Основы разработки корпусов из металла для радиоэлектроники и приборостроения
Многие пользователи Protocase являются настоящими специалистами в своей области, но не всегда обладают знаниями в сфере дизайна или производства изделий из металлов. Но разработка оптимального дизайна для корпуса, который будет отражать вашу задумку и требования, — задача серьезная. Поэтому последнее десятилетие мы создавали информационный ресурс, содержащий наши знания о листовом металле и основах дизайна корпусов из него. Мы надеемся, что они помогут вам начать работу и сэкономить время, избежав многократных переделок в дальнейшем.
Эта статья освещает пять ключевых элементов разработки: подбор металла, гибка металла, самозажимной крепёж, сварка и отделка.
Выбор металла
При разработке корпуса в первую очередь необходимо подобрать тип материала и его толщину. Среди основных материалов, использующихся для корпусов РЭА, — алюминий, нержавеющая сталь, углеродистая сталь (оцинкованная и холодного проката) и медь. Ниже приведено описание характеристик каждого из этих металлов.
Алюминий
— легковесный коррозионностойкий металл, отлично подходящий для корпусов и изделий из листового металла. Может быть обработан порошковым покрытием или оставлен без покрытия, с шлифовкой или без неё. При необходимости электрического контакта алюминий хроматируют. Также алюминий можно анодировать — этот процесс создаст твердое и прочное оксидное покрытие.
В ряде случаев алюминий может иметь коэффициент жёсткости ниже, чем сталь; вероятно, может потребоваться большая толщина корпуса для особых случаев.
Наиболее распространенные сплавы:
1. Алюминий 5052 — идеально подходит для корпусов и деталей из листового металла, поскольку может изгибаться на малый радиус без образования изломов. Он прост в сварке и обработке.
2. Алюминий 6061 — легко обрабатывается, но более склонен к образованию изломов при сгибании на малый радиус.
Сталь холодного проката
— как и алюминий, широко применяется при изготовлении корпусов. Отличается хорошей комбинацией цены и прочности, а также долговечностью при условии применения порошкового покрытия и использования изделия в помещении. Однако сама по себе такая сталь не обладает стойкостью к коррозии; если это свойство важно, необходимо использовать алюминий, нержавеющую или оцинкованную сталь.
Нержавеющая сталь
— обладает прочностью и жёсткостью стали холодного проката, но при этом устойчива к образованию коррозии благодаря содержанию хрома и никеля. Поставляется с порошковым покрытием, непокрашенной или отшлифованной, что придаёт ей зачищенный вид.
Оцинкованная сталь
— низкоуглеродистая сталь с защитным покрытием из цинка, полученным при помощи гальванизации (предотвращающей отшелушивание). Такое покрытие препятствует образованию коррозии при использовании изделия во влажных помещениях. Хотя устойчивость к коррозии при этом не столь высока, как у алюминия и нержавеющей стали.
Медь
— мягкий, гибкий и ковкий металл с высокой степенью тепло- и электропроводности. Как правило, используется при создании шин, но может применяться и для изготовления корпусов. Работая с этим металлом, затягивайте крепления с осторожностью, поскольку мягкая медь деформируется при чрезмерном усилии. Оптимальным выходом будет использование самозажимных крепежей.
Заказные отверстия
Металлические корпуса часто имеют вырезы разнообразных форм и размеров. Как правило, это отверстия для разъёмов, дисплеев, переключателей и т.п. Также это могут быть вырезы нестандартной формы и назначения, включая логотипы, бренды или названия изделий, а также нестандартные вентиляционные отверстия, комбинирующие эстетическую форму и функциональность.
Гибка металла и радиус изгиба
Корпуса и изделия из листового металла гнутся листоштамповочным прессом или гибочной машиной. Как правило, металл не может быть согнут под идеальным прямым углом и чаще всего имеется небольшой радиус, как видно на рисунке ниже.
Использование различных инструментов и методик позволяет добиться разного угла изгиба. Проектируя корпус, вы контролируете этот параметр заданием радиуса изгиба — это радиус внутренней поверхности изгиба (внешний радиус — это сумма внутреннего радиуса и толщины металла).
Ключевые факторы подбора угла изгиба:
Функциональные соображения: вам неизвестен размер плоской части для зажимов, компонентов или вырезов до момента чёткого подбора радиуса изгиба.
Эстетические соображения: к примеру, дизайн в ретростиле зачастую подразумевает больший радиус для более округлого внешнего вида.
Учитывайте эти соображения при выборе радиуса изгиба.
Необходимо уделить особое внимание пересечению двух линий изгиба (т.е. углу) корпуса. В частности, необходимо удалить избыток материала для предотвращения создания препятствий между углами; это называется «высвобождением угла» («срезанием угла» в CAD-системах).
Как правило, вырезы должны находиться на определенном минимальном расстоянии от углов изгиба во избежание развальцовки или растяжения отверстия. Это расстояние определяется типом материала, его толщиной и инструментом, используемым для изгиба, а также значением радиуса. Какое бы минимальное значение изгиба вы ни подобрали, убедитесь в том, что отверстия находятся минимум на таком же расстоянии от места изгиба. Например, при использовании нержавеющей стали 14 калибра и стремлении к минимальному изгибу в .275" вырезы должны находится не ближе, чем .275", к месту изгиба.
