机箱和机柜

时间：2024-10-26 百科知识版权反馈

【摘要】：钣金结构机箱小型简易的机箱(盒)宜采用钣金弯板结构，其造型简单、省工省料。钢型材立柱机架机柜为封闭式截面承载能力较大，但内壁清洗较难，内壁的腐蚀问题不易解决。电子产品的外观结构件均为工程塑料制件的，称为全塑结构;外观结构件为工程塑料制件和木质组合的，称为塑木结构。目前，国内外成批生产的广播电视产品和某些小型电子仪器、计算机等的外观结构件均采用或绝大多数都采用工程塑料制件。

一、机箱和机柜

(一)设计要求

如前所述，机箱和机柜是有区别的，其组成分别如图3－2及图3－5所示。但它们也有很多相同之处。如:它们都是整台设备的承载部分;都是安装插箱、导轨及其他附件的基础件;制作工艺也基本相同;其设计的好坏将直接影响设备的工作稳定性和可靠性;它们的造型将直接影响人们的审美感受，从而影响产品的竞争能力。故其设计放在一起讨论，而不单独分开。综合来说，机箱、机柜的设计必须满足下列要求:

(1)结构坚固，在有振动、冲击、各种温度作用、潮湿的情况下，能保证设备可靠地工作;

(2)电磁兼容性好。即在外界电磁干扰的情况下，仍能可靠地工作，本机的电磁信号对外的干扰也小;

(3)保证插箱与机箱、机柜间及插箱与插箱之间有良好的机、电联接;

(4)结构简单，取材方便，易于安装与维修，并且有良好的结构工艺性;

(5)符合机架、机柜标准尺寸系列，有利于实现“三化”;

(6)体积小，重量轻，造型美观。

机箱机柜的类型，从所用材料来看可分为金属结构、全塑结构和塑木结构;从形态上分，有箱式、台式、立柜式、琴柜式等;还有其他的分法:如钣金结构、型材结构等。本书以材料分类来讨论。

图3－7　钣金机箱

(二)金属结构

电子产品外观结构件(外壳及骨架等)主要为金属制件的，称为金属结构。金属结构件按其成型工艺不同可分为钣金件、型材、铸件等。

1．钣金结构机箱机柜

冷轧板(钢板、铝板)经冲压弯曲成型作为箱、柜、台的主要构件，这种结构称为钣金结构。钣金结构强度高，刚性和可焊性好，可按需要来设计断面形状，造型与色彩装饰的自由度大，材料来源丰富成本低制造工艺简单、制造周期短、灵活性大，适用于单件及批量生产，尤其是广泛作用于大、中型装置的主要结构件;但在小型设备的批量生产中，效率不及型材及工程塑料结构。

(1)钣金结构机箱小型简易的机箱(盒)宜采用钣金弯板结构，其造型简单、省工省料。如果外表涂装的色质优良，成型轮廓清晰，就能取得较好的造型效果。图3－7(a)、(b)机箱由二个上下相对的凹形槽构件组合而成，结构简单，经济实用，配上装饰得体的面板，外观效果颇佳。

图3－8　钣金工作台

采用冷冲压成型工艺的机箱结构，具有成型工整、生产效率高、成本低、强度好、质轻的特点，适用于小型、批量大及携带式仪器、仪表，尤其适用于造型体面复杂及具有曲线曲面的机壳，如图3－8(c)、图3－8(d)所示。图3－8(c)的上、下盒的连接螺钉隐蔽于底部，外观效果良好;图3－8(e)为具有前后围柜的弯板结构机箱，前后框由弯板焊接制成，下部盖板可点焊于前后围柜，亦可用螺钉固定;图3－8(f)为通用钣金机箱。

(2)钣金结构工作台小型工作台采用钣金结构具有结构简单、轻巧的特点。表面涂以桔纹漆，不仅具有优美的外观，并富有良好的手感。图3－8(a)、(b)(c)是小型钣金结构控制台;图(d)为采用弯板结构的型材焊成骨架，配以壁板组成的大型工作台。

