钣金加工的基础知识-其优缺点以及降低成本的方法

 

在钣金加工中，需要通过各种方法对板状金属材施加力的作用来制作所需形状，其原理与金属材料的特性有关。当对金属材料施加负载时，材料会改变组成原子之间的距离，从而在产生应变的同时发生变形。如果负载较小，移除负载后金属会恢复原状（弹性变形）。如果持续向金属施加负载并超过某个点（屈服点），金属将无法恢复原状（塑性变形）。如果继续施加更大的负载，它会因无法承受而发生断裂。在钣金加工过程中，重要的是掌握加工技巧，实时调整金属状态，以便通过塑性变形获得所需形状。

 

钣金开始加工到发货前大致需要经过8道工序，下面具体了解一下每道工序。

1.展开·编程

设计图纸通常是使用3D CAD创建，但钣金加工总是从单张板材开始，因此在加工前必须使用CAD或专业软件将3D形状“展开”成单张板材。图纸绘制完成后，要进行“套料”，以排布零件，从而可以从固定规格的材料中高效、无浪费地布局零件，同时编制加工程序。

（展开前后图示）

（套料）

2.冲裁・切割

在切割金属板材（又称毛坯）的外周和内孔工序中，主要使用两种加工设备：激光切割机和转塔冲床。激光切割机床的特点是擅长快速切割外周和大孔，而转塔冲床则可以对应大量的孔加工和成形加工。另外，还有一种能够同时实现这两个优点的“激光冲床复合机”。由于不同钣金工厂拥有的设备不同，建议在下订单时根据承包商的设备分配加工任务。

3.去毛刺

无论在前一道工序中采用哪种加工方法，都会在一定程度上产生毛刺，例如激光切割过程会产生毛刺，转塔冲床裁剪时也会产生毛刺和飞边。这些都需要在去毛刺工序中去除。可以通过手动打磨机或锉刀手工完成，也可以通过旋转砂纸的去毛刺机来完成。在钣金加工的去毛刺工艺中，很难像切削加工那样控制诸如C0.2或R0.2等精细尺寸。“无毛刺”这样的图纸指示虽然模棱两可，但当客户希望毛刺去除到不割手的程度时，它被认为是有效的。建议在下订单时，关于去毛刺的允许范围，最好与委托方意见达成一致。

4.折弯

在机械钣金中常见的折弯方法是将模具安装在称为折弯机的机械上，然后对切割好的板材施加压力，使其按固定角度沿直线弯曲。在压力折弯机的上部安装凸模（冲头），下部安装凹模（定模），通过上下移动机器上部的凸模来折弯金属板材。但由于材料批次和轧制方向不同，折弯后的角度也存在差异，每次都需要进行微调，是一种难易度较高的加工工艺。然而，折弯工艺的精度在很大程度上影响着后续焊接工艺的加工难易程度和美观程度，因此它也是钣金加工中最重要的工艺之一。另外，“压力折弯机”有时也被称为“弯曲机”“折弯机”等，它们指的都是同一种机器。

5.焊接

焊接是通过加热金属使其熔化，然后再让其冷却将金属连接起来的过程，TIG焊接和激光焊接是钣金加工中最常用的焊接方法。使用钨电极的TIG焊接有时被称为“氩焊”，因为它是使用氩气作为保护气体。TIG焊接可以用焊条填充熔化区域，但也需要向材料输入大量热量，容易造成热变形，加工效果在很大程度上取决于工人的技术熟练度。激光焊接是一种可以抑制热变形的加工方法，具有加工工艺易于标准化的优点，但由于是以母材焊接为基础的，对于有堆焊要求的零件，很难使用这种方法，需要改变加工工艺。

