机箱设计要点

电子机箱设计要点
结构主义设计是通过设计符号表达物体本身和文化, 它将任何设计物体看
成是材质, 每个设计的东西有各自蕴含的传统意义和内涵,然后依据他们之间的关系, 将他们组合成一定形状。

结构主义设计可以将不同的文化和历史意义进行转化。

结构主义设计中的很多符号可以被广泛地引用, 附上广泛的文化意义, 创造罗兰巴特所说的神秘的意境。

由于每个设计的物体本身, 都可以被解释成各自的意思, 所以设计的内容可以进行结构分解。

功能主义设计手法主要来源于前苏联的公园设计,它让广泛的政治教育活动与人们在绿地环境中的文化休息最完善地结合起来, 为居民提供一年四季的各
种文体活动设施和场地, 为居民提供开展体育锻炼散步和文娱活动的一切可能性。

主要做法是通过各种必要的功能分区来进行深入设计。

如我国早期的合肥逍遥津公园, 北京的陶然亭公园都是按照功能来进行造园的典范。

在20世纪末,
许多单位绿化也慢慢采用了从功能角度进行设计的手法, 它可以很好地满足以
人为本的一种设计理念。

一、机箱设计准则
1.确保设备技术指标的实现设计机箱时，应根据设备的使用环境，综合考虑设备内部的电磁干扰和热问题，以及外部的机械、电磁、电气和气候等因素的影响，以确保设备电性能的稳定性，并使机箱具有足够的强度、刚度，以确保设备机电连接的可靠性以及设备的防振冲能力，同时采取相应措施，确保设备各项技术指标的实现和可靠性要求。

2.具有良好的结构工艺性所谓结构工艺性好就是能优质、高产、低成本地进行设备的生产，包括加工、装配、调试、维修等。

结构与工艺密切相关，结构不同则所采用的工艺也不相同。

设计机箱时，应根据设备的使用要求综合考虑当时的生产水平，包括加工设备、人员、工艺方法以及检验手段、方法等，使设计的机
箱符合当时的生产实际，并具有良好的装配工艺，从而确保设备质量。

3.便于装配、操作、维修为了充分发挥电子设备的效能，设计的机箱应便于操作使用，并符合使用者的心理和生理特点，同时结构上力求最简，便于装配、拆卸，使设备可达性、维修性好，另外，设计的机箱应确保操作人员的使用安全，如避免锐边、棱角、采用漏电保护装置等。

4.标准化、模块化机箱设计时，应尽可能地满足标准化、模块化要求，并采用模块化设计方法，所有尺寸均采用标准尺寸系列，并符合公差配合标准及有关通用标准，以确保设备机箱的互换性，这样，在研制类似设备或设备改型时，可以少改动甚至不改动设备的机箱尺寸即可完成新研或改型设备的机箱设计。

5.小型化所谓小型化就是尽可能地减小设备体积和重量。

机箱的小型化不仅在设备的使用性能上有重大意义，在经济上也具有重要价值，因而在设计机箱时应予以重视。

6.外形美观设备的外形不仅关系到操作者的感官要求，而且关系到设备的销售。

设计机箱时，应将工程设计与造型设计相结合，充分利用造型设计的手法，对机箱外形精心设计，以使设备外形美观。

综上所述，确保设备技术指标的实现和便于装配、操作、维修的准则体现了机箱设计的实用性要求，具有良好的结构工艺性体现了机箱设计的经济性要求，标准化、模块化和小型化既体现了机箱设计的创新要求又体现了经济性要求，造型设计则体现了机箱设计的美观要求。

三、机箱结构设计
电子设备的机箱种类很多，其结构形式取决于设备用途、使用环境和复杂程度，目前，常用的有钣金结构机箱、铝型材结构机箱、铸造结构机箱、焊接结构机箱、塑料机箱等 5 种。

