鈑金件的幾種優化設計思路

江 峰，梁小鷗

1.江達發索科技（上海）有限公司，廣東 廣州 510630

2.廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520

鈑金是一種針對金屬薄板的綜合冷加工工藝，其顯著特征是同一零件厚度一致，通過鈑金工藝加工出的產品叫作鈑金件。在現代工業化生產中，鈑金件有著廣泛的運用，通過幾步簡單的冷加工，就可以得到滿足設計要求的鈑金件。鈑金件存在于各類常見的商品中，小到手機的外殼、散熱片，大到設備的框體、汽車的車身等，鈑金件都是經濟實惠的選擇。文章探討鈑金件的優化設計思路，旨在降低鈑金件的成本，因此在討論優化設計思路前，需要了解鈑金件成本的構成情況，然后針對不同的成本費用進行相關的優化設計分析。

1 鈑金件的成本構成

鈑金件的成本通常包含材料費、加工費、設備折舊費、管理費以及供應商利潤五個部分。材料費是指鈑金件使用的原材的費用，與鈑金件的尺寸和加工時產生的邊角廢料有關。加工費是指在將原材料加工成成品的加工工序中所產生的人力費、電費、水費、涂料費等費用的總和，通常加工商會為每一道工序制定固定的成本價格數據或計算公式，以方便加工費的核算。材料費和加工費與生產加工直接相關，稱為直接費用，通常約占總成本的60%。其中，材料費通常占40%，加工費占20%，而對于結構復雜、加工難度較高的鈑金件，加工費占比會相應地有所上升。

設備折舊費是指加工鈑金件時所使用的設備的折舊、維護等費用。管理費是指鈑金件涉及的采購、倉儲、運輸、銷售等各個管理環節產生的費用。供應商利潤為加工商報價時追加的利潤費用。這幾項費用與生產加工不直接相關，稱為間接費用，通常占總成本的40%。

文章探討的優化設計思路主要是通過對鈑金件進行設計優化，降低鈑金件加工中的相關費用，即直接費用部分的成本，從而達到降低鈑金件整體成本的目的。

2 鈑金件的優化設計思路

2.1 材料種類的選擇

如上文所述，材料費往往在鈑金件尤其是結構簡單的鈑金件中占據最大的成本比例，因此材料種類的選擇是成本優化的第一步，也是最重要的一步。

常見的鈑金原材料有冷軋鋼板、電鍍鋅鋼板、熱鍍鋅鋼板、不銹鋼板等，價格關系一般是冷軋鋼板＜電鍍鋅鋼板≈熱鍍鋅鋼板＜不銹鋼板。工程師在選擇材料時，需要綜合考慮鈑金件的受力情況、內外部環境以及是否處于外觀面等因素。對于重要的受力件，可以考慮選用強度較高的熱鍍鋅鋼板或不銹鋼板；對于非重要受力件，可選用一般強度的普通冷軋鋼板或電鍍鋅鋼板。在干燥穩定的環境中，選擇冷軋鋼板或鍍鋅鋼板；在潮濕或氣候不穩定的環境中，選擇更加耐腐蝕的不銹鋼板。對于重要結構件，選用普通冷軋鋼板或電鍍鋅鋼板；對于處于外觀面的鈑金件，選用原始的冷軋鋼板再進一步做表面處理。

上述內容列舉了一些簡單的選用原則，在實際設計時，還需綜合考慮多方面因素來確認最合適的材料。不同材料的價格差異較大，如同等尺寸的不銹鋼板價格通常在冷軋鋼板的2倍以上。在滿足條件的情況下，選擇更加便宜的材料是最能直接降低鈑金件成本的方式。

2.2 材料厚度的選擇

鈑金件材料厚度也對鈑金件成本有著很大的影響，這不僅直接體現在鈑金材料費中，還因為材料的厚度會影響鈑金件的重量，后續會對整機產品的強度、包裝、運輸等產生一定的影響。在滿足強度要求的情況下，要盡可能選擇薄的材料，其相關承重件的強度要求會降低，從而使整體產品盡可能地輕量化，包裝、運輸成本也會相應地降低。

就厚度而言，常見的鈑金件材料有厚度在1mm以下的薄板材料，1mm、1.5mm的一般板厚材料，2mm以上的偏厚板材料，3mm以上的厚板材料。在各種厚度中，1mm、1.5mm和3mm的板厚是相對使用較多也是最經濟的。

材料厚度的選擇通常需要考慮以下因素：非重要受力件，如限位、防呆或固定一些小型部件的鈑金件，選用1mm或以下厚度的材料即可；需要有一定強度的受力件，如長時間均勻受到一定作用力的零件，選用1.5mm厚度的材料即可；重要的承重部件，如周期性或非周期性受力和沖擊的零件，以及關系到使用安全的部件，則考慮選用更厚的材料。

在實際運用中，效果最明顯的就是計算機的機箱、電氣機柜框體以及汽車的車身等處于外觀面的大尺寸支撐件或產品的外立面部件的厚度優化。這些零部件往往尺寸很大，若能選用更薄的材料，就會更有效地降低產品整機的成本和重量。以前的產品在這些零部件上多選用1.5mm厚度的材料，但是近年來，由于材料質量、強度的提升，加工工藝的進步，再加上對薄弱部分追加補強結構，現在的產品已經開始普遍選用1mm甚至更薄的材料了。