(3)钣金结构机柜钣金结构机柜如图3－9所示。图3－9(a)为由弯板结构的立柱与横梁焊接成的机柜骨架，配以壁板构成机柜，骨架前立柱上有按IEC297标准做的上架系列孔，供安装机箱用;图3－9(b)为整体上、下顶盖与立柱组成的机柜骨架，顶盖与立柱全部采用弯板结构;图3－9(c)为用立柱与横梁组成的机柜的外框架，内部设有具有装架系列孔的内立柱，全部用弯板结构制成，这种机柜框架与侧门、顶盖、前后门组成封闭式机柜，图3－9(c)所示为其外部的结构，内部结构看不见。

图3－9　钣金机柜

2．型材结构和型材复合结构机箱机柜

型材结构具有加工量小、组装方便、适用专业化生产等优点。常用型材有钢型材和铝型材。

电子设备的机箱(盒)机柜，其骨架或承载构件完全由型材组合而成的，称为型材结构;其骨架或承载构件由型材与其他结构件(如钣金结构、压铸结构)共同组合而成，称为型材复合结构。

(1)型材结构。这类结构的箱、柜一般是型材作骨架，加上钣金结构的门、侧壁、顶盖等组成封闭的壳体。

图3－10　型材截面形状

型材的截面形状有封闭形(异形管)和非封闭型(角形和槽形)，如图3－10所示。封闭形截面型材具有相当高强度、刚度和大的承载能力等特点。型材骨架的构成可以采用焊接或专用接头直接插入进行连接、铆接或粘接。型材的缺点是成本高，在运输和存放中易变形，且不易校直。封闭形型材内壁的清洗和涂覆较困难，内壁的腐蚀问题不易解决。

作为机箱、机柜的型材有钢型材和铝型材两种。

(2)钢型材机架机柜及铝型材机架机柜。图3－11为某设备的钢型材机架机柜，它是由顶框、底座和四根两头带有法兰盘的同截面型材(用壁厚为1mm的无缝钢管拉制而成)立柱经螺栓连接面而成。当装上左右侧板、后盖板(或门)和前门后，即组成钢型材机柜。立柱与法兰盘用焊接连接。

图3－11　钢型材机架机柜

铝型材机架、机柜一般由铝型材XC7311作前立柱和前横梁，见图3－12。此外四只前箱角和四只后箱角，分别插入型材内侧，用螺钉、铆钉和高强度粘合胶连接而成。箱角不但起连接作用，而且大大加强了其连接的刚性。图3－13是与XC7311、XC7313相配的前后箱角及其连接情况。

图3－12　钢型材机架机柜

图3－13　箱角相联

钢型材立柱机架机柜为封闭式截面承载能力较大，但内壁清洗较难，内壁的腐蚀问题不易解决。铝型材机架重量轻、接地电阻较小，但其连接刚性较差。

(3)铝型材机箱。电子仪器机箱结构中，普遍以铝型材作为主要结构件，与钣金结构机箱相比，铝型材(及其复合)结构机箱具有结构简单、切屑加工量小、质轻、易于装配、生产效率高等特点。

铝型材机箱的骨架，可由横梁和立柱直接组成，另可由左、右侧框或前后框，上下框和横向、纵向构件或立柱相连接，组成机箱骨架。图3－14所示是型材围框结构机箱。

图3－14　型材围框结构机箱

(b)1－前围框; 2－后围框; 3－腰带;

(三)全塑结构和塑木结构

电子产品的外观结构件(外壳及其骨架)均为工程塑料制件的，称为全塑结构;外观结构件为工程塑料制件和木质组合的，称为塑木结构。由于所采用的材料不同，电子产品的造型就有不同的特点和风格。

1．全塑结构

全塑结构具有其独特的外观特性和经济性。目前，国内外成批生产的广播电视产品和某些小型电子仪器、计算机等的外观结构件均采用或绝大多数都采用工程塑料制件。由于塑料表面致密、光滑、细腻，且塑件表面还可以进行二次加工，使造型增添了美感。

