鋁型材在空調(diào)器上的開發(fā)與應(yīng)用

胡映明 劉超 楊杰

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070; 2.約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司 廣東清遠(yuǎn) 511685

1 引言

長期以來，空調(diào)器主要以鍍鋅板為基材作主要部件。隨著人民生活水平的提高及對(duì)產(chǎn)品外觀美感要求的逐步提升，鋁型材其重量輕、強(qiáng)度高、加工性能好，可焊接、耐腐蝕、美觀等良好的特性[1]，受到人們?cè)絹碓蕉嗟那嗖A。

目前，鋁型材已廣泛應(yīng)用于車輛、建筑、飛機(jī)、通訊等各個(gè)領(lǐng)域。近年來，空調(diào)室內(nèi)機(jī)產(chǎn)品越來越朝著輕量化、裝飾化的方向發(fā)展，使鋁型材的應(yīng)用得到迅速提升。本文主要講解了鋁合金的一些性能特點(diǎn)及空調(diào)器用鋁型材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求、加工工藝方法。

2 鋁合金的性能特點(diǎn)及表面處理

2.1 鋁合金的性能及種類

鋁合金是一種以鋁為主要元素，加入一些不同的金屬元素（如Si、Fe、Cu、Mn、Zn、Mg等）組成的一種合金材料。它具有一系列優(yōu)良的物理、化學(xué)、加工和表面處理性能，其密度為2.7g/cm3，質(zhì)量輕，在一些輕工行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。

鋁合金型材按照用途，可以劃分為通用型材和專用型材兩種[2]；按照應(yīng)用領(lǐng)域，可分為航空航天、電子、機(jī)械、輕工、建筑和交通運(yùn)輸?shù)?；按照成型工藝，可分為鑄造、鍛造、擠壓等。擠壓鋁型材主要用于一些建筑或輕工行業(yè)，如鋁合金門窗等。本文所述的鋁型材應(yīng)用于空調(diào)器室內(nèi)機(jī)的安裝板上，屬于擠壓成型的鋁型材，它在空調(diào)中起到支撐及外觀作用。

2.2 鋁型材表面處理

為了使型材表面具有較好的外觀效果及耐腐蝕性能，通常情況下需要對(duì)鋁型材表面進(jìn)行處理，表面處理的種類主要有：陽極氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、電泳涂裝、粉末噴涂、木紋轉(zhuǎn)印、氟碳噴涂和拋光等[3]。常用的表面處理方式分為粉末噴涂及陽極氧化兩種，其中粉末噴涂可以得到較為豐富的外觀效果，陽極氧化的外觀效果較為單調(diào)。

2.2.1 粉末噴涂處理

鋁型材粉末噴涂在國外是應(yīng)用較為普遍的表面處理方式，在國內(nèi)起步較晚，應(yīng)用較少，它是通過對(duì)型材表面進(jìn)行脫脂、堿洗、中和、水洗之后，在型材表面形成一層氧化膜，經(jīng)過烘干后采用靜電粉末噴涂的方法，將粉末涂料（聚酯）均勻的涂覆在型材的表面，最后經(jīng)加熱固化后，形成一層致密的粉末涂層的過程。

粉末噴涂質(zhì)量的好壞，對(duì)型材前處理、靜電噴涂工藝及粉末固化過程影響較大，生產(chǎn)中需重點(diǎn)控制這幾個(gè)環(huán)節(jié)。

零件外觀顏色是因?yàn)樗x用粉末顏色的不同而不同的，因而其顏色可以多樣化，隨著人們對(duì)外觀效果的追求，粉末噴涂得到越來越多的應(yīng)用。

2.2.2 陽極氧化處理

陽極氧化是一種電解氧化的過程，在這過程中在鋁合金表面通常會(huì)轉(zhuǎn)化為一層氧化膜，它具有保護(hù)性及裝飾性的特性。該氧化膜表面為蜂窩的多孔結(jié)構(gòu), 因此，必須采用恰當(dāng)?shù)姆忾]技術(shù)將氧化膜中的微孔閉合，使陽極氧化膜起到有效保護(hù)鋁及鋁合金表面的作用[4]。

鋁型材的陽極氧化處理和粉末噴涂處理，對(duì)型材各項(xiàng)性能存在一定的差異性，實(shí)際中需根據(jù)具體的使用情況進(jìn)行選擇，表1中重點(diǎn)列出了幾項(xiàng)性能指標(biāo)。