При необходимости размещения отверстия близко к месту изгиба детали нужно обсуждать с производством. Существует возможность вырубки выреза в области изгиба, что позволит сохранить требуемую форму отверстия:
Самозажимной крепёж
Самозажимным крепежом называются резьбовые гайки, штифты и другие подобные изделия, запрессованные в листовой металл для создания монолитных точек крепления. Гайки могут подходить для винтов (более надёжное решение, чем нарезание резьбы метчиком непосредственно в металле), стоек для монтажа на них печатных плат и штифтов для крепления разъёмов. Самозажимные крепежные элементы, обозначенные аббревиатурой PEM (стойки производства Pennsylvania Engineering and Manufacturing) крайне удобны и помогают решать множество задач по креплению компонентов.
Ниже приведён ещё пример использования самозажимного крепежа:
Сварка
Сварку применяют для решения различных комплексных задач, например, при создании сложных деталей (сварка разных частей в единое изделие), герметизации соединений или усилении корпуса.
Точечная сварка
— быстрый, эффективный и недорогой метод постоянного соединения двух деталей из листового металла в одной или более точках. В отличие от применения резьбовых соединений, точечная сварка оставляет небольшой след. Существуют некоторые ограничения в применении этого способа сварки, связанные с геометрией сварочного оборудования (см. рисунок ниже). Точечная сварка применима ко всем видам холоднопрокатной, нержавеющей и оцинкованной стали.
Максимальная толщина сварного шва: 15″ (375мм)
Максимальная высота: 5″ (125мм)
Шовная сварка
— подходит для постоянного соединения двух и более деталей из листового металла с эффектом бесшовности. Мы используем метод холодной передачи металла (Cold Metal Transfer — CMT), похожий, на первый взгляд, на дуговую сварку плавящимся электродом в среде инертного газа (MIG). Тем не менее, при MIG-сварке присадочный металл передаётся напылением при крайне высокой температуре. При CMT-сварке сварочная проволока нагревается для расплавления кончика, и передача происходит при физическом контакте. При использовании CMT-сварки тепловыделение составляет всего 1/10 от тепловыделения MIG-сварки, что предотвращает искажение металла, даже для тонких изделий. Чаще всего избыток металла впоследствии удаляется шлифовкой. Получившиеся в итоге места соединений осуществляют защиту от внешних погодных факторов и снижают электромагнитные помехи, а также придают изделию бесшовный вид.
Сварка прихваточным швом
— осуществляется аналогично шовной сварке, но по отдельным частям изделия:
Отделка
Порошковое напыление
— электростатическое нанесение сухого термопластического порошка с последующим закреплением высокой температурой в печи. Имеет широкий выбор цветов (http://ral.ru/classic_colours) и позволяет добиваться различных эффектов на поверхности — глянца или текстуры. Порошковое напыление является признанным стандартом в индустрии благодаря экономичности, высокому качеству и долговечности покрытия. Безусловным преимуществом также является широкий выбор различных текстур, например, шероховатые покрытия превосходно скрывают следы пальцев на корпусе и отлично наносятся.
При порошковом напылении краска ложится дополнительным слоем на корпус. Габариты на чертежах обозначают только размеры металла, без покрытия. Рекомендуется прибавить дополнительные 1-2 миллиметра с каждой стороны для вырезов (например, если в вырезанное отверстие вставляется деталь с габаритами 25 мм, размер отверстия должен составить от 25 до 26 мм). В противном случае отверстия могут оказаться слишком маленькими, и деталь в них не поместится.
Цифровая печать и шелкография
добавляют вашему дизайну впечатление профессионального продукта. Обе этих техники позволяют нанести чёткие обозначения для разъёмов, входов, переключателей и прочего. Цифровая печать также превосходно справляется с нанесением изображений, например, логотипа компании.
Цифровая печать и шелкография наносятся на плоские панели, детали и собранные корпуса.
Несмотря на то, что цифровая печать является де-факто стандартом для многих дизайнеров, обе техники имеют свои преимущества, которые стоит учесть при выборе наиболее подходящего для Вас способа.
Химическое конверсионное покрытие
— зачастую называется химической пленкой или хроматированием. При хроматировании на поверхности металла создается коррозионностойкое и прочное покрытие (подобное нержавеющей стали) со стабильной электропроводностью.
Анодирование
— электрохимический процесс, применяемый для подготовки поверхности неферритных материалов, в основном, алюминия, для снижения образования коррозии и повышения прочности. Анодированная поверхность становится частью алюминия — таким образом, она не отдирается, не скалывается и не шелушится. При нормальных условиях эксплуатации она не изнашивается.
Покрытие оловом
— применяется для нанесения слоя чистого олова на медную поверхность. Оловянное покрытие применяется для усиления стойкости к коррозии, лучшей электропроводности и пайки.
Чистое металлическое покрытие
— предлагается в трёх базовых вариантах для алюминия и нержавеющей стали:
Отсутствие покрытия – деталь шлифуется без нанесения дополнительного покрытия, поэтому на поверхности могут быть видны небольшие царапины или отметины. Такие детали экономичны, но неприменимы для видимых частей изделия.
Зернение – деталь шлифуется и карцуется щёткой.
Галтовка – сглаживает поверхность с помощью абразивного материала (визуально напоминает заиндевевшее стекло).
Допуски
Важной частью разработки корпуса является учёт производственных допусков. Источниками ошибки являются погрешность позиционирования и колебания при резке отверстий, отклонения, связанные со структурой металла и неидеальным моделированием растяжений, возникающих при сгибании. Также важно помнить о том, что габариты предоставляются для чистого металла без учёта покрытия — при порошковом покрытии сверху добавляются от 0.07 до 0.1 мм.
Это перевод оригинальной статьи https://www.protocase.com/blog/2017/02/16/electronic-enclosure-design-101/, но если что-то непонятно по проектированию корпусов — обращайтесь, постараемся помочь.