工程塑料是具有可塑性的高分子化合物，它在常温常压下并无显著塑性，而在一定的温度、压力下具有流动性、可塑性。利用塑料这一特征，可在一定的温度、压力下进行加工成型，得到一定形状的塑料制件。工程塑料还具有某些金属性能，能承受一定的外力作用，并具有良好的机械性能、电绝缘性能和尺寸稳定性，在高低温下仍能保持优良性能。

在电子产品的外观结构中，常用的工程塑料有ABS、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚苯乙烯(PS)、改性聚苯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、有机玻璃(372#)、AS等。

塑料制件的设计应注意二个方面的问题。一是在满足使用要求的前提下，塑件的形状应尽可能做到简化模具结构，符合成型工艺特点。因为模具型腔的形状、尺寸、表面粗糙度、分型面、浇口、排气槽位置及脱模方式等对制件的尺寸精度、形状精度及制件的机械性能等诸多方面都产生影响。二是塑件结构的造型设计，必须符合模型的工艺性，否则，再好的造型设计也无法实现。

2．工程塑料机箱

随着机箱尺寸的缩小，强度要求已不是机箱设计的主要矛盾，同时由于新的高性能塑料的出现和新工艺的开发，使工程塑料在机箱上得到了广泛的应用。工程塑料具有尺寸稳定、表面光泽好、较好的机械强度、耐腐蚀等优点，使塑料结构能迅速进入电子设备机箱结构领域，并已成为金属结构强有力的竞争对手。

塑料机箱具有抗结构损伤的能力。通常，金属壳体，如不小心保管，外观会很快损坏，出现划痕或油漆脱落现象;而在塑料壳体上，这种伤往往是看不出来的。塑料壳体外表美观且保持性好，能满足人们日益提高的审美观要求，这是塑料机箱发展的主要原因。

工程塑料机箱在小型电子产品中已得到普遍应用，因为小型机箱降低了对尺寸稳定性、抗变形能力、机械强度、刚度等的要求，模具制作容易，不需大的注射设备，易于推广。但对大型机箱来说，技术难度大、初投资高，模具制作周期长。另外，塑料结构机箱一般适用于批量较大的产品，在小批量生产中采用塑料结构往往是不经济的。

(1)整体全塑结构。由于不可能注射出封闭结构，故整体全塑结构仅用于某些部件，如带印制板导轨的插件盒等。

(2)对开式结构。对开式结构是指由两个盒形结构相互连接构成封闭的产品外壳。

在小型扁形的产品中大多采用上下对开嵌合结构，如计算器、键盘、小型仪器仪表盒、幻灯机等。

在竖直状态下使用的小型扁形结构采用前后对开式结构，如袖珍式收音机、各种收录机、手提式仪器仪表、工具箱等。当前由于注塑工艺的迅速发展，比较大型的高档产品亦普遍采用对开式结构，如电视机外壳、微型计算机及计算机终端显示设备(CRT)、大型收录机等。此类结构外形洗练、美观、大方，整个产品有一个装配结合面。接合处的结构处理对整机外观影响很大，设计不当会给人以粗糙、低劣感，处理得好可为整机增添艺术魅力。为保证对开的两部分能正确定位，两部应有相重叠的嵌合部分。接合处的结构示例如图3－15所示。

图3－15　对开式塑料机箱的对接结构

对开式结构的连接固定有如下几种方式:①对小型结构可用弹性嵌接结构钩住;②对大型结构一般用螺钉连接;③对经常开启的盒盖，可一侧采用铰链结构，另一侧用锁紧装置。锁紧装置分两种情况，小型的可采用弹性嵌接结构钩住，大型的可加装机械式锁定结构。

