柜式空調(diào)后板組件加工工藝

鐘明生 趙前進(jìn)

(珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070)

1 引言

后板組件是柜式空調(diào)最重要的零部件之一，相當(dāng)于汽車中的底盤，是整個(gè)空調(diào)器的骨架，其加工工藝屬于鈑金件之間的連接技術(shù)，鈑金件之間的連接方式有自攻螺釘連接、普通螺釘配螺母連接、點(diǎn)焊連接、無(wú)鉚釘鉚接、有鉚釘鉚接等多種方式[1]。要在各種工藝中選擇最適合后板組件加工的工藝，不僅要跟據(jù)后板組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用要求，還要結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況。目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的主要有兩種工藝，一種是點(diǎn)焊，市場(chǎng)上銷售的柜式空調(diào)的后板組件95%都是使用該工藝生產(chǎn)的；另一種是無(wú)鉚釘鉚接，作為一種新工藝在空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用才剛剛起步。本文將從連接原理、連接質(zhì)量、連接強(qiáng)度、加工成本、工藝流程、勞動(dòng)環(huán)境等多方面分析兩種工藝在后板組件加工中的差別，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 后板組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及零部件組成

由于機(jī)型繁雜，各機(jī)型后板組件的結(jié)構(gòu)稍有不同，但大同小異，下面以某一種產(chǎn)品的后板組件為例進(jìn)行說明，如圖1。

后板組件外形尺寸長(zhǎng)1700mm×寬500 mm×高25 mm，包含固定條（2件）、固定塊（9件）、加強(qiáng)板（2件）、后板（1件）、電機(jī)安裝板組件（1件）。其中固定條、固定塊、加強(qiáng)板、后板、電機(jī)安裝板組件使用的材料為熱鍍鋅板Q235A厚0.75或0.95，它們通過各種連接方式連接在后板上。每個(gè)固定條需要設(shè)置3個(gè)連接點(diǎn)與后板連接，每個(gè)固定塊需要設(shè)置2個(gè)連接點(diǎn)與后板連接，電機(jī)安裝板組件根據(jù)實(shí)際的受力分析設(shè)計(jì)連接點(diǎn)，連接點(diǎn)分布如圖2、圖3、圖4，連接點(diǎn)共70個(gè)左右；其中電機(jī)安裝板組件用于固定電機(jī)，由于電機(jī)是振動(dòng)源，電機(jī)的穩(wěn)定影響空調(diào)器的送風(fēng)風(fēng)量、整機(jī)性能、振動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，因此電機(jī)安裝板組件與后板之間的連接強(qiáng)度與可靠性要求特別高。

固定條用于加強(qiáng)后板中部剛度以防止后板共振變形；加強(qiáng)板用于加強(qiáng)后板上部剛度和改變風(fēng)的流動(dòng)方向，使風(fēng)流向蒸發(fā)器；固定塊用于固定渦殼，渦殼一般為注塑件或泡沫件，重量較??；由此可以看出固定條、固定塊、加強(qiáng)板與后板的連接要求相對(duì)于電機(jī)安裝板要求較低。

3 加工工藝分析

由于柜式空調(diào)屬于家用空調(diào)，市場(chǎng)需求很大，年產(chǎn)量少則幾十萬(wàn)，多則上百萬(wàn)，每臺(tái)空調(diào)約40到70個(gè)連接點(diǎn)，由后板組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及零部件組成可知零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接點(diǎn)分布規(guī)律性不強(qiáng)。所以生產(chǎn)效率是選擇工藝方式的重要因素之一，各種板間連接技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，無(wú)鉚釘鉚接各項(xiàng)綜合性能優(yōu)越，但設(shè)備一次性投入成本較高；點(diǎn)焊連接強(qiáng)度最好，但是高耗能，勞動(dòng)環(huán)境惡劣，普通鉚接需要配孔插鉚釘工序繁瑣；螺釘連接需要配孔，操作復(fù)雜，付出螺釘成本。各連接方式詳細(xì)對(duì)比如表1。

表1 連接方式比較

由于點(diǎn)焊工藝具備成熟性、點(diǎn)焊機(jī)成本低廉等特點(diǎn)，目前市場(chǎng)上銷售的空調(diào)95%以上是點(diǎn)焊工藝加工而成，一般3到5臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)（DN-75）連成流水線生產(chǎn)，逐點(diǎn)連接。2%左右的空調(diào)使用無(wú)鉚釘鉚接工藝生產(chǎn)，其余的采用螺釘連接或者其它方式連接。其中無(wú)鉚釘鉚接作為一種新的工藝方法，在汽車行業(yè)中已經(jīng)應(yīng)用較多，但是在空調(diào)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較少。無(wú)鉚釘鉚接有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在未來必將在后板組件加工中大規(guī)模應(yīng)用。下面將詳細(xì)對(duì)比點(diǎn)焊工藝和無(wú)鉚釘鉚接工藝在后板組件加工中的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 連接原理

