浅谈钣金的设计制造与成本核算

李秋伟

【摘要】钣金生产涉及制造行业各方面，如汽车，航空等，使用范围广泛，在制造业有着举足轻重的地位。目前钣金行业的产值年均增速高于10%，其中模具及配件行业产值增幅预计达到24%，因此分析钣金的设计制造以及成本之间的关系对钣金行业的发展显得至关重要。阐述了钣金设计制造过程中的设计方式、材料选取及定额、工艺流程及其相应的成本核算分析，为钣金制造企业提供一定的参考和借鉴。

【关键词】钣金；设计制造；CAD；成本核算；工艺流程；软模加工

引言

近年来我国制造行业发展迅猛，作为制造业基础行业之一的钣金行业取得了空前的发展。钣金是一种针对金属薄板（通常在6mm以下）的综合冷加工工艺，包括剪、冲/切/复合、折弯、焊接、铆接、拼接、成型等，被广泛应用于机电、石油、轻工、汽车、电力等行业中。钣金零件指金属薄板经过钣金加工后生成的零件，钣金零件的一个显著特点就是，无论最终的造型多么复杂，都是从一块厚度一致的平板板料开始，经过复杂的冲压、折弯等钣金加工制造而成。目前全国从事钣金行业的企业已逾3万家，超过180万的相关从业人员，年生产钣金件约4200万吨，销售总额达5000亿元人民币。这充分说明对钣金的设计制造和成本分析方面的研究意義重大。钣金件的制造要经历两个重要阶段，一是钣金件的设计，设计决定了钣金加工完成后的最终形态和功能；另一个阶段就是钣金件的加工制造。钣金件的设计制造不仅与它的实用性有关，与成本销售也有着莫大的关系。钣金零件的成本构成主要有：材料费用、人工费用、制造费用。本文将通过论述钣金设计制造过程中的设计方式、材料选取及定额、工艺流程等及其相应的成本分析来说明钣金的设计制造与成本核算的关系，以期为从事钣金制造业的人员提供一定的参考和借鉴。

1、钣金件的设计及其成本核算

钣金件的传统设计方法一般是直接在平面图纸上手工绘制出来。设计人员使用几何画法原理，通过图解法和解析法在平面图纸中将模型的主要信息表达出来。目前随着计算机技术的普及和发展，钣金制造行业使用计算机及相应设计软件进行设计已经得到应用推广，如利用CAD、CAPP等系统基于参数化模型进行设计。利用CAD系统进行钣金设计已成为主流，越来越多的钣金CAD系统或者模块在工业界不断涌现。利用计算机进行钣金工程设计能大大降低工作量，提高设计效率和正确率，合理利用材料，从而节约成本。

钣金件设计时首先考虑的是构件本身的功能是否满足要求，制造是否容易。对于功能性，在设计时已经有严格的要求或者规定，但在构件的加工性方面的差异很明显，优化的空间比较大。钣金件的工艺性是指零件在冲切、弯曲、拉伸加工中的难易程度。良好的工艺应保证材料消耗少，工序数目少，模具结构简单，使用寿命高，产品质量稳定。在钣金件设计时需要工程师重视几条设计准则：1）简单形状准则，一般切割面几何形状简单，方便切割下料，切割的路径相应越短，切割量小，从而提高制造效率，降低成本；2）节省原料准则，尽量减少下脚料，以节约成本；3）足够强度刚度准则，这也是保证功能性的要求；4）可靠冲裁准则，如果冲裁结构复杂，准确测量定位费时，由于刀具的磨损和安装误差，加工精度通常达不到要求，质量难以保证，废品率高；5）避免粘刀准则，在冲裁时容易出现刀具与构件粘接的问题，需要保证切割面连通并留有一定的坡度来解决此问题。

钣金设计工程师在钣金件设计时注重钣金件的使用性和工艺加工性，对成本的考虑比较少，这是是钣金件设计的短板。采购工程师注重成本预算。而对销售来说，钣金产品的使用工艺性和成本预算同样重要。因此在钣金件的初步设计时对其成本的核算显得非常重要。