6.精加工

钣金加工中的精加工工序包括消除焊接产生的热变形、磨去堆焊焊缝的凸起、电解研磨以去除焊缝烧伤、以及表面的研磨处理（磨光、抛光）等。

7.组装

此工序是将多个零件组合在一起，并使用紧固件（主要是螺栓、螺母和铆钉等）进行组装。多用于不需要达到焊接强度或在以后需要进行拆解作业的部位。组装工作又称“装配”，涵盖的操作和流程范围很广，从小型部件组装到中型部件组装，再到整个机器和设备的最终组装。此外，在钣金加工行业，也有公司将上述的焊接装配过程称为“组装”（焊接组装）。

8.检查

在钣金加工品出厂前的检查中，一般采用目测的方式进行尺寸检查和外观检查。尺寸检查主要使用游标卡尺、刻度尺、角度规等。将成品与图纸进行比较，检查尺寸、孔位和精度是否存在误差。外观检查要目测产品是否有瑕疵和毛刺。有些工厂可能会使用图像测量仪和三坐标测量仪进行检查。

 

如上所述，在钣金加工过程中，各工序都会使用不同的机器设备。在此介绍一下钣金加工中所使用的主要机器。

・激光切割机

激光切割机是用大功率激光照射金属材料，使其局部熔化，然后用气体吹掉熔化的金属进行切割，擅长高速切割周长较长的外周和长孔等。另一方面，当板材上孔的数量较多时，加工孔（通孔）的次数增加，加工时间较长。但近年来，伴随着激光切割机的高效率化，高速加工通孔成为可能。但它不能进行螺纹孔、翻边孔等的成型加工。

・转塔冲床

转塔冲床（简称Turrepun）是一种在被称为转塔的模具支架上安装许多小模具，然后高速冲压和冲裁金属板材的加工机床。适用于多孔零件的高速加工，并可进行攻丝、翻边、埋头孔、百叶窗等的成形加工。另一方面，要冲裁出外周和腰形孔的形状则需要很多次的冲压才能完成，因此加工时间较长。

・激光冲床复合机

这种多功能设备同时搭载了上述两种加工设备。它可以在一道工序中完成冲孔和成型，用激光加工较费时的外周和长孔，用砖塔冲床进行孔和成形加工等。由于无需根据工序更换设备，它具有不会因工件多次装夹而造成加工位置产生偏差的优点。

・去毛刺机

传统上，钣金工厂的去毛刺工作都是通过手工打磨机和锉刀完成的。但近年来，越来越多的工厂引进了去毛刺机。在去毛刺设备上，工件被吸附在传送带上，回转装有砂纸的刷子以均匀地去除毛刺。

・压力折弯机

在压力折弯机中，凸模（冲头）连接在设备的上部，凹模（定模）安装在下部，移动设备的上部以施加向下的压力来折弯金属板材。根据加压方式的不同，可分为机械式、液压式、伺服电机+滚珠丝杠式等，但目前普遍使用的是可通过数控系统调节压力大小的机型。近年来，带有可根据程序自动移动的定规（对碰）的机型也开始普及，这有助于提高折弯精度。可加工的材料、厚度和长度取决于最大压力（吨位）和可加工长度范围。

・激光焊接机

激光焊接是一种不易产生热变形的焊接方法，因为其穿透薄而深，热影响层小。在激光焊接方法中，“YAG激光焊接机”最先得到普及，并被誉为一种能最大限度减少变形和保持美观的焊接方法。2015年左右出现的“光纤激光焊接机”解决了YAG激光焊接强度不足的问题，作为一种能够以较低变形和较高强度进行焊接的焊接方法迅速普及。激光焊接的最大优点是即使是薄板也不易变形，因此即使是非熟练工人也能进行只有熟练技工才能使用氩弧焊进行的加工和超薄板加工。如果今后随着设备的轻量化而采用薄板结构，激光焊接有望作为一种更为常见的工艺得到推广。

