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鈑金加工的基礎知識——優點、缺點、降低成本的方法

發布日期: 2023-09-12

鈑金加工是一種對薄板狀的金屬施力而使之變形從而制作出立體形狀的加工技術。鈑金加工的加工方法大致分為手工鈑金和機械鈑金,手工鈑金是用錘子等工具,手工對金屬板施力而成形,機械鈑金是將材料夾在模具之間,施加液壓等機械力來成形。這次,我們將介紹設計人員應該知道的鈑金加工基礎知識,將工業產品中常用的一種加工方法即機械鈑金稱為“鈑金加工”,將鈑金加工制成的零件稱為“鈑金件”。

 

鈑金加工的要點

在鈑金加工中,以各種方法對板狀金屬施力,以形成目標形狀,其原理與金屬材料的特性有關。當對金屬材料施加載荷時,材料會改變組成原子之間的距離,并在產生應變的同時變形。此時,從一開始金屬試圖恢復到原始狀態的力(內力)就發揮作用,所以當載荷較小時,如果去掉載荷,金屬會恢復原狀(彈性變形)。當連續對金屬施加載荷而超過某一點(屈服點)時,金屬則無法復原(塑性變形)。如果繼續施加負荷,就會不堪重負而斷裂。在鈑金加工中,重要的是要有邊調整邊加工的技術,以便通過塑性變形獲得目標形狀。

 

鈑金加工的工序

鈑金加工至出廠為止大致有8道工序。讓我們具體看看各工序。

鈑金加工大致有8道工序

1. 展開/編程

設計圖紙多使用3D CAD繪制,而鈑金加工必須從一張板材進行加工,因此需要使用CAD、專用軟件“展開”成加工前的一張板的狀態的工序。一旦展開圖紙,就進行“排版”,也就是對零件進行排版,以便能夠高效地從標準尺寸的材料中獲取零件,而不造成浪費,與此同時編制加工程序。

鈑金加工的工序,展開前后的圖

展開前后的圖

鈑金加工的工序,排版

排版

2. 沖裁/切割

在也被稱為落料的裁切金屬板的外周、內孔等的工序中,主要使用激光切割機和轉塔沖床這兩種加工設備進行加工。大致區分一下,激光加工機擅長外周和大孔的高速切割,轉塔沖床還有能夠處理大量的孔和成形加工等特點。還有一種“激光沖床復合機”,它同時實現了上述兩者的優點,而且每個鈑金廠所擁有的設備都不一樣,所以在訂貨時,最好根據加工廠的設備來分類加工。

鈑金加工的工序之沖裁/切割

3. 去毛刺

無論前道工序采用哪種加工方式,都會在一定程度上產生激光切割毛刺(熔渣)、沖床剪切毛刺、飛邊等。去除這些的就是去毛刺工序。 可以使用手動角磨機或銼刀手動完成,也可以使用旋轉大砂紙的去毛刺機進行加工。
在鈑金加工的去毛刺中,很難像切削加工那樣進行C0.2、R0.2等精細的尺寸管理。在這方面,“沒有毛刺”這樣的圖紙指示是模棱兩可的,但若指示“希望去除毛刺至不會割傷手的程度”,似乎是有效的。下訂單時,最好針對毛刺的允許范圍與加工廠達成共識。

鈑金加工的工序之去毛刺

4. 折彎

機械鈑金的一般折彎加工是將模具安裝到稱為彎板機的設備上,并對切割后的板材施加壓力,使其以一定角度線性彎曲。在彎板機中,上摸(凸模)裝在設備的上部,下模(凹模)裝在下部,設備的上部上下移動來折彎金屬板,但折彎得到的角度因材料批次和軋制方向而異,因此每次都需要進行微調,加工困難。 但是,它可以說是鈑金加工中最重要的工序之一,因為在后續工序中焊接加工的難易程度和美觀度會因折彎工序的精度而發生很大的變化。 此外,“彎板機”有時也稱為“折彎機”、“彎曲機”等,它們都是指同一種設備。

鈑金加工的工序之折彎

5. 焊接

焊接加工是通過加熱使金屬熔融后冷卻來接合金屬的工藝,在鈑金加工中主要使用TIG焊和激光焊。使用鎢電極的 TIG 焊接有時也被稱為“氬弧焊”,因為使用氬氣作為保護氣體。
TIG焊接可以通過在熔融部添加填充棒來進行堆焊,但另一方面,由于向材料輸入大量熱量,因此容易發生變形。加工結果在很大程度上取決于工匠的技能。激光焊接是一種可以抑制熱應變的加工方法,具有加工工藝容易標準化的優點,但由于是以母材焊接為基礎,對于有堆焊要求的零件,很難使用這種方法,需要改變加工方法。