3 鋁型材在空調(diào)器上的開發(fā)及應(yīng)用

鋁合金型材具有較輕的質(zhì)量、較好的加工工藝性及良好的外觀效果，因而在空調(diào)室內(nèi)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。鋁合金按其添加合金元素的不同，可被分成從1000～7000系列的幾種類型[5]，不同類型合金的性能差異有所不同，常用空調(diào)器用的合金系列為3000系列、5000系列和6000系列。3000系列代表有3003鋁合金，錳元素為其主的要合金成分，具有較好的防腐、防銹功能，可用于潮濕的環(huán)境中，主要用在空調(diào)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件上，如蒸發(fā)器翅片邊板等。5000系列，代表有5052鋁合金，鎂元素為其主要合金成分，具有良好的成型加工性能及較高的抗拉強(qiáng)度，主要用在空調(diào)器中支承受力的部位，如天井機(jī)蒸發(fā)器支架等。6000系列，代表有6063鋁合金，主要含有鎂和硅兩種合金元素，具有一定的耐腐蝕性及表面容易涂覆的優(yōu)點(diǎn)，常用于空調(diào)器的外觀零件上，如分體壁掛機(jī)的導(dǎo)風(fēng)板，柜內(nèi)機(jī)的外表裝飾板上。本文所述的空調(diào)器是一種家用柜內(nèi)機(jī)，采用鋁合金型材為A1～Mg～Si系(6000系例)。

3.1 零件結(jié)構(gòu)選型

空調(diào)器在規(guī)劃時(shí)，定位為一款高檔家用圓筒柜內(nèi)機(jī)，目標(biāo)是外觀美感化、質(zhì)量輕量化，為此需要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行重點(diǎn)考慮，本文所述零件為整機(jī)外觀零件及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的骨架支持。對(duì)于空調(diào)行業(yè)而言，鍍鋅鋼板因其便宜的價(jià)格，較好的強(qiáng)度及表面噴涂效果而被廣泛應(yīng)用。但鍍鋅板質(zhì)量相對(duì)較重，雖其表面可噴涂后作為外觀件使用，然而噴塑后其金屬質(zhì)感不強(qiáng)，表面粉末時(shí)間長了容易脫落，不符合本產(chǎn)品的目標(biāo)定位。通過對(duì)標(biāo)行業(yè)情況及前期的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，鋁合金型材可以滿足目標(biāo)要求，并最終被選用。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，該鋁型材零件是一個(gè)整體式的結(jié)構(gòu)（如圖1），該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，零件截面弧度能有效保證，但通過模型分析其寬厚比300/2.5=120，大于鋁擠壓行業(yè)的極限值100，導(dǎo)致型材無法擠壓成型，且型材的寬度越大，使用的擠壓設(shè)備噸位就越大，成本及風(fēng)險(xiǎn)也越高。

表1 鋁型材陽極氧化處理和粉末噴涂處理的性能指標(biāo)

表2 零件加工工藝流程和工藝內(nèi)容

圖1 整體式結(jié)構(gòu)

圖2 組合式結(jié)構(gòu)

圖3 整形設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

圖4 機(jī)加工仿形裝置

圖5 零件組裝裝置

經(jīng)過整機(jī)分析及裝配驗(yàn)證，為了滿足鋁型材擠壓成型的要求，將整體式結(jié)構(gòu)分拆為2個(gè)零件，然后通過螺釘聯(lián)接起來形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，零件截面弧度公差需控制在（0～1.5mm）以內(nèi)，材質(zhì)選用鋁6063-T5，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的功能要求，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 零件加工工藝

通過對(duì)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為了保證零件的尺寸精度，制定出如表2的加工工藝流程和工藝內(nèi)容。

3.2.1 鋁型材整形

因?yàn)榱慵耐庑纬叽绫容^大（1800mm★150mm），鋁型材擠壓成型后，零件整體變形較大，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測局部達(dá)到20mm以上，難以滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)型材弧度進(jìn)行整形處理。

根據(jù)型材的變形趨勢及零件的弧度尺寸要求，開發(fā)了如圖3所示的整形設(shè)備。設(shè)備由主體框架、壓力調(diào)節(jié)手柄、滾輪、主軸、電機(jī)等組成?？筛鶕?jù)型材的弧度情況，通過壓力調(diào)節(jié)手柄控制上層滾輪的升降，實(shí)現(xiàn)型材弧度的外凸和內(nèi)凹。下層雙排滾輪起到支承作用，同時(shí)通過電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，從而引導(dǎo)型材的前后運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)零件的弧度得以改善，合格率可達(dá)90%以上。

3.2.2 零件機(jī)加工

零件1、零件2為雙層料的不等厚結(jié)構(gòu)形式，難以采用普通的冷沖壓模具加工工藝，結(jié)合零件的尺寸精度要求，采用機(jī)加工工藝，制定專用加工設(shè)備。