1钣金结构机箱
钣金结构主要利用弯曲工艺，将型材、板材弯曲成一定角度形成一定形状而成。

弯曲是利用材料的塑性进行加工的一种工艺方法。

设计钣金结构机箱时，要注意以下几个问题：
⑴ 弯曲圆角半径，这里的圆角半径是指内缘半径。

圆角半径过小容易引发裂纹，圆角半径过大容易引起回弹现象，而使设计的弯曲圆角和半径尺寸得不到保证。

不同的材料有不同的最小弯曲半径，设计的半径要以此为依据。

对形状近于对称的机箱，两边的圆角半径尽量一致，以免弯曲时板料因受力不均而滑动。

有时为
了装配需要，机箱会带有翻边，此时，应采用具有一定半径的弯边代替过急的折角；
⑵ 回弹现象，回弹又叫回跳。

由于弯曲过程包括塑性与弹性变形两个过程，因此，回弹现象是不可避免的。

设计时，应制定合理的弯曲公差，太严的公差只能靠整形工序予以保证，或者用加强筋来抑制回弹，予以定形，或者通过改进模具结构来减弱回弹；
⑶ 弯曲形状。

机箱形状与尺寸应尽量对称，这样，可以防止弯曲过程中因受力不均匀、坯料发生滑移而影响弯曲精度，而且模具的寿命也长；
⑷ 单边弯曲高度尺寸。

钣金结构中，单边弯曲能起到加强筋的作用，有时甚至能安装电子元器件，单边弯曲高度值问题常常为设计人员所忽视。

在弯曲圆角半径确定的前提下，其单边弯曲高度值有一极限值，过小则在普通折弯机上无法实现，必须设计专用模具，从而增加加工成本。

通常最小单边弯曲高度为最小弯曲半径加两倍材料厚度；
⑸ 设计定位孔。

为保证机箱在弯曲时不会移动，常须开设定位孔，因此，机箱设计时要充分考虑定位孔，并为其留好位置；
⑹ 尺寸标注及公差的合理标注。

机箱中的有些位置尺寸标注不当往往会影响到机箱弯曲后的质量，通常以机箱弯曲成型后的开放边为基准来标注相关位置尺寸。

尺寸公差也是值得注意的问题，公差等级过高则增加成本，甚至无法实现，过小则影响设备的整机装配。

具体的公差精度要视设备结构的复杂程度而定。

钣金结构机箱尺寸变化灵活，便于标准化、系列化，而且加工、组装简单，但机箱的尺寸精度较差，而且机箱外形不易做到美观，因而，这种机箱主要用于单件多品种电子设备中。

钣金件的板与板之间的连接的几种方式：
铆合：需要专门的铆合模具，在同一面上一次可铆多孔，由冲床完成，因此设计时应该注意留有足够的作业空间，会产生模具费用。

不过由于靠机械生产，产能较高。

在需求量教大的情况下是一种很经济的选择。

由于是对铆，需做冲孔和抽牙。

如果是TOX铆合，孔虽然不通，但则不是很平整。

STAKING则多了一个孔。

另外铆合一旦铆错，将没法重工，只能做报废处理。

因此防呆设计在生产中尤其重要。

钣金铆合钉如下图所示。

点焊：由于是电阻焊接，板才容易受热变形，电焊件的定位在设计中很重要。

单点每次只能点一点，排焊虽可以点多点，但对于面积较大则需要多次动作，故产能较低。

跟铆合一样，电焊也需要有足够的作业空间，要考虑焊头是否可以顺利的动作。

由于电焊表面较为平整，在外观要求教高的地方通常用到。

同时由于是靠电流加工，因此点焊工序需安排在其他一些工序之前，如烤漆前要事先焊好。

和铆合一样，点焊一样具有不可重工性。

拉钉：拉钉受空间的限制比铆合和点焊都要小的多，不过将多出一项拉钉的费用，靠拉钉枪打拉钉效率也是非常低。

不过拉钉受空间限制小，可重工，在钣金连接中经常用到。

（不知道大家注意没有，很多公交车的车皮都是用拉钉连接的），由于拉钉头会高出板面，因此设计时拉钉的方向也需要考虑。

螺丝：螺丝连接也是常见的连接方式。

很明显，用螺丝连接的一大好处在于他的可以拆卸性。

对于经常拆装的部件螺丝连接是一种很好的选择。

不过正是由于他的可拆卸，所以放松是他的一大缺点。

造型设计组成要素。

产品造型设计是用创造性的构思，以艺术的形式和造型手段去充分发挥和体现产品的功能特点及其科学性和先进性，是现代科学技术与艺术的有机结合，由它的基本特征可知，构成产品造型设计的基础要素是产品的功能、物质技术条件和美学艺术内容。