(3)组合式结构。塑料结构的模具投资很大，小批量生产是不经济的，而仪器仪表的生产批量往往不是很大，从经济效益考虑，常采用通用结构机箱，以适应多种仪器的需要。

通用塑料机箱主要是提供除前、后面之外的壳体，一般采用组合式结构，如图3－16所示。图3－16(a)、图3－16(b)所示机箱外形的高和宽及安装面板的系列孔均符合IEC297尺寸系列标准。为连接上、下塑料盖板和提高机箱的强度与刚度，机箱有4根金属立柱。通过在两侧增加侧板可派生出不同高度的机箱系列。图3－16(a)的金属立柱是型材，上下盖板及侧板上做有与型材形状相包容的异形孔，将型材插入塑料构件即可完成机箱的组装，采用材料为聚苯乙烯塑料。图3－16(b)的金属立柱为钣金件，通过螺钉与塑料盖板连接，金属立柱前面的孔可作为安装面板之用，侧面孔可用来固定内结构的支架，增加高度的侧板上还可以装把手。图3－16(c)为图3－16(b)结构的机箱加塑料底盘和塑料键盘后构成的微型计算机的终端装置，材料采用ABS塑料。

图3－16　组合式塑料机箱

组合式结构中也常采用由塑料制件、钣金件或型材结构混合组装成。例如:左右侧板(或带把手)为模塑件，外加型材或钣金件组成机箱;前后围框采用塑料结构，而骨架采用钣金和型材结构;前围框和面板由整体塑料做成，其他部分用钣金和型材结构构成等，如图3－17所示。图3－17(a)所示为前面板与前围框结合做成模塑料件的仪表机箱;图3－17(b)为箱体采用比较经济的挤塑工艺(内有装印制板的导轨)制成的矩形筒体，三块印制板用支柱联成一体后与后盖板连接，插入机壳，外加面板即构成完整的仪器。

图3－17　板金和型材机箱

1－机壳; 2－导轨; 3－印制板; 4－后盖板; 5－前面板

通用组合式塑料机箱还可以进一步设计成由成套的散件和组装件根据需要选择装配的结构。新产品设计可根据提供的组装模式，按自己构思选用通用零件进行组装。这样，试装成功的同时也完成了机箱的设计任务。

(4)玻璃钢结构。玻璃钢结构用于较大的挂墙式结构，具有轻巧、坚固的特点;用于室外时，还具有金属结构所不能比拟的耐腐蚀性。

(5)复壁结构机箱。这种结构是由双层壁板组成的中空结构，二层壁板各厚约1．5mm，两板间空气夹层厚约8mm;内壁用来固定仪器且不影响外壁。外壁可设计得美观大方以吸引顾客。这样的结构增强了刚度和强度，空气夹层具有缓冲隔层作用。机箱结构轻巧，通用性好。

复壁结构机箱采用低成本的吹塑工艺成型，如采用高抗冲击强度和温度适应范围(－73～77℃)较宽的而价格适中的高密度聚乙烯(HDPE)，可取得较好的经济效益。

(6)工程塑料机箱的发展方向

1)结构泡沫塑料的兴起。结构泡沫塑料是指能用来做结构件的硬泡沫塑料。它采用热塑性塑料泡沫模塑工艺(TCM)成型，使用较低的注射压力，因而可用廉价的铝材来代替钢材制造模具。另外铝的加工性好，可大大缩短模具生产周期;并可以成型复杂塑件，从而为复合更多结构成为单一机壳打下基础。现代电子产品要求功能多样、造型新颖、产品更新周期短，故结构就日趋复杂。结构泡沫塑料工艺生产准备周期短，费用可节约30%，使短期生产和小批量生产的产品(一年不超过500台)亦有可能采用注射技术，从而提高了竞争力。

对结构泡沫塑料来说，多孔状结构有较大的比强度。在给定的质量下，结构泡沫塑料的刚度是固态塑料的2倍，是钢的7倍。结构泡沫塑料壳体的厚度一般需要6．4mm左右才能满足要求，如厚度不限制，它可用在任何地方。

结构泡沫塑件不收缩，给结构设计带来很大方便。可不必考虑因壁厚不均而带来的收缩问题;避免了加强筋或凹台由于收缩而产生的缩孔和凹瘪，甚至允许在机箱下面设大凸台(底脚)。

不同塑料的综合性能不同，应按使用要求进行选择，聚碳酸酯和热塑性聚酯树脂都较为适用于作结构件，如用于办公设备的外壳。其中，热塑性聚酯泡沫塑料的变形温度高达215℃，并有好的抗疲劳强度和抗弯强度，可用于高温场合。