針對(duì)弧形的零件結(jié)構(gòu)，自主開發(fā)弧面專用銑削仿形裝置，如圖4所示。其多頭氣缸聯(lián)動(dòng)自平衡控制系統(tǒng)，保證零件弧形輪廓完全貼合于仿形底模，加工過程零件不受力變形，同時(shí)采用專用加工設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，達(dá)到效率和質(zhì)量的雙保證。

3.2.3 組裝工藝

組裝工藝是零件尺寸控制的關(guān)鍵工序，是保證零件組裝后其弧度尺寸公差能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的（0～1.5mm）以內(nèi)的重要環(huán)節(jié)，前期通過采用人工裝配的方式，將零件1和零件2放在水平的工作臺(tái)面上，相互對(duì)扣后，直接用螺釘固定，裝配后的弧度尺寸偏差較大，波動(dòng)范圍在±3mm，無法滿足要求。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及功能分析，設(shè)計(jì)一套適用于該弧形零件裝配的工裝裝置，如圖5所示。圖中所示為零件結(jié)構(gòu)的主要組成部分，其中：1-滾輪，2-支架，3-操作開關(guān)，4-底部支撐塊，5-氣缸，6-下壓板，7-電控箱。其工作過程是零件1和零件2通過各自的凹槽和凸起結(jié)構(gòu)配合在一起，放置在底部支撐塊上（完全仿形零件弧面），底部支撐塊上的前、后、左、右4處快速定位把零件緊固，然后氣缸驅(qū)動(dòng)下壓板往下運(yùn)動(dòng)，壓緊在零件的上表面，使整個(gè)零件完全固定，其外形弧度輪廓完全貼合仿形支撐塊，然后進(jìn)行螺釘固定，完成組裝。通過該工藝過程的實(shí)施，可以保證產(chǎn)品零件的尺寸。

3.2.4 零件表面處理

根據(jù)零件的使用情況(室內(nèi)環(huán)境、較薄涂膜厚度、外觀顏色無特殊要求、低成本)，結(jié)合粉末噴涂及陽極氧化的特點(diǎn)，本文所述零件采用陽極氧化的表面處理方式，工藝流程：零件→機(jī)械拋光→水洗→化學(xué)除油→水洗→堿腐蝕（80g/L的NaOH溶液）→水洗→酸洗中和（150g/L的HNO3）→水洗→陽極氧化→水洗→高溫封閉→干燥。在堿腐蝕、酸洗及陽極氧化時(shí)一定注意控制問題，它將影響表面處理質(zhì)量和成膜厚度。

零件通過以上陽極氧化處理后，零件陽極氧化膜厚可達(dá)10μm，表面顏色為銀白色，經(jīng)過高低溫腐蝕實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)參數(shù)：低溫-20°，高溫55°，濕度65%；白天進(jìn)行低溫12小時(shí)，晚上進(jìn)行高溫12小時(shí)，整個(gè)周期2天48小時(shí)），零件表面的氧化膜光亮如新，沒有出現(xiàn)表面發(fā)黑、氧化的現(xiàn)象，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。

3.3 應(yīng)用情況

鋁型材零件已應(yīng)用到公司高檔柜機(jī)產(chǎn)品上，不僅滿足了整機(jī)的使用功能需求，同時(shí)作為整機(jī)的外觀面零件，因其良好的表面效果，提升了整機(jī)產(chǎn)品的檔次，客戶反饋良好。

4 結(jié)語

本文介紹了空調(diào)器用鋁型材常用的鋁合金規(guī)格有3000系列、5000系列和6000系列，以及各規(guī)格系列的性能及產(chǎn)品應(yīng)用情況。文中講敘了一款高檔柜內(nèi)機(jī)，它的外觀零件采用6063-T5鋁型材的設(shè)計(jì)理念，詳細(xì)介紹了零件整個(gè)加工工藝流程，包括加工設(shè)備、加工方法/參數(shù)，歸納為以下4點(diǎn)：

（1）外觀零件選用A1～Mg～Si系(6000系)鋁擠壓型材。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，零件截面設(shè)計(jì)盡量選用較小寬厚比，比值不超過100。（3）零件存在變形時(shí)，需增加一道整形工序，達(dá)到零件的尺寸精度要求。（4）陽極氧化處理中，需注意參數(shù)的調(diào)節(jié)，保證陽極氧化膜厚。

以上幾點(diǎn)總結(jié)可為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品零件開發(fā)，提供借鑒作用。

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