6. 精加工(含表面處理)

鈑金加工的精加工工序有去除焊接產生的熱應變,用磨床削掉堆焊凸起的部位,用電解拋光去除焊接產生的燒傷以及表面拋光處理(研磨、拋光)等。

7. 組裝

這是將多個零件組合在一起并主要使用螺栓、螺母和鉚釘等緊固零件進行組裝的工序。多用于不要求焊接強度或在稍后需要進行分拆作業的部位。組裝工作也稱為“裝配”,涵蓋了廣泛的工作和工序,從零件的小型組裝到中型單元以及整個機器、設備的最終裝配。在鈑金加工行業,一些企業將上述焊接組裝工藝稱為“組裝”(焊接組裝)。

8. 檢查

在鈑金加工品的出廠前檢查中,通常對尺寸和外觀都是目視檢查。在尺寸檢查中,我們主要使用卡尺、刻度尺、角度儀等,通過圖紙與成品的對比來檢查尺寸、孔位、精度是否有錯誤。在外觀檢查中,我們會目視檢查產品是否有劃痕和毛刺。一些工廠使用圖像測量儀或三坐標測量儀進行檢查。

 

鈑金加工所使用的加工設備的種類

鈑金加工中如上所述,在各工序中使用各種設備。這里將介紹鈑金加工所使用的主要加工設備。

 

? 激光切割機

激光切割機是用高功率激光照射金屬材料,使之局部熔融,用氣體吹掉熔化的金屬,然后進行切割的加工設備,擅長切割周長較長的外周、腰形孔等高速加工。另一方面,如果板的孔數較多,則開通孔(穿孔)的次數會增加,因此加工需要時間,但近年來因激光設備的高功率化,使得包括開孔加工在內的高速加工成為可能。但是不能進行螺紋孔、去毛邊等成形加工。

鈑金加工所使用的加工設備的種類之激光切割機

 

? 轉塔沖床

轉塔沖床是一種將許多小模具安裝在名為轉塔的模具支架上以高速壓制沖裁金屬的加工設備。由于一次沖壓開一個孔,因此適用于多孔零件的高速加工,并且可以進行攻絲、去毛刺、開沉孔和百葉窗加工等成形加工。另一方面,要沖裁出外周和腰形孔需要很多次沖孔,加工需要很多時間。

 

鈑金加工所使用的加工設備的種類之轉塔沖床

? 激光沖床復合機

這是同時配備有上述兩種加工設備的復合機。沖裁和成形加工在一道工序中進行,例如用激光加工費時的外周和大孔,用沖床實施開孔和成形加工。由于不需要為每道工序更換設備,因此因換裝而導致工件錯位的機會較少。

鈑金加工所使用的加工設備的種類之激光沖床復合機

? 去毛刺機

過去,鈑金廠一般是用手動角磨機或銼刀手工去毛刺的,但近年來,越來越多的工廠引進了去毛刺機。去毛刺機使工件吸附在傳送帶上,旋轉安裝有砂紙的刷子,均勻地去除毛刺。

鈑金加工所使用的加工設備的種類之去毛刺機

? 彎板機

在彎板機中,上摸(凸模)裝在設備的上部,下模(凹模)裝在下部,移動設備的上部并向下施加壓力來折彎金屬板。根據施加壓力的方式,有機械式、液壓式、伺服電機+滾珠絲杠式等,但現在常見的是可以通過NC調整壓力大小的機型。 近年來,后擋規(撞塊)按照程序自動移動的機型得以普及,在要求折彎精度的工廠中發揮著作用??杉庸げ牧系牟馁|、板厚、長度等由最大壓力(噸數)和可加工長度決定。

鈑金加工所使用的加工設備的種類之彎板機

? 激光焊接機

激光焊接是一種因熔深細而深、熱影響層較小因此不易發生熱應變的焊接方法。 在激光焊接中,最先普及的是“YAG激光”,作為抑制變形、保持美觀的焊接方法而廣為人知。2015年左右出現的“光纖激光焊接機”,因解決了YAG激光所存在的強度不足問題,實現低應變、高強度的焊接而迅速普及。激光焊接的最大優點在于即使是薄板也不易發生變形,是連不熟練的人也能實現TIG焊接中只有熟練工匠才能進行的加工和超薄板加工的加工方法。隨著未來設備變得更輕,如果對薄板的使用增加,估計激光焊接將作為一般加工方法變得更加普遍。