2、钣金材料与成本核算

适合钣金件的材料非常多，一般包括镀锌钢材、不锈钢、弹簧钢、镀锡薄板和铜及铜合金。常用的镀锌钢材有SECC（电镀锌板）和GI（热镀锌板）。电镀锌板底材是冷轧钢卷，所以其具有冷轧钢卷的机械性能和加工性，并且由于电镀的锌层保护作用，所以SECC有良好的耐腐蚀性和装饰性。不锈钢有含铬量较高的铁素体型不锈钢、马氏体不锈钢及奥氏体不锈钢。铁素体不锈钢材拥有优越的耐腐蚀性和高温抗氧化性能；马氏体不锈钢热导性好，强度高，拥有良好的机械性能，常作为承载件；奥氏体不锈钢具有铁素体型不锈钢的耐腐蚀性和抗氧化性，并且有良好的塑性和焊接性能，但屈服强度比较低，不适合作为承压构件。弹簧钢是指含锰铬较高的中碳合金钢，具有良好的弹性，所以常用于减震构件后储能构件。镀锡薄板俗称马口铁，底材为低碳钢，所以拥有良好的塑性，厚度非常薄，一般小于0.6毫米。铜及其合金保持了铜的大部分性能，导电性及耐腐蚀性良好，塑性高，易加工，但材料单价费用比较高。除了上述的几种常用材料外，

在钣金件的成本核算中，直接材料费占有很大的比例。在选材上要优先满足构件的性能，再来选取经济的板材，在价格上，铁片<镀层铁片<不锈钢<铝合金<铜合金。除了钣金件的材料品种外，钣金材料的定额及余料库存管理也影响着成本。如何保证采购的材料规格和数量适宜，材料的利用率最优化，余料的管理和合理利用，已经成为钣金制造企业必须关心的问题。

3、钣金制造工艺与成本核算

钣金件的加工工艺区别于机械加工的车，铣，刨，磨，线切割等工艺。主要有柔性加工和冲压加工。柔性加工是指软模加工，冲压加工就是硬模加工。本文主要参照软模加工工艺对成本核算进行分析。钣金件的生产按照工艺分为以下几个工序：下料、折弯、压铆、焊接、表面处理、组装和包装。可参考《面向制造和装配的产品设计指南》来进行钣金件的制造。

3.1下料

软模加工时下料有数冲和镭射等方式。数冲就是利用冲裁的方法把构件未成型前的展开样式冲裁出图纸要求的孔位和尺寸形的一种工艺方式。这个工艺可以对厚度约0.5cm-5.0cm左右的钢铁铝铜板材进行精准而快速的线分割。冲外部轮廓时，可以选择长方刀和短方刀，刀的长度决定了加工时间，也即决定了成本。数冲对刀具的磨损严重，尤其国产的刀具的冲裁次数仅为进口刀具的一半。在加工不锈钢等硬度大的板材时，磨损是其它软板材的2—3倍。这个过程中刀具费在成本核算是也占了相当的比例。数冲加工的产品毛刺较大，去毛刺工艺相应增加了人工费。镭射加工是指利用高能量密度的激光束照射材料表面，使材料汽化或颜色改变的加工工艺。由于它是无接触加工，对材料无直接冲击，因此无机械变形，加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于材料，同时由于镭射光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非镭射照射部位没有或影响极小。镭射加工产生的废料比数冲少，加工时间短，材料变形小，对数冲无法加工到的产品，可以进行二次加工。对于反射较大的部分铝板，要用专用的镭射机加工，普通的加工铁，不锈钢，铜等深色金属的镭射机容易烧坏反射镜。一般采用镭射切割下料，间隔距离最小是0.5T，数冲冲压下料，间隔距离相对就比较大，至少可以放下一个数冲刀具宽度，甚至是两个刀具宽度。

3.2折弯

折弯既是利用折弯机把未成型的构件折弯至图纸规定的外形尺寸，在折弯过程中要保证产品的功能性，此工序中一般要采用折床和预制的折弯模具来实现折弯。折弯时要首先要根据图纸上的尺寸，材料厚度确定折弯时用的刀具和刀槽，避免产品与刀具相碰撞引起变形是上模选用的关键，下模的选用根据板材的厚度来确定。折弯一般规律是先内后外，先小后大，先特殊后普通。

折弯工艺的成本节约主要在操作工的熟练程度和设备的自动化方面。如熟练工调试时间短，节约人工费。折弯设备自动化高，能保证折弯尺寸的稳定性，成品率提高。一般对折弯工的操作技能有一定要求，其人工费比普通工人高出1到2倍。