（1）功能基础：功能基础是指产品特定的技术功能，它是产品造型设计的主要目的，是产品最基本的使用要求。

造型设计要充分体现功能的科学性、使用的合理性、舒适性以及具有加工、维修方便等基本要求。

对于一般产品而言，其功能要求主要包括：功能范围、工作精度、可靠性与有效度、宜人性等方面。

（2）物质技术基础：产品的功能是靠物质技术条件来具体实现的，产品的造型表现同样也必须依赖于物质技术条件来体现。

实现产品造型的物质技术条件主要包括：结构、材料、工艺、新技术、经济性等方面。

材料结构对产品造型有很大的影响，只有合适的材料结构才能塑造一个优美的产品。

（3）美学基础:产品造型设计除使产品充分的表现其功能特点，反映现代的先进科学技术水平外，还要求给人以美的感受。

因此，产品造型设计必须在表现功能的前提下，在合理运用物质技术条件的同时，要充分地把美学艺术内容和处理手法融合在整修造型设计之中，同时又充分利用材料、结构、工艺等条件体现造型的形体美、线型美、色彩美、材质羡。

美学基础的内容主要包括：美学原则、形体构成、色彩、装饰及面饰等方面。

2铝型材结构机箱
铝型材结构机箱就是利用各种截面形状的铝型材弯曲成机箱的围框，在围框外面覆以铝板（可以采用冲裁、弯曲或机加工制成），借助铆钉或螺钉连接组装成的机箱。

铝型材结构机箱主要采用弯曲工艺，其设计中的注意事项参见钣金结构机箱设计。

这种机箱结构简单，变化灵活，内部结构易于处理，并且具有足够的强度和较好的刚度，加工工艺简单，生产周期短，而且机箱外形容易实现美观要求，故广泛用于新产品的研制和批量生产，目前主要用于民用电子设备以及军用电子仪器、仪表中。

随着型材技术的不断发展，出现了多种铝型板，设计人员可充分利用铝型板，借助于铆钉、螺钉直接组装成型板结构机箱。

这种机箱具有结构新颖、美观、刚强度高、加工量少、装配方便等特点。

铝型材机箱一般包括外壳,支架,面板上的各种开关,指示灯等.外壳用钢板和塑料结合制成,硬度高,主要起保护机箱内部元件的作用;支架主要用于固定主板,电源和各种驱动器.
铝型材机箱加工设计特性
1、机箱前后面板可设计成可拆装式；
2、机箱的散热方法可根据客户要求确定；
3、箱体固定角可做成分装式、整体式，并开有U孔，方便其连接使用；
4、材料：优质冷轧钢板，优质耐指纹电镀锌板，优质铝板；
5、其结构形式多样化，可按客户提供的具体结构加工，也可由客户提供内部安装部件及要求由我公司进行具体结构设计；
6、表面处理：喷涂、磷化、氧化；
7、压装铆件可涂前压装也可涂后压装；
8、特殊式焊接不会破坏耐指纹点镀锌板的涂层，使箱体内部更美观、更防腐。