關于鈑金材料厚度，還有一點需要注意：目前市面上的材料厚度標準公差通常都是±0.1mm，如厚度為1mm的材料尺寸標準就是（1±0.1）mm，但是材料生產商出于成本的考慮，會將材料的實際厚度盡量控制在公差的下限范圍，這就造成1mm厚度材料的實測厚度一般不會超過1mm，甚至有的品質控制得好的廠商會將板厚進一步控制在0.95mm以下。因此，工程師在選用合適的材料厚度時要特別注意，選用材料的強度在其公差的下限范圍內時能否普遍滿足設計的強度要求。

2.3 優化加工工序的設計

鈑金件的加工分為前處理工序和后處理工序。前處理工序包含下料、切割、沖孔、校平、折彎、鉚接、焊接、一體成型等成型工序；后處理工序包括打磨、保護處理、電鍍、噴粉、噴漆、涂銀筆等裝飾性工序。鈑金的后處理工序是進行裝飾性的深加工工序，作用是去除毛刺和做表面處理，通過設計進行優化的余地很小。下面主要針對前處理工序，分析如何通過優化設計減少加工環節從而降低成本。

工程師在設計時，可通過盡量降低結構的復雜程度，達到減少加工工序的目的。在設計初始階段，工程師主要的精力集中在完成符合功能要求的設計上，往往很難兼顧結構的優化設計，因此，此類優化主要是在完成初步的功能設計后所做的進一步結構優化設計的檢討。

某鈑金件結構優化示意圖如圖1所示。圖1中左圖為剛剛完成功能設計的鈑金件，該鈑金件上表面和側面對應的兩個孔位需要進行連接固定，為功能性結構。工程師在初步完成左圖的設計后，就可以通過優化結構的檢討，考慮將鈑金件修改為右邊的形狀，在兩個孔的尺寸位置不變的前提下，將左圖中需要兩次折彎加工的鈑金件優化成右圖只需一次折彎工序的結構，從而達到降低加工成本的目的。

圖1 結構優化示意圖

上述例子是結構簡單的鈑金件，而對于外形更加復雜的情況，有多種方式達到設計優化的目的。例如，采用同一方向的折彎設計、翻邊孔設計等，以減少鈑金件在加工時的翻面操作；采用統一的孔徑設計可省去加工時更換刀具的環節，從而減少沖孔加工環節；配合加工商現有模具設計特殊角度的折彎、異形孔，等等。當然，這些優化設計需要工程師在長期的設計實踐和與加工商的合作中慢慢摸索出屬于自己的理解和符合實際生產的經驗，使其在設計中運用得更加得心應手。

2.4 展開圖的優化排版

鈑金件展開是將其折彎、凸包等變形特征還原，將零件回復成板料狀態的操作。板料狀態的幾何形狀即該鈑金件的展開圖。鈑金件設計完成后，首先要確認的就是其展開圖的幾何信息，并將其記錄在加工圖紙中，以便加工商確認下料尺寸，并確保最終折彎成型的零件符合設計要求。

在加工鈑金件時，第一步就是下料的排版。對于大批量的生產，加工商需要在一個標準尺寸的板材上進行展開圖的排版，不同的廠家標準尺寸規格可能不一樣，比如有2300mm×1200mm、2700mm×1500mm等標準尺寸的板料。優化排版的目的是在一塊標準尺寸的鈑金板料上布下盡可能多的展開圖，減少邊角廢料，提高材料的使用率。工程師可以通過在板材上旋轉、錯位排版等方式來優化排版，降低單個零件的材料成本。展開圖如圖2所示，加工商在報價時，往往會采用如圖3所示的常規排版方式進行成本的核算。但是通過工程師的排版優化，可要求加工商采用如圖4所示的錯位的方式進行排版，降低加工商的報價。同時，如果工程師能針對鈑金件的形狀進行再優化，在滿足功能要求的前提下，將圖2鈑金件展開圖優化為如圖5所示的形狀，那么排版就可以進一步優化為如圖6所示的方式，材料的使用效率會進一步提升，使鈑金件的成本進一步降低。

圖2 展開圖

圖3 一般排版圖

圖4 錯位排版圖

圖5 優化展開圖

圖6 優化排版圖

目前，在一些研究論文中有通過在設計軟件中集成二次開發命令進行自動排版的方法，也有通過幾何形狀算法來研究自動排版的方法，但是這些方法還相對小眾，成本相對較高且效果也有待驗證，待相關技術成熟后才有望進行推廣。現階段主要還是靠工程師深度介入鈑金件的加工階段，同加工商一并檢討，通過對設計的優化來尋找排版的最優化方法。

3 結束語

文章從鈑金件材料種類的選擇、材料厚度的選擇、優化加工工序的設計、展開圖的優化排版等方面簡單分析了鈑金件的幾個優化設計思路。在鈑金件的設計中，工程師不僅需要有結構設計本身的知識，還需要了解鈑金材料與鈑金加工工藝的相關知識，并通過在實際生產中與加工商溝通累積生產經驗，在提高鈑金件結構設計水平的同時，降低鈑金件的材料成本和減少加工工藝環節，從而達到降低產品成本，提高企業經濟效益的目的。