3.3压铆

这种工艺其实就是借助冲床的力度将一种钉状产品挤压在产品工件上使其不脱落，方便安装。一般用于压铆的零件有压铆螺柱、螺母和螺钉，压铆时采用相应的压铆机来完成。此道工序的成本核算主要看铆接件的数量和位置。数量多，位置度要求高，需要治具来保证压铆件放置平整，压铆后板材变形少，报废率降低。铆钉位置放在钣金件的边缘位置，离最外边很近，这样压铆后外边直线度就容易变形，也需要治具控制板材金属的应力释放。

3.4焊接

焊接就是将多个构件焊接在一起，达到加工的目的。目前常用的焊接方式有氩弧焊，点焊，二氧化碳保护焊，手工电弧焊，机器人焊接等。一般焊接方式的选择要根据实际条件和焊接件的材料特性来决定的。焊接时最容易出现板材变形，为了减小变形，除了打磨外，必需用治具控制。機器人焊接，需要编好程序，产品固定好位置，大批量生产，这种焊接优点是工时少，质量高，但是费用高。焊接工序对人员的专业水平要求较高，人工费是普通的2--5倍。

3.5表面处理

一般折弯，压铆之后要进行表面处理工序，不同的材料选择的表面处理方法也不同，比如冷板加工后常选择表面电镀的处理方式，电镀之后要磷化处理，最后再进行喷涂处理。表面前处理可以清洁表面，显著提高涂膜附着力，能成倍提高涂膜的耐蚀力。清洗时将构件挂于流水线上，经过清洗溶液之后进入清水中，然后构件经过喷淋区，最后经过烘干过程。当进行喷涂时，工件的牙孔可拧上螺钉，导电保护区域可用高温胶带贴合保护。如果构件进行不装配喷涂时，不需要进行喷涂的地方如螺孔等需要用螺钉或者软胶棒进行填塞保护，其他区域可用耐温性能良好的胶带等粘贴保护。目前钣金企业将表面处理工艺中的电镀/氧化都外包加工，按照产品表面积核算价格的。喷涂的成本核算，主要在喷涂的流水线上。清洗后，需要贴防烤的零件，需要人工来配合流水线，有时会造成员工窝工，使得流水线速度低下，工时增加，费用提高。某些户外喷涂的箱体在附着力，耐腐蚀性上面要求比较高，喷涂前要有电镀层，费用相对较高。还有部分钣金要求喷漆，喷涂厚度一般10um以内，这对钣金件裸露铁皮的表面要求比较高，工艺复杂，成本较高，况且液体漆是粉体漆价格的2—3倍。

3.6组装和包装

组装工序的成本主要包括人工费和治具费.对包装部分而言，根据产品的重量选择外包装，重量小于55KG的一般选取纸箱外包装，大于55KG选取木箱外包装。外包装的不同，内部缓冲保护辅料选取也不同，所以会有不同的成本。运输方式包括空运和海运，空运选择轻便的纸箱包装较多，但是包装费用降低了，运费增加了。海运选择木箱较多，包装费用增加了，运输费用降低了。一般木箱是纸箱价格的5—10倍。有关钣金件的包装设计，在笔者其他文章中会有详细说明，本文中不再过多说明。

4、结语

评判一个钣金件的设计是否合理，除了功能性满足要求、工艺合理外，也可以从成本上反馈出来，一般软模加工的钣金产品，材料费占总费用的20—30%，硬模加工的钣金件，材料费用占总费用的40—50%。月用量小于于500的一般用软模加工，大于500选择硬模加工。本文主要从软模加工来展开进行阐述的，限于篇幅对硬模的钣金冲压的工艺设计未加以叙述。

本文针对钣金件设计、制造工艺进行详细的阐述，分析了钣金件设计方式及制造时的下料、折弯、压铆、焊接和表面处理等具体工艺流程，同时总结了相应阶段的成本分析，为钣金制造企业的规划和发展提供指导和建议。

参考文献

[1]董庆华.钣金下料及应用实例[M].北京：化学工业出版社，2011，5.

[2]林荣德.产品结构设计实务[M].北京：国防工业出版社，2012，1.