配置灵活:电路板在导轨槽中按需求可灵活选择位置，插拔方便。

结构紧凑，上下两层，可满足不同的需求。

该标准插箱按IEC19"的标准设计，通用性强。

结构合理用U型板做整体框架，其上的压桥对导轨板组件其定位作用。

多处用沉头螺钉连接精度高。

良好的接地性能:后盖板上设有接地螺母，使设备接地安全可靠。

通风散热性好:U型板顶端和两侧开有通风散热孔，上部安装有风扇组件，使插箱内置设备运行在合理的温度下。

主要零部件材料：
1.U行板、导轨板、下盖板、风扇板采用1.2mm的优质冷轧钢板。

2.上面板、上下导轨横梁开专用型材模，采用6063铝合金挤压型材。

3.后盖板采用1.5mm的优质铝合金板
主要零部件的表面处理：
U行板、导轨板、下盖板、风扇板采用采用镀彩锌处理，导电局部保护，高压静电喷粉桔纹。

上面板、上下导轨横梁采用喷砂氧化，后盖板采用导电氧化。

精美铝型材机箱表面处理精美铝型材机箱表面处理方法有:拉丝阳极氧化,喷砂阳极氧化及阳极氧化染色，色泽有铝本色，淡黄色，深灰，黑色等可任选。

铝型材机箱表面处理方面还有化学氧化，又称导电氧化。

其特点是铝合金机箱内外面都导电，（阳极氧化铝合金机箱内外面都不导电）适应电磁屏蔽要求高的电子仪器；其缺点是表面氧化膜薄，容易划伤，容易污染，不能染色。

机箱主要结构件有：面板、侧板、前、后横梁、上、下盖板、盖板固定螺丝、盖板固定螺丝垫、前、后耳板等。

铝型材机箱插箱式则配有中横梁，导轨组件等。

铝合金机箱侧板、上、下盖板可根据需要冲制散热孔。

3.铸造结构机箱
所谓铸造，就是将液体金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型腔体中，冷却后获得零件或毛坯的方法。

由于军用环境的特殊性，军用电子设备通常需要有“三防”功能，设备必须采用密封机箱，此时，可采用铸造结构或焊接结构机箱。

铸造工艺可制成形状复杂且结构不对称的机箱。

随着精密铸造技术的迅速发展，铸造精度能达到 IT10～IT11 级，表面粗糙度可达 Ra6.3～0.8μm。

设计铸造结构机箱应注意以下几个问题：
⑴ 结构最优化。

铸件的优点在于允许零件具有复杂的形状，这种复杂形状可能是为了外形美观，为了合理利用材料，为了满足机箱的强度、刚度，或是为了设备的装配需要，设计人员应充分利用铸件的这一特点，在机箱的实用（满足性能）、美观、经济三者之间寻求最佳的平衡点，力求使设计的机箱结构最优化；
⑵ 箱体壁厚的确定。

