Aluminum: A lightweight and practically inert option that delivers an excellent strength-to-weight ratio.
• Copper: Copper is an expensive, yet effective material. It doesn’t react under normal conditions and delivers long-lasting performance without any chemical or biological degradation.
• Brass: An alloy of copper and Zinc that is both corrosion-resistant and hard enough to absorb multiple impacts.

While sheet metal generally works well without any processing, some applications take exception to this rule. The following processes are some of the most common post-processing steps for sheet metal products.

• Anodizing
• Brushing
• Polishing
• Bead Blasting
• Powder Coating
• Plating
• Passivation
• Chrome Coating
• Custom Finishes Upon Request

The sheet metal fabrication design guide is made to introduce all the basic concepts of the process to anyone. Manufacturing partners need to fulfill the varying requirements of the industry and comply with the ever-changing industrial standards.

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In addition to our sheet metal fabrication capabilities, we also specialize in CNC machining, injection molding, and 3D printing. Our manufacturing facilities are equipped with the latest equipment and technology. We can meet the needs of a variety of industries, including aerospace, automotive, medical, and consumer products.

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