江 峰，梁小鷗

1.江達(dá)發(fā)索科技（上海）有限公司，廣東 廣州 510630

2.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520

鈑金是一種針對(duì)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(chǎn)品叫作鈑金件。在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中，鈑金件有著廣泛的運(yùn)用，通過幾步簡(jiǎn)單的冷加工，就可以得到滿足設(shè)計(jì)要求的鈑金件。鈑金件存在于各類常見的商品中，小到手機(jī)的外殼、散熱片，大到設(shè)備的框體、汽車的車身等，鈑金件都是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。文章探討鈑金件的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，旨在降低鈑金件的成本，因此在討論優(yōu)化設(shè)計(jì)思路前，需要了解鈑金件成本的構(gòu)成情況，然后針對(duì)不同的成本費(fèi)用進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

1 鈑金件的成本構(gòu)成

鈑金件的成本通常包含材料費(fèi)、加工費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)、管理費(fèi)以及供應(yīng)商利潤(rùn)五個(gè)部分。材料費(fèi)是指鈑金件使用的原材的費(fèi)用，與鈑金件的尺寸和加工時(shí)產(chǎn)生的邊角廢料有關(guān)。加工費(fèi)是指在將原材料加工成成品的加工工序中所產(chǎn)生的人力費(fèi)、電費(fèi)、水費(fèi)、涂料費(fèi)等費(fèi)用的總和，通常加工商會(huì)為每一道工序制定固定的成本價(jià)格數(shù)據(jù)或計(jì)算公式，以方便加工費(fèi)的核算。材料費(fèi)和加工費(fèi)與生產(chǎn)加工直接相關(guān)，稱為直接費(fèi)用，通常約占總成本的60%。其中，材料費(fèi)通常占40%，加工費(fèi)占20%，而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度較高的鈑金件，加工費(fèi)占比會(huì)相應(yīng)地有所上升。

設(shè)備折舊費(fèi)是指加工鈑金件時(shí)所使用的設(shè)備的折舊、維護(hù)等費(fèi)用。管理費(fèi)是指鈑金件涉及的采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售等各個(gè)管理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的費(fèi)用。供應(yīng)商利潤(rùn)為加工商報(bào)價(jià)時(shí)追加的利潤(rùn)費(fèi)用。這幾項(xiàng)費(fèi)用與生產(chǎn)加工不直接相關(guān)，稱為間接費(fèi)用，通常占總成本的40%。

文章探討的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路主要是通過對(duì)鈑金件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低鈑金件加工中的相關(guān)費(fèi)用，即直接費(fèi)用部分的成本，從而達(dá)到降低鈑金件整體成本的目的。

2 鈑金件的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

2.1 材料種類的選擇

如上文所述，材料費(fèi)往往在鈑金件尤其是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鈑金件中占據(jù)最大的成本比例，因此材料種類的選擇是成本優(yōu)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(jià)格關(guān)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(shí)，需要綜合考慮鈑金件的受力情況、內(nèi)外部環(huán)境以及是否處于外觀面等因素。對(duì)于重要的受力件，可以考慮選用強(qiáng)度較高的熱鍍鋅鋼板或不銹鋼板；對(duì)于非重要受力件，可選用一般強(qiáng)度的普通冷軋鋼板或電鍍鋅鋼板。在干燥穩(wěn)定的環(huán)境中，選擇冷軋鋼板或鍍鋅鋼板；在潮濕或氣候不穩(wěn)定的環(huán)境中，選擇更加耐腐蝕的不銹鋼板。對(duì)于重要結(jié)構(gòu)件，選用普通冷軋鋼板或電鍍鋅鋼板；對(duì)于處于外觀面的鈑金件，選用原始的冷軋鋼板再進(jìn)一步做表面處理。

上述內(nèi)容列舉了一些簡(jiǎn)單的選用原則，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還需綜合考慮多方面因素來確認(rèn)最合適的材料。不同材料的價(jià)格差異較大，如同等尺寸的不銹鋼板價(jià)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(duì)鈑金件成本有著很大的影響，這不僅直接體現(xiàn)在鈑金材料費(fèi)中，還因?yàn)椴牧系暮穸葧?huì)影響鈑金件的重量，后續(xù)會(huì)對(duì)整機(jī)產(chǎn)品的強(qiáng)度、包裝、運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)生一定的影響。在滿足強(qiáng)度要求的情況下，要盡可能選擇薄的材料，其相關(guān)承重件的強(qiáng)度要求會(huì)降低，從而使整體產(chǎn)品盡可能地輕量化，包裝、運(yùn)輸成本也會(huì)相應(yīng)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(duì)使用較多也是最經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度的受力件，如長(zhǎng)時(shí)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(guān)系到使用安全的部件，則考慮選用更厚的材料。

在實(shí)際運(yùn)用中，效果最明顯的就是計(jì)算機(jī)的機(jī)箱、電氣機(jī)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(chǎn)品的外立面部件的厚度優(yōu)化。這些零部件往往尺寸很大，若能選用更薄的材料，就會(huì)更有效地降低產(chǎn)品整機(jī)的成本和重量。以前的產(chǎn)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(zhì)量、強(qiáng)度的提升，加工工藝的進(jìn)步，再加上對(duì)薄弱部分追加補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的產(chǎn)品已經(jīng)開始普遍選用1mm甚至更薄的材料了。