鈑金加工所使用的加工設備的種類之激光焊接機

? TIG焊接機

TIG焊是一種利用電的電弧焊,是目前機械鈑金領域最常用的焊接方法。不活潑氣體多使用氬氣,有時也稱為“氬弧焊”。TIG焊是對電極施加高壓電,使金屬熔融而接合,因此具有優良的氣密性和水密性,焊接強度高。 另一方面,由于輸入到金屬的熱量大,在熔池周圍傳熱的熱影響區的范圍很大,從而導致產品的應變較大。盡可能抑制這種應變的焊接技術和消除所產生的應變的技術都是極難的,TIG焊被稱為“匠人技藝”。

鈑金加工所使用的加工設備的種類之TIG焊接機

 

鈑金加工所使用的材料和表面處理

鈑金加工所使用的材料有不銹鋼、碳鋼(SPCC、SECC)、鋁合金等種類。板厚也因材料而異,為t0.1~22mm。請考慮產品的用途、加工特性來選擇。

 

鈑金加工的優點和缺點

鈑金加工的最大優點是適合小批量、多品種的生產。沖壓加工是塑性加工的代表性加工方法,適用于制造許多相同形狀的零件的批量生產,但由于需要為每個產品制造模具,因此除非進行大量生產,否則產品價格會很高。

在這方面,鈑金加工在“沖裁”、“折彎”和“焊接”等所有工序中都使用通用設備,并且在折彎加工中也使用通用模具。因此除了能夠應對小批量、多品種制造外,還可以靈活應對設計變更。另外,能夠通過“沖裁”、“折彎”和“焊接”的組合從一張板中制作出形狀復雜的產品也是其一大優點。

另一方面,其缺點是零件是一個一個加工的,因此如果制作大量相同的零件,就需要很多時間來生產。尤其是焊接等,還有很大一部分是靠匠人技藝,不是每個人都能加工的,所以不適合量產。

 

鈑金加工的降低成本的方法

下面介紹一下四種用于在鈑金加工中降低成本的方法。

? 根據加工制造商的擅長領域訂購

雖然都叫“鈑金加工制造商”,但每個公司的設備也各式各樣。有可能僅根據加工設備的特性下單就可以降低成本。例如,如上所述,激光切割機擅長全周和腰形孔的高速加工,轉塔沖床擅長大量的孔加工和成形加工。如果您向主要用激光切割機加工落料工序的制造商訂購以孔加工和成形為中心的產品,則加工成本會增加,如果向主要使用轉塔沖床的加工商訂購大尺寸的外周切割,加工成本也往往會增加。只需了解加工制造商的擅長領域來下單,就很有可能降低成本。

? 減少焊接,能折彎的地方折彎

如“TIG焊接”一節所述,小批量、多品種的焊接很多地方都必須依靠工匠的熟練技術,加工成本往往較高。例如,當兩張板90度對齊時,如果可以折彎,則折彎加工的單價往往會更低。 建議根據折彎加工的特性(材料、與模具等的干涉等)進行選擇。除了折彎加工外,鉚接也能降低成本,但需要在圖紙中設定為全部無焊接。

? 重新審視去毛刺的要求

在圖紙中明確標注“全周無毛刺”的要求,而加工廠家在去毛刺上也花費了相當多的設備和人工成本。通過將去毛刺要求縮小到真正需要的部分,工廠有可能減少去毛刺的人工成本。另外,不是胡亂地要求高精度,而是針對加工方實際能達到多少精度、訂貨方對去毛刺質量的容忍度如何等進行討論,由此可能會找到降低成本的途徑。

? 重新審視堆焊的必要性

在方形接頭焊接等中,通常會要求堆焊以確保強度,但激光焊接可以輕松實現薄板的低應變焊接,卻不擅長堆焊。近年來,即使是光纖激光焊接等母材焊接也能確保足夠強度的加工方法普及起來,因此可以通過考慮轉換加工方法來降低成本,而不是為了確保強度而堅持堆焊。

 

總結

鈑金加工是一種可以靈活處理小批量、多品種加工的加工技術,但由于仍有許多部分需要依靠工匠的直覺,因此可以說是一個較難的加工領域。 此外,制造成本會因加工設備和加工方法的選擇而變化,所以一定要了解鈑金加工的特點,才能有效地進行設計。
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