點(diǎn)焊原理：電阻點(diǎn)焊工作原理如圖5所示，焊接過程中，將焊件壓緊在兩電極之間,當(dāng)施加電極壓力后，阻焊變壓器向焊接區(qū)域通過強(qiáng)大的焊接電流，在被焊工件接觸面上形成大量的真實(shí)物理接觸點(diǎn)，并且隨著通電加熱而不斷擴(kuò)大。熱能與塑變能使得接觸點(diǎn)的原子不斷激活，消失接觸面，繼續(xù)加熱形成熔化的核心，簡(jiǎn)稱熔核。熔核中的液態(tài)金屬由于電動(dòng)力等的作用發(fā)生強(qiáng)烈攪拌，熔核金屬的成分被均勻化，結(jié)合面迅速消失。加熱停止后，熔核中液態(tài)金屬以自由能最低的熔核的邊界半熔化晶粒表面為晶核開始結(jié)晶，接著沿與散熱相反的方向不斷以枝晶形式向熔核中間延伸，最后得到晶粒生長(zhǎng)充分的焊點(diǎn)[2]。

無(wú)鉚釘鉚接原理：無(wú)鉚釘鉚接沖壓圓點(diǎn)是通過一個(gè)沖壓過程，即可將被連接的鈑金擠壓進(jìn)相應(yīng)的凹模，在進(jìn)一步擠壓作用下，凸模側(cè)的板件材料擠壓凹模側(cè)材料，使其在凹模內(nèi)“流動(dòng)”變形，如此即可產(chǎn)生一個(gè)既無(wú)棱邊，又無(wú)毛刺的連接圓點(diǎn)。如圖6。

3.2 連接外觀質(zhì)量

外觀質(zhì)量相差很大，點(diǎn)焊由于必須形成金屬熔核，必然會(huì)破化鍍鋅層，把鋼板表面燒傷，點(diǎn)焊壓力下形成凹陷，如圖7。

無(wú)鉚釘鉚接對(duì)于有漆層或鍍鋅的鋼板，因漆層和鋅層也隨之“流動(dòng)”變形，不會(huì)被損壞，所以，此連接點(diǎn)外觀整潔、美觀并且不會(huì)影響鈑金的抗腐蝕性能，如圖8。

3.3 連接強(qiáng)度

點(diǎn)焊由于是原子間的結(jié)合，連接強(qiáng)度與母材相當(dāng)。無(wú)鉚釘鉚接單點(diǎn)連接的靜態(tài)連接強(qiáng)度為點(diǎn)焊的70%，雙點(diǎn)連接(可以在一道工序內(nèi)加工形成)的靜態(tài)連接強(qiáng)度與點(diǎn)焊相等；動(dòng)態(tài)疲勞連接強(qiáng)度比點(diǎn)焊高[3]。

以上文中提及的后板組件為例，分析無(wú)鉚釘鉚接連接點(diǎn)分布，無(wú)鉚釘鉚接固定條（2件）、固定塊（9件）、加強(qiáng)板（2件）和后板之間的連接使用一個(gè)鉚點(diǎn)替換一個(gè)焊點(diǎn)來替代，電機(jī)安裝板組件和后板之間的連接采用如下公式設(shè)計(jì)：鉚點(diǎn)數(shù)量=焊點(diǎn)數(shù)量×1.5，例如本文涉及的某型號(hào)電機(jī)安裝板使用點(diǎn)焊工藝生產(chǎn)時(shí)是20個(gè)焊點(diǎn)，實(shí)施鉚接后理論為30個(gè)鉚點(diǎn)，綜合電機(jī)安裝板的實(shí)際受力分析，和跌落試驗(yàn)的變形（如圖9）情況，具體設(shè)計(jì)見圖2。

無(wú)鉚釘鉚接的可靠性要通過各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定后板無(wú)鉚釘鉚接技術(shù)參數(shù)如下：

固定條、固定塊、電機(jī)安裝板組件材料厚度為0.95，凹模側(cè)無(wú)鉚釘連接點(diǎn)徑φ=6mm，凸模側(cè)材料為熱鍍Q235A，厚度=0.75mm；凹模側(cè)材料為熱鍍Q235A，厚度=0.95mm時(shí)，控制參數(shù)X值（底厚）：X=0.56mm；抗剪強(qiáng)度：τ=1300N×0.8(J)=1040N；抗拉強(qiáng)度：σb=1050N×0.8(J)=840N；［注：J為材料離散系數(shù)］

加強(qiáng)板材料厚度為0.75，凹模側(cè)無(wú)鉚釘連接點(diǎn)徑φ=6mm，凸模側(cè)材料為熱鍍Q235A，厚度=0.75mm；凹模側(cè)材料為熱鍍Q235A，厚度=0.75mm時(shí)，控制參數(shù)X值（底厚）：X=0.45mm；抗剪強(qiáng)度：τ=1390N×0.8(J)=1112N；抗拉強(qiáng)度：σb=950N×0.8(J)=760N；［注：J為材料離散系數(shù)］