關(guān)于鈑金材料厚度，還有一點(diǎn)需要注意：目前市面上的材料厚度標(biāo)準(zhǔn)公差通常都是±0.1mm，如厚度為1mm的材料尺寸標(biāo)準(zhǔn)就是（1±0.1）mm，但是材料生產(chǎn)商出于成本的考慮，會(huì)將材料的實(shí)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(shí)測(cè)厚度一般不會(huì)超過1mm，甚至有的品質(zhì)控制得好的廠商會(huì)將板厚進(jìn)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(shí)要特別注意，選用材料的強(qiáng)度在其公差的下限范圍內(nèi)時(shí)能否普遍滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

2.3 優(yōu)化加工工序的設(shè)計(jì)

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(hù)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(jìn)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(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的余地很小。下面主要針對(duì)前處理工序，分析如何通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少加工環(huán)節(jié)從而降低成本。

工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，可通過盡量降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，達(dá)到減少加工工序的目的。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上，往往很難兼顧結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此，此類優(yōu)化主要是在完成初步的功能設(shè)計(jì)后所做的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的檢討。

某鈑金件結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖如圖1所示。圖1中左圖為剛剛完成功能設(shè)計(jì)的鈑金件，該鈑金件上表面和側(cè)面對(duì)應(yīng)的兩個(gè)孔位需要進(jìn)行連接固定，為功能性結(jié)構(gòu)。工程師在初步完成左圖的設(shè)計(jì)后，就可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的檢討，考慮將鈑金件修改為右邊的形狀，在兩個(gè)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(yōu)化成右圖只需一次折彎工序的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降低加工成本的目的。

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

上述例子是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鈑金件，而對(duì)于外形更加復(fù)雜的情況，有多種方式達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。例如，采用同一方向的折彎設(shè)計(jì)、翻邊孔設(shè)計(jì)等，以減少鈑金件在加工時(shí)的翻面操作；采用統(tǒng)一的孔徑設(shè)計(jì)可省去加工時(shí)更換刀具的環(huán)節(jié)，從而減少?zèng)_孔加工環(huán)節(jié)；配合加工商現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)特殊角度的折彎、異形孔，等等。當(dāng)然，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)需要工程師在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，使其在設(shè)計(jì)中運(yùn)用得更加得心應(yīng)手。

2.4 展開圖的優(yōu)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(fù)成板料狀態(tài)的操作。板料狀態(tài)的幾何形狀即該鈑金件的展開圖。鈑金件設(shè)計(jì)完成后，首先要確認(rèn)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(rèn)下料尺寸，并確保最終折彎成型的零件符合設(shè)計(jì)要求。

在加工鈑金件時(shí)，第一步就是下料的排版。對(duì)于大批量的生產(chǎn)，加工商需要在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的板材上進(jìn)行展開圖的排版，不同的廠家標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格可能不一樣，比如有2300mm×1200mm、2700mm×1500mm等標(biāo)準(zhǔn)尺寸的板料。優(yōu)化排版的目的是在一塊標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)、錯(cuò)位排版等方式來優(yōu)化排版，降低單個(gè)零件的材料成本。展開圖如圖2所示，加工商在報(bào)價(jià)時(shí)，往往會(huì)采用如圖3所示的常規(guī)排版方式進(jìn)行成本的核算。但是通過工程師的排版優(yōu)化，可要求加工商采用如圖4所示的錯(cuò)位的方式進(jìn)行排版，降低加工商的報(bào)價(jià)。同時(shí)，如果工程師能針對(duì)鈑金件的形狀進(jìn)行再優(yōu)化，在滿足功能要求的前提下，將圖2鈑金件展開圖優(yōu)化為如圖5所示的形狀，那么排版就可以進(jìn)一步優(yōu)化為如圖6所示的方式，材料的使用效率會(huì)進(jìn)一步提升，使鈑金件的成本進(jìn)一步降低。

圖2 展開圖

圖3 一般排版圖

圖4 錯(cuò)位排版圖

圖5 優(yōu)化展開圖

圖6 優(yōu)化排版圖

目前，在一些研究論文中有通過在設(shè)計(jì)軟件中集成二次開發(fā)命令進(jìn)行自動(dòng)排版的方法，也有通過幾何形狀算法來研究自動(dòng)排版的方法，但是這些方法還相對(duì)小眾，成本相對(duì)較高且效果也有待驗(yàn)證，待相關(guān)技術(shù)成熟后才有望進(jìn)行推廣?，F(xiàn)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(duì)設(shè)計(jì)的優(yōu)化來尋找排版的最優(yōu)化方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章從鈑金件材料種類的選擇、材料厚度的選擇、優(yōu)化加工工序的設(shè)計(jì)、展開圖的優(yōu)化排版等方面簡(jiǎn)單分析了鈑金件的幾個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。在鈑金件的設(shè)計(jì)中，工程師不僅需要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身的知識(shí)，還需要了解鈑金材料與鈑金加工工藝的相關(guān)知識(shí)，并通過在實(shí)際生產(chǎn)中與加工商溝通累積生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在提高鈑金件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的同時(shí)，降低鈑金件的材料成本和減少加工工藝環(huán)節(jié)，從而達(dá)到降低產(chǎn)品成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。