卡嵌式鈑金機箱成型工藝研究

趙蓓芳 朱 晨

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266107）

0 引言

鈑金機箱具有重量輕、強度高、成本低等特點，因而在多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對鈑金機箱提出了更多的定制需求，結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、高環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性、高維修性、造型美觀等需求愈加受到重視。

基于以上多種需求，鈑金機箱的結(jié)構(gòu)形式較傳統(tǒng)機箱更加復(fù)雜，局部結(jié)構(gòu)要素的成型達(dá)到或超出了機械加工設(shè)備的極限，可以通過模具沖壓解決此問題[1]，但往往產(chǎn)品批量不夠，模具成本高，驗證周期長，無法解決多種類、小批量的加工問題，為此，工藝設(shè)計應(yīng)從多種工藝技術(shù)的綜合運用出發(fā)來解決此類鈑金成型問題。

下面以一種卡嵌式鈑金機箱的成型工藝為例，從工藝流程、拼焊成型工藝和折彎模具角度給出了解決方法，從而解決了較復(fù)雜機箱成型問題，提高了零件加工精度和裝配精度。

1 卡嵌式鈑金機箱結(jié)構(gòu)特點

卡嵌式鈑金機箱由前面板、后面板、橫梁、圍框、上蓋板、下蓋板、底板和把手組成。該款機箱較以往傳統(tǒng)機箱的特別之處在于：蓋板與箱體的連接處、后面板與箱體的連接處均采用了段差的連接方式（圖1），既方便結(jié)構(gòu)件安裝定位，又提高了維修時拆裝的時效性，且造型美觀。

圖1 卡嵌式鈑金機箱

2 主要零件工藝特點

1）前面板板厚5 mm，后面板板厚2 mm，材料一般可選擇鋁合金材質(zhì)，面板上的結(jié)構(gòu)要素可以通過數(shù)控銑加工成型。

2）上/下蓋板板厚1.5 mm，黑色金屬選擇普通低碳鋼板，有色金屬選擇退火可折彎狀態(tài)的材料，蓋板上根據(jù)機箱內(nèi)部散熱需求，可增設(shè)通風(fēng)散熱孔，通過激光切割或者數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖下料，再通過數(shù)控折彎機折彎成型。

3）圍框兩側(cè)及后面均設(shè)計有Z型折彎（圖2～圖4），且Z型折彎高度與相鄰零件板厚接近，具有兩種高度。其中，與上/下蓋板連接處的Z型折彎高度為1.7 mm，與后面板連接處的Z型折彎高度為2.5 mm；折彎高度太小，已經(jīng)超出了常規(guī)數(shù)控折彎機及折彎刀具的加工極限；兩種高度，折彎或者沖壓模具需要“可調(diào)式”組合模具；圍框的成型不易通過一塊整料一體折彎成型。

圖2 圍框主視圖

圖3 圍框左視圖

圖4 圍框側(cè)面、后面折彎尺寸示意圖

3 工藝流程

卡嵌式鈑金機箱成型工藝流程：

1）前面板、后面板、橫梁等零件通過下料、銑加工、電鍍和噴涂等工藝完成。

2）上蓋板、下蓋板和底板等零件主要通過數(shù)控沖或激光切割下料、折彎、鉗修、電鍍和噴涂等工藝完成。

3）把手為外購半成品，通過表面噴涂工藝完成。

4）圍框通過激光切割、折彎、焊接、電鍍和噴涂等工藝完成，其中折彎工藝與常規(guī)箱體制造工藝不同，需要拆分成多個零件，應(yīng)用組合模具折彎后拼焊成型；圍框的成型工藝為機箱的重難點。

5）機箱裝配工藝采用壓鉚、螺裝等工藝。

4 拼焊成型工藝

針對小批量的特點，圍框的成型工藝不選擇成本較高的模具沖壓一體成型工藝，而采取“化整為零”的工藝方案，將難成型的結(jié)構(gòu)要素結(jié)合材料特性、加工設(shè)備、焊接工藝和零件精度等拆分在幾個零件上分別折彎實現(xiàn)，再拼焊在一起，從而實現(xiàn)圍框的成型。

4.1 材料選擇

圍框需要折24道彎，折彎集中，在局部小范圍內(nèi)既有U型折彎又有Z型折彎，且有高度1.7 mm和2.5 mm的兩種Z型折彎，因折彎導(dǎo)致的材料外層拉應(yīng)力和內(nèi)層壓應(yīng)力過大且應(yīng)力集中，易出現(xiàn)裂紋或折彎回彈等現(xiàn)象，同時結(jié)合后續(xù)的焊接工藝性需求和產(chǎn)品不同的應(yīng)用場景，推薦使用鋁合金5A05（O狀態(tài)）和Q195鋼板，這兩種材料的塑性、折彎工藝性和焊接工藝性良好。

4.2 基于成型工藝的拆圖

為了保證工藝的可操作性、經(jīng)濟(jì)性和精度要求，拆圖過程中須綜合考慮以下因素：

1）考慮后續(xù)焊接變形問題，減少焊縫長度，拆分成盡可能少的件數(shù)；

2）折彎模具具有一定的規(guī)格，盡可能不去截短模具或加工模具（破壞模具）；

3）有足夠的焊接、修整焊縫的操作空間；

4）拆分后的同一零件不同方向的折彎干涉；

5）折彎基準(zhǔn)和拼焊定位基準(zhǔn)的可操作性；

6）面板裝配時焊縫對裝配平整度的影響。

將圍框拆成四部分（圖5）：上下對稱的兩部分和左右對稱的兩部分。這種拆圖方案既減少了折彎形式，又能減少工藝展開圖數(shù)量，便于控制加工工藝質(zhì)量。

圖5 圍框拆分圖

4.3 鈑金展開圖

在設(shè)計鈑金展開圖時，因拆分后的零件仍存在局部折彎較多的情況，尤其是左右對稱的兩部分，以圍框右側(cè)部分為例，在不同的方向均存在Z型折彎，為了保證不同方向折彎互不干涉以及彎曲根部不折裂、不變形，要考慮提前在相應(yīng)部位加工工藝孔和工藝槽[2]。