从节约材料、减轻设备重量的角度考虑，机箱壁越薄越好，从铸造工艺性考虑，薄壁结构铸造难度大，成本高。

机箱壁太厚则流动性差，且容易形成气泡、缩孔等铸造缺陷，成本也高。

因而，在决定机箱壁厚时，要从箱体大小、结构形式、铸造方法、材料、加工成本等多角度综合考虑。

⑶ 机箱各连接处的过渡设计。

机箱两个表面的连接处是铸造机箱结构设计的重点。

在两个表面连接处，铸造金属不均匀的聚积会导致机箱内部不均匀的冷却，它是缩孔、缩松、内应力、裂纹等铸造缺陷产生的根源。

因此，机箱的任何两个平面之间都应避免尖角相连，而应采用圆角过渡，而且尽可能用同一圆角。

当两
个平面壁厚相差很大，而又难以避免时，应设计坡度圆角过渡区，或设计加强筋来加强等；
⑷ 角部的圆角度确定。

机箱各角部的合适圆角度是铸造结构的基本特征，圆角过小，容易产生内应力，并导致裂纹。

圆角过大，则角部积聚的金属较多，容易引起缩孔等缺陷。

通常取两连接壁厚算术平均值的 0.2～0.4 倍；
⑸ 壁与壁间的连接圆角的确定。

如果两壁厚相同，则内圆角取壁厚的 1/6～1/3，如果两壁厚相差不大，则内圆角取两壁厚平均值的 1/6～1/3；
⑹ 筋的设计。

有时为了机箱的强度、刚度需要，需要设计加强筋，有时甚至利用加强筋来安装零件、元器件等。

但是，在机箱外缘和拐角处不能设计加强筋，否则会产生局部应力而使金属破坏，产生裂纹。

筋的厚度通常取壁厚的 0.7～
0.9，筋的高度要小于 5 倍壁厚；
⑺ 结构斜度。

为便于起模，在机箱上垂直于分型面的不加工表面要设计有一定的斜度，这一斜度就叫结构斜度，结构斜度要在零件图上标注。

值得注意的是：结构斜度与拔模斜度是有区别的，拔模斜度是铸造工艺斜度，不能混淆；
⑻ 结构设计要考虑型芯因素。

机箱的结构设计，要尽量做到少用甚至不用型芯。

如果必须要用型芯，应采取相应措施，以便牢固地支持型芯，以保证浇铸时型芯的稳定性，还要注意能方便地清除型芯。

铸造结构机箱具有生产率高、刚度、强度高、成本低等特点，由于是整体机箱，可能会给设备维修带来不便，而且机箱外形还需要二次加工才能完成，故通常用于小批量生产。

当设备批量很大时，可采用压铸工艺方法，压铸结构机箱具有铸造结构机箱的所有优点，比铸造结构机箱组织致密，其防水性能、尺寸精度进一步提高，机箱外形一次成型，而且可以满足机箱的各种造型需要，这种机箱需要专用设备，而且加工复杂，一次性投资比较大。

4.焊接结构机箱
焊接就是利用加热或加压等手段，使分离的金属材料牢固地连接在一起的一种工艺方法。

设计焊接结构机箱时首先要考虑以下几个问题：
⑴材料的焊接性。

焊接性是指在一定的焊接工艺方法、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

众所周知，并非所有的材料都可以焊接，可焊接材料中也并非都有很好的焊接性能，因而，在满足设备使用性能要求的前提下，应选用焊接性较好的材料。

当然，可焊接性能，与所采用的焊接方法是密切相关的；
⑵结构刚度。

合理布置箱体各焊接零件的相互位置，以保证箱体焊接的结构刚度；
⑶应力集中。

焊接结构截面变化大、过渡区较急陡、园角小，如果设计不当，会引起应力集中，从而导致结构破损和早期失效。

基于以上认识，设计焊接结构机箱时，在选好所用材料后，应着重考虑解决以下几个问题：
⑴ 合理选择焊接接头，这是设计焊接结构首先需要确定的问题。

焊接接头通常有以下几种：I型、Y 型、U 型、V 型、双 Y 型、双 U 型、双 V 型以及锁边坡口等几种，具体的接头形式应视所用材料及具体结构而定。

我们在设计某通信设备机箱时主要采用了 V 型坡口；
⑵ 尽量减少焊缝金属的填充量。

填充量少，成本低，箱体受焊接过程影响小；
⑶ 合理布置焊缝。

焊缝布置合理，则可减少热变形和热应力，防止局部过热，从而保证焊接质量。

设计焊缝时，应尽量设计为对称布置。

值得注意的是，焊缝的布置应便于在焊接前采用点焊的办法，将整个机箱先连成一体，而且，焊缝的位置要便于施焊，否则影响焊接质量；
⑷ 尽量避免和减少应力集中。

由于焊缝本身是应力集中源，因此，焊接件在动载荷情况下特别容易在焊缝处产生裂纹。

设计时，应尽量采用等厚度板料焊接，或加工成等厚度焊接的过渡区，我们在设计某通信设备机箱时，就是采用了这种方法，从而保证了整个机箱的焊接质量和尺寸精度；
⑸ 加工区域内尽量不布置焊缝，因为先焊后加工，会削弱焊缝强度，而且加工面的质量也得不到保证；
⑹ 焊缝应避免过分集中或交叉，焊缝的数量要尽量少。