整機(jī)各項(xiàng)試驗(yàn)清單以及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

3.4 加工成本和工藝流程

點(diǎn)焊連接由于破壞鋼板的表面鋅層，留下“傷疤”，后板組件屬于外觀件，大部分企業(yè)要求對(duì)焊點(diǎn)留下的傷疤進(jìn)行表面處理，通常要求增加工序涂鋅粉或噴漆保護(hù)，由于涂鋅粉或噴漆涉及易燃易爆危險(xiǎn)品，點(diǎn)焊現(xiàn)場(chǎng)火花四濺，因此需要隔離點(diǎn)焊現(xiàn)場(chǎng)或則轉(zhuǎn)運(yùn)到其它地方處理。無(wú)鉚釘鉚接不需要后處理工序，由此可見無(wú)鉚釘鉚接比點(diǎn)焊減少了后處理工序，避免轉(zhuǎn)運(yùn)隔離等工作，相對(duì)成本較低。

表2 項(xiàng)目試驗(yàn)及結(jié)果

兩種工藝的用電成本比較，以上文提及的空調(diào)后板組件（69個(gè)連接點(diǎn)），年產(chǎn)量100萬(wàn)套為例，對(duì)一條鉚接生產(chǎn)線和一條點(diǎn)焊生產(chǎn)線的年用電量進(jìn)行對(duì)比。

鉚接生產(chǎn)線采用3臺(tái)機(jī)連線生產(chǎn)，連接點(diǎn)80個(gè)（鉚點(diǎn)適當(dāng)增加）；1臺(tái)鉚接設(shè)備工作8小時(shí)耗電1.5度，1.5×300×1.15×3×20÷8＝0.388萬(wàn)/年。

備注：300（天）為年工作天數(shù)；1.15（元）為工業(yè)用電單價(jià)；20（小時(shí)）為每天工作時(shí)間。

點(diǎn)焊生產(chǎn)線，采用3臺(tái)機(jī)連線生產(chǎn)，連接點(diǎn)69個(gè)。點(diǎn)焊接觸瞬間的功率為75千瓦，其余時(shí)間1臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)工作8小時(shí)耗電1.5度。100×69×0.24×7 5×1.15÷3600+1.5×300×4×1.15×20÷8÷1000 0＝40.19萬(wàn)/年。

備注：100（萬(wàn)）為年產(chǎn)量；300（天）為年工作天數(shù)；1.15（元）為工業(yè)用電單價(jià)；20（小時(shí)）為每天工作時(shí)間；0.24位放電周期，材料厚度0.75的鋼板，放電周期為12，則接觸放電的時(shí)間為12×0.02＝0.24秒，電網(wǎng)頻率為50Hz，一個(gè)周期為0.02秒。

鉚接生產(chǎn)線用電量0.388萬(wàn)/年，點(diǎn)焊生產(chǎn)線用電量40.19萬(wàn)/年，每年節(jié)約電費(fèi)39萬(wàn)左右。

3.5 勞動(dòng)環(huán)境

點(diǎn)焊焊接時(shí)需要將金屬加工到熔融狀態(tài)實(shí)現(xiàn)原子間的結(jié)合，因此點(diǎn)焊過程產(chǎn)生氣體污染，空氣中彌漫粉塵，表面鋅層形成氧化鋅，火花四濺，焊接過程點(diǎn)焊頭需要冷卻水冷卻，容易打濕工件和手套。后板為大型沖壓件，鋼板在加工過程中難免會(huì)扭曲變形，使用導(dǎo)軌傳送時(shí)碰撞導(dǎo)軌產(chǎn)生振動(dòng)，點(diǎn)焊過程是硬接觸，因此噪音較大，平均達(dá)到94分貝。

鉚接過程使用氣液增壓缸和軟到位壓力監(jiān)控，后板傳送過程中采用倒扣方式，與傳送導(dǎo)軌接觸只有一個(gè)材料厚度0.75mm，因此現(xiàn)場(chǎng)噪音平均為78分貝，沒有火花、煙塵、冷卻水，勞動(dòng)環(huán)境舒適。

4 結(jié)論

隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，社會(huì)對(duì)節(jié)能降耗和工人勞動(dòng)環(huán)境、職業(yè)健康越來越重視，在后板組件的生產(chǎn)中無(wú)鉚釘鉚接工藝必將取代點(diǎn)焊工藝，在新工藝取代舊工藝的過程中還有很多技術(shù)難題需要配套解決，因此在未來的幾年里，點(diǎn)焊工藝因其設(shè)備價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛等原因還將長(zhǎng)期存在，無(wú)鉚釘鉚接工藝的全面應(yīng)用實(shí)施還需要不斷的研究、改進(jìn)、推廣，但無(wú)鉚釘鉚接以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在未來必將在后板組件加工中大規(guī)模應(yīng)用。

[1]莊京忠.自攻螺釘連接可靠性研究.價(jià)值工程.2010，（6）

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè).第1卷.焊接方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[3]胡亞民.一種先進(jìn)的板料沖壓連接技術(shù)——無(wú)鉚釘連接技術(shù).鍛壓機(jī)械.2000，（10）