・TIG焊接机

TIG焊接（氩弧焊）是一种使用电力的电弧焊接，是目前机械钣金最常用的焊接方法。通常使用氩作为惰性气体，所以有时被称为“氩焊”。TIG焊接是通过对电极施加高电压使金属熔化并接合，因此它具有良好的密封性和水密性、焊接强度高等特点。而另一方面，对金属的高热量输入会在熔池周围产生较大的热影响区，从而导致产品严重变形。焊接时尽可能减少热变形的加工技术和消除产生应变的加工技术都非常困难，因此TIG焊接也被称为“匠人工艺”。

 

用于钣金加工的材料包括不锈钢、钢材（SPCC，SECC）和铝。根据材料不同，板材厚度范围在t0.1～22mm区间。建议选择时应考虑产品的实际应用和加工特性。

关于钣金加工所使用的材料和表面处理，请参考下面的文章。

有关专家对钣金件的用途、材料、加工工序等的详细介绍！

 

钣金加工的最大优点是适合小批量、多品种生产。而冲压是一种典型的塑性加工方法，适用于大量生产形状相同的零件，但需要为每件产品制造专用模具，除非大批量生产，否则就会增加产品的制造成本。相比之下，钣金加工在“冲孔”、“折弯”和“焊接”等所有工序中都是使用通用设备，在折弯时也是使用通用模具。这样就可以小批量生产各种产品，并能灵活应对设计变更。另一个主要优点是，通过“冲孔”、“折弯”和“焊接”的组合，可以用一块材料制造出形状复杂的产品。反之，其缺点是，由于零件需要一个一个地加工的，如果大量地制作相同的零件，则生产需要花费大量时间。特别是焊接，仍然在很大程度上依赖于手工技能，并不是谁都能加工操作的，因此不适合大规模生产。

 

以下是在钣金加工中降低成本的4个要点。

・根据加工厂商的擅长领域订购

虽然都可以叫做“钣金加工厂商”，但不同公司的设备也不尽相同。只需根据加工设备的特点下订单，就能降低成本。例如前面提到的，激光切割机擅长全周和长孔的高速加工，转塔冲床擅长大量的孔形状加工和成型加工。如果向主要使用激光切割机进行毛坯加工的制造商订购以开孔和成型为主的产品，加工成本就会增加；而如果向主要使用转塔冲床的制造商订购大规格产品的外周切割，加工成本就会增加。因此只需了解加工制造商的擅长领域来下单，就很有可能降低成本。

・减少焊接，能折弯的地方就采用折弯结构

如“TIG焊接”部分所述，小批量多品种的焊接工艺在很大程度上依赖于工人的熟练技术，这往往会增加工艺的单位成本。例如，如果两块板要呈90°对齐，如果可以折弯，折弯结构往往会降低加工单价。建议根据折弯工艺的特点（如与材料或模具的干涉）进行选择。除了折弯，铆接也可以降低成本，但图纸中的所有零部件都必须是无焊接指示的。

・重新审视去毛刺的指示内容

虽然在图纸中明确标注了“全周无毛刺”的要求，但加工制造商在去毛刺方面也花费了大量的设备和人工成本。通过将去毛刺指示限定在真正有必要的零部件上，可以降低工厂方面的去毛刺加工成本。此外，与其一味地要求高精度，不如通过讨论加工方可达到的实际精度水平和订货方可接受的去毛刺质量水平，来找到降低成本的途径。

・重新考虑是否需要堆焊

在进行有一定角度的焊接时，通常会要求堆焊以确保焊接强度，但激光焊接可以轻松实现薄板的低变形焊接，却不擅长堆焊。近年来，光纤激光焊接等方法已得到普及，即使是母材焊接也能确保足够的强度，因此，考虑改变焊接方法而不是坚持采用堆焊来确保强度可能也是一项节约成本的可行措施。

 

钣金加工是一种可以灵活地对应小批量多品种加工的工艺技术，但在很多方面仍需要工人的直觉，因此仍是一个难度较高的加工领域。此外，由于加工设备和加工方法的选择不同，制造成本也不尽相同，因此建议大家一定要充分了解钣金加工的特征，选择合理的加工设备和加工方法进行有效的设计。