工藝槽一般寬度大于等于板厚，長度為彎曲半徑加上寬度的一半，圓形工藝孔一般直徑大于等于板厚[2]。因該零件在局部出現(xiàn)多道彎交集的現(xiàn)象，經(jīng)過實際工藝樣件加工、折彎驗證，最終確定鈑金展開圖及工藝孔、工藝槽的尺寸如圖6所示。

圖6 鈑金展開圖尺寸

4.4 折彎順序

圍框拆分后，各部分Z型折彎的結(jié)構(gòu)形式類似，僅折彎方向不同、高度不同（圖4），為保證折彎的可操作性、折彎基準(zhǔn)的可達(dá)性和折彎精度，確定折彎順序時須綜合考慮以下因素：

1）先短邊，后長邊：不同方向都有折彎時，先折短邊，后折長邊有利于工件的加工和折彎模具的拼裝；

2）先外圍，后中間：從工件的外圍開始向工件的中心折彎；

3）先局部，后整體：如果工件內(nèi)部或外側(cè)有一些不同于常規(guī)折彎的結(jié)構(gòu)，先將這些結(jié)構(gòu)折彎后再折彎其他部分；

4）考慮干涉情況：根據(jù)折彎的形狀或工件上的障礙物適當(dāng)調(diào)整加工順序。

確定折彎順序如下（圖7）：

圖7 圍框上下及左右部分折彎順序示意圖

1）上、下兩部分：先折“Z”字型彎，再折“L”型彎。

2）左、右兩部分：按照先折復(fù)雜的再折簡單的原則，既能保證產(chǎn)品最后的尺寸，也能控制模具更換的次數(shù)。注意第1道彎和第2道彎易與第3道彎和第6道彎出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，應(yīng)在折第1道彎和第2道彎時，調(diào)整工件與折彎上模的相對位置，折彎模具端面與第6道彎齊平折彎。

4.5 折彎模具

綜合考慮現(xiàn)有折彎設(shè)備、成本及該類型機箱可能應(yīng)用的材質(zhì)、厚度等要素，基于該鈑金機箱的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計定制折彎組合模具，實現(xiàn)折彎工藝。

該折彎組合模具（圖8）由模具主體及調(diào)節(jié)墊片組成，安裝接口與常規(guī)折彎模具相同，能夠在常規(guī)數(shù)控折彎機上使用。

圖8 折彎組合模具示意圖

組合模具的參數(shù)如表1所示，可實現(xiàn)不同料厚t（0.5～2 mm）、不同Z型彎高度（t+0.3～7.8 mm）的折彎成型。它的實現(xiàn)方式為：通過增加或減少調(diào)節(jié)墊片的厚度及個數(shù)，實現(xiàn)不同高度Z型彎的成型。

表1 模具參數(shù)

通過多次工藝試驗和反復(fù)校核驗證，得出折彎高度與墊片厚度的關(guān)系式為：

式中：h為Z型折彎高度（圖4中的1.7 mm和2.5 mm）；δ為墊片厚度。

注意：在實際加工驗證的過程中，不同批次材料的板厚略有不同，機床精度以及模具定位時均有不同的差異，因此具體操作時，應(yīng)在折彎前試折確認(rèn)。

4.6 焊接

在圍框拆圖的過程中，綜合考慮了機箱承載能力和焊接質(zhì)量的需要，焊縫對稱于焊件截面的中性軸，減少了彎曲變形；因圍框的結(jié)構(gòu)形式為半敞開型，在焊接過程中，借用工件端頭上的孔，設(shè)計制作焊接定位支撐工裝（圖9）來增加剛性約束[3]，減少焊接變形。

圖9 焊接定位支撐示意圖

在焊接平臺上，利用C型夾頭、方箱和焊接定位支撐工裝等固定后，為了保證外觀質(zhì)量，在圍框內(nèi)部點固焊固定[3]，校形后，在內(nèi)部施焊，無法施焊的部位，在外部補焊，內(nèi)部焊接選擇氬弧焊，外部補焊選擇冷焊，減少變形量。其中，可根據(jù)外觀需要，進(jìn)行工藝孔、工藝槽的補焊填滿工序。

5 結(jié)論

針對不同的應(yīng)用場景，卡嵌式鈑金機箱均可通過以下工藝流程加工制造：激光/數(shù)控沖切割下料—鈑金折彎（Z型折彎，試折）—焊前試配、試裝—修整—焊接成型—電鍍—噴涂—裝配。在車載等動載荷情況和固定式靜載荷電子通信產(chǎn)品領(lǐng)域，應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合任務(wù)指標(biāo)進(jìn)行性能驗證。

合理有效的工藝流程、工藝方法和工裝模具能夠保證零件的加工質(zhì)量，從而保證產(chǎn)品的整體性能?？ㄇ妒解k金機箱的成型工藝綜合了材料、機床、工裝模具和焊接等具體條件，是工藝技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗的總結(jié)，已得到了較好的應(yīng)用。