焊接结构机箱具有强度、刚度高、加工不需要特殊设备、加工技术难度较低、防水性能好、成本低（相对于压铸结构机箱而言）等特点，这种机箱适用于新品研制以及批量生产。

4.塑料机箱
塑料机箱是利用工程塑料通过注塑或压塑成形而制成的机箱，所采用的工程塑料主要有：ABS、聚丙烯、聚碳酸酯、结构泡沫塑料等。

由于工程塑料具有尺寸稳定、表面光泽好、比强度、比刚度高、质量轻、易加工成型、生产效率高、耐腐蚀、成本低等诸多优点，使得塑料机箱很快在电子设备中得到了广泛应用。

事实上，上世纪 70 年代国外许多民用、军用电子设备就采用了工程塑料机箱。

在国内，塑料机箱主要用于民用电子设备，而在军用电子设备中的应用还不多见。

值得一提的是，塑料机箱能满足设备的各种造型设计要求，而且保持性好，能满足人们日益提高的审美要求。

塑料机箱一般用于中小型、大批量的电子设备的生产。

设计塑料机箱时应注意解
决以下几个问题：
⑴ 机箱壁厚的确定，壁厚取决于机箱的使用要求，即强度、刚度、结构、重量、电气性能、尺寸稳定性以及装配等各项要求，最常用的壁厚为 2～3mm，大型机箱的壁厚也可大于 6mm；
⑵ 机箱壁厚应尽可能均匀一致，防止在成型过程中由于不均匀的凝固与收缩，在厚壁处易产生气泡和收缩变形，在急剧过渡处因收缩应力而引起裂纹；
⑶ 机箱内外表面相连及拐角处应用圆角过渡，如为尖角，则会产生应力集中，而影响到机箱的强度和质量，而且不便于脱模；
⑷ 机箱上的孔应尽可能设计在不易削弱机箱强度的地方，除相邻孔之间以及孔到边缘之间保留适当的距离，还应尽可能使有孔的部分壁厚厚一些，以防止孔眼处安装零件而破裂。

机箱上的凸出部分尽量设计在机箱的拐角处，而且凸出部分的高度不要超过孔径的 2 倍，并要有足够的倾斜角以便脱模。

过高的凸出部分会关住气体，使这部分的强度和密度减小；
⑸ 要设计合理的加强筋，以加强机箱的强度和刚度，防止翘曲。

合理采用加强筋，还可减小壁厚，节省材料；
⑹ 要考虑机箱的脱模斜度，斜度的大小与塑料的性能、收缩率以及机箱的厚度、形状有关，通常取15′～1°。

随着材料科学研究的不断深入，有一些工程塑料在强度、刚度方面已接近甚至超过金属，如果进一步提高工程塑料的机械稳定性、物理稳定性和化学稳定性，用工程塑料替代金属材料作为电子设备的结构件是电子设备发展的必然趋势。

综述
机箱的模块化、小型化设计模块化设计作为一种新的设计理论、方法，在国外已广泛应用于各类电子设备的研制与生产中。

电子设备机械结构的模块化首先是设备机箱的模块化，设计机箱时应认真贯彻并执行模块化设计的有关准则、要求和步骤，加强对机箱模块的研究设计工作，使电子设备的机箱标准化、模块化、系列化。

采用模块化机箱能大大缩短研制周期，提高设计质量，从而为电子设备的新研及改型研制创造有利条件。

电子设备的小型化、轻型化、薄型化、迷你化一直是人们追求的目标，对于军用电子设备来说，其体积越小、重量越轻，其机动作战的能力越强，战场生存能力也就越强，而且设备的小型化极有利于设备的现场级维修、基层级维修。

电子设备的小型化首先要解决机箱的小型化问题。

设计机箱时，把小型化设计与结构设计、模块化设计结合起来，并贯彻于整个设计的全过程，使设计的机箱既满足整机要求，又满足模块化和小型化要求。

机箱的造型设计随着时代的进步，人们对电子设备的质量要求已不仅是内在质量，现在又提出外观质量（包括产品的形态、色彩、装饰等）和使用质量（即产品的显示、操作的宜人性）要求，外观质量和使用质量就是造型设计需要解决的课题，造型设计可提高现代电子设备美学质量和市场竞争力，从而增加设备的附加值。

电子设备造型设计的核心是设备机箱的造型设计，设计机箱时，充分利用美学原理和造型设计的手法，将造型设计融合到机箱结构设计中，使设计的机箱在满足整机要求的同时，其外形线条流畅，表面色彩柔和，机箱各尺寸比例协调，具有时代感，而且面板布局合理，美观大方，操作方便、舒服。