各种机箱大PK
一、前言
机箱是安装和保护电子设备内部各种电路单元、元器件及机械零部件的重要结构，对于消除各种复杂环境对设备的干扰，保证设备安全、稳定、可靠地工作，提高设备的使用效率、寿命，以及增强设备安装、维修的方便等起着非常重要的作用。机箱作为电子设备一个重要的基础结构，其设计也是整个电子设备结构设计的重要内容之一，现已成为实现电子设备技术指标的重要环节。随着科学技术的飞速发展，电子设备的种类越来越多，为满足不同类电子设备的需要，机箱的种类也是越来越多，形状越来越复杂，机箱设计的要求越来越多，如创新，实用，美观，经济等。为此，设计人员应转变设计思路，从过去单一的功能性结构设计转变为结构设计与造型设计、模块化设计等同步设计的新思路。军用电子设备的使用环境较民品更为多样、复杂、恶劣，其机箱设计则更为重要、困难，这也是从事军用电子设备结构设计的设计师所面临并要加强研究的课题。
二、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。
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。
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。
5.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。
四、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，具体的设计过程请参见文献［5］。
五、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。有关机箱造型设计的具体内容请参见文献［6］。
六、结束语
机箱作为电子设备一个重要的基础结构，其设计质量的好坏直接影响到设备的质量。本文讨论的只是本人从事电子设备结构设计的一点经验，是初步的，不一定全面。随着科学技术的不断发展和材料科学研究的不断深入，电子设备机箱设计的内容和要求也会越来越多，设计人员应及时更新设计观念，采用新技术、新材料、新工艺、新手段来指导具体的机箱设计，以满足电子设备的发展需求。