热塑性增强结构泡沫塑料(FRTR－SF)是采用玻璃纤维增强(如PP、PS)，抗拉强度为原泡沫体的2倍，而抗弯弹性模量为未增强泡沫体的3倍。另外热塑性增强结构泡沫塑料制品表面硬而滑，手感及外观极佳。不同材质的FRTR－SF可制成仿木、仿竹制品。热塑性增强发泡体，由于它在性能、成本方面的优越性，有着极为广阔的发展余地，是目前合成材料中发展最为快速的领域之一。

结构泡沫塑料亦有某些不足之处，如模塑压力低时会产生涡纹表面，常需一定量的二次加工;壳体厚度是注塑塑料的2倍。

ABS塑料也具有优良的综合性能，如坚硬、坚韧、较高的耐热性和耐化学腐蚀性，富有较好的弹性、较高的冲击强度、优良的介电性能及成型加工性能，并且能电镀，价格便宜，材料易得，因此发展很快，是目前产量最大，应用最广的一种工程塑料。广泛用来制造成电视机、收录机的外壳、旋钮、电话机壳、话筒、把手、铰链、塑料铭牌等。

2)提高塑料件表面的外观质量。在电子设备中机箱的外观是很重要的，发展塑料机箱缘由之一，就是因为它能提供较好外观。新型的高速结构泡沫塑料机箱，能较容易地生产出CRT(显示器)的外罩，并在涂漆前不需要任何表面精整处理。这是热塑模具和合理的注射压力相结合的结果，真正地消除了泡沫塑料的涡纹效应。

通过改变配料方案，来提高外观质量。如具有低光泽的表面外观，特别适合作办公室设备的机箱。

3)真空热压成型。将热塑性塑料板材加热到软化温度，然后放在凸模或凹模上抽真空，使塑料板紧贴于模具轮廓上而成型。

图3－18所示是利用单个凹模进行抽真空成型的原理示意图，图3－18(a)表示将坯材固定在凹模上，并用封闭圈密封，防止空气进入坯材与型腔之间，然后将加热器移至坯材的上方进行加热，待坯材达到软化状态后移去加热器;图3－18(b)是表示将型腔中的空气抽去，使已软化的坯材在大气压力作用下，紧贴凹模成型表面而成为塑件;图3－18(c)是表示已成型的塑件充分冷却后，通入压缩空气使塑件脱模。

图3－18　凹模真空成型

1．加热器; 2．夹持框架; 3．凹模; 4．坯材; 5．抽真空; 6．压缩空气

用这种热成型模塑来代替传统的注射模塑工艺，在一定的生产周期下是经济的，真空成型所用的成型设备和模具均较简单，费用可大大节省。

4)塑料机箱的屏蔽和防静电。电子设备之间的相互干扰及对人类的影响越来越严重。目前，电磁干扰已被当作“污染问题”而列入了治理日程。国际上已相继制订了一些限制电磁辐射的法规或规定。虽然塑料不导电，但塑料机箱无屏蔽功能，不能抑制电磁干扰。可是通过一定的工艺处理，可使塑料机箱获得屏蔽功能。其主要途径是采用导电涂覆和导电塑料。

导电涂覆就是在塑料上采用喷涂、浸渍、阴极溅射、真空蒸发、电镀等方法，在表面形成导电涂覆层。当前要求电磁屏蔽的塑料零件均可采用此法。

导电塑料就是在塑料内加入导电材料，如碳粒、石墨、铝粉等。许多导电塑料的效果已达到40～50dB，个别的甚至达到70dB。解决电磁屏蔽问题最直接和最有效的措施是发展导电(复合)塑料，使金属的屏蔽性和塑料成型的固有优点结合起来。但由于导电填料加入往往会影响到塑料的综合性能，尤其是塑料的表面质量。因而，它在机箱上的普遍应用尚有待于更理想的导电塑料问世。

3．木质结构与塑木结构机箱

(1)木质结构的特点。木质结构具有加工性能好、制作设备与工具简单、生产周期短、表面着色和涂饰方便、装饰效果好、成本低等特点而且给人以不生硬有亲和力的感觉，是早期电子设备的主要结构型式。这类结构由于外观简陋、强度不高、外观保持性差、屏蔽性能不好、安全性差等因素已渐被金属结构与塑料结构所取代。但对于质轻、内部发热量小或自制的某些仪器仪表装置，仍可采用木质结构(常加塑料贴面)，与铝合金型材等金属结构相配合，构成外观效果较好的机箱。

由于木质结构具有良好的音响效果，故至今仍应用于电声装置中，如作为音箱使用。但木质机箱本身应进行相应的改性处理和外表的精整加工，并与金属结构及塑料结构相结合，亦能取得富有时代感的造型效果，特别给人以亲和感。

相对而言，木质结构在台型装置中应用较多。虽然全木结构已很少用，但由于木质的轻巧、加工容易、且有亲切、柔和、人们乐于接近及质感强等特点，常作为台面。为防止木材变形，骨架木料应进行改性处理，稳定尺寸;面料宜用胶合材，并往往加贴塑料贴面，使其显得轻松、典雅，提高台面的强度、硬度、耐磨性和外观保持性。台面侧面可贴塑料贴面，亦可用铝型材或钣金结构件包边，以提高台面边缘的强度、耐损伤性和外观效果。粘贴塑料贴面应选择适当的粘结剂，注意掌握粘贴工艺(应加压固化)，以免因塑料贴面的翘曲、剥离而影响外观质量。

(2)木质结构的工艺特点。首先是胶接接缝的形式。木材具有纤维结构，造型时都在棱边、棱角处进行胶接，如图3－19所示。

图3－19　木质结构的胶接接缝形式

其次是胶合工艺。在胶合工艺中，粘接材料的好坏直接影响工艺质量。粘接材料种类较多，常用的材料有皮胶、骨胶等。这些胶是在加热熔化后冷却凝固的固体胶，因此耐水性较差。另一类是合成树脂胶，如酚醛树脂、脲醛树脂(5011胶)等，耐水性较好。

在胶合前应对板料的各接合处先进行刨平处理。胶合时，将板缝一边涂上甲醛(俗称福尔马林)，在板缝的另一边涂上胶水，然后合上板缝并迅速移动几下，使胶水分布均匀，再稍加压力，静止数十秒即凝固胶妥。

第三是表面装饰。电视机、台式收音机、音箱、小型箱式冰箱等外壳，一般用椴木胶合板，它的表面纹理清晰，故一般做腊克面，亦可贴塑料装饰膜，并镶以各种铝质氧化着色镶条，使造型华丽、高雅。

(3)塑木及塑纤板结构造型。塑木结构即是塑料结构和木质结构组合而成的结构;塑纤板是塑料结构与木纤维板(即碎木屑高压而成)组合而成的结构。它们的造型特点是保持了塑件的成型特点，易于外观造型，使形体具有凹凸感，前脸可进行二次加工便于装饰。对于大型壳体，可以节省模具制造费用。

图3－20　拼块式塑木结构

塑木结构的外壳设计，大致可以分为拼块式和组合式两种。

1)拼块式。拼块式是将壳体由上、下、左、右四块拼成。图3－20是台式收录机的壳体，上下两块是胶合板，左右两块是塑料侧板，相互间是用装配钉连接(用6．08×105Pa将装配钉打入塑料侧板和胶合板)。拼块式壳体可以节约1/3木材用量，且加工简单，易于组织高度机械化和自动化的木材加工生产线实现机壳标准化、系列化和通用化。尤其对于整机厂可以组织随机生产线，既便于整机总装，又能搞好文明生产，为节约生产场地提供了非常有利的条件。

2)组合式。组合式的机壳是由壳体(木质)与面板(塑件)组合而成。大型的电视机壳(指46cm以上)，一般采用这种形式。图3－21为组合式电视机外壳，面板为塑件，壳体为胶合板，相互间亦用装配钉连接。胶合板做壳体成本较高，并且胶合板折弯困难。图3－22所示为满足造型的要求而采取的结构形式。目前，大都以中密度纤维板替代胶合板。