鋁型材在空調器上的開發與應用

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.約克廣州空調冷凍設備有限公司 廣東清遠 511685

1 引言

長期以來，空調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產品外觀美感要求的逐步提升，鋁型材其重量輕、強度高、加工性能好，可焊接、耐腐蝕、美觀等良好的特性[1]，受到人們越來越多的青睞。

目前，鋁型材已廣泛應用于車輛、建筑、飛機、通訊等各個領域。近年來，空調室內機產品越來越朝著輕量化、裝飾化的方向發展，使鋁型材的應用得到迅速提升。本文主要講解了鋁合金的一些性能特點及空調器用鋁型材的結構設計要求、加工工藝方法。

2 鋁合金的性能特點及表面處理

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。它具有一系列優良的物理、化學、加工和表面處理性能，其密度為2.7g/cm3，質量輕，在一些輕工行業獲得了廣泛的應用。

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]；按照應用領域，可分為航空航天、電子、機械、輕工、建筑和交通運輸等；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，如鋁合金門窗等。本文所述的鋁型材應用于空調器室內機的安裝板上，屬于擠壓成型的鋁型材，它在空調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，通常情況下需要對鋁型材表面進行處理，表面處理的種類主要有：陽極氧化、化學轉化、電泳涂裝、粉末噴涂、木紋轉印、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。

2.2.1 粉末噴涂處理

鋁型材粉末噴涂在國外是應用較為普遍的表面處理方式，在國內起步較晚，應用較少，它是通過對型材表面進行脫脂、堿洗、中和、水洗之后，在型材表面形成一層氧化膜，經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，最后經加熱固化后，形成一層致密的粉末涂層的過程。

粉末噴涂質量的好壞，對型材前處理、靜電噴涂工藝及粉末固化過程影響較大，生產中需重點控制這幾個環節。

零件外觀顏色是因為所選用粉末顏色的不同而不同的，因而其顏色可以多樣化，隨著人們對外觀效果的追求，粉末噴涂得到越來越多的應用。

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轉化為一層氧化膜，它具有保護性及裝飾性的特性。該氧化膜表面為蜂窩的多孔結構, 因此，必須采用恰當的封閉技術將氧化膜中的微孔閉合，使陽極氧化膜起到有效保護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，對型材各項性能存在一定的差異性，實際中需根據具體的使用情況進行選擇，表1中重點列出了幾項性能指標。

3 鋁型材在空調器上的開發及應用

鋁合金型材具有較輕的質量、較好的加工工藝性及良好的外觀效果，因而在空調室內機上獲得廣泛應用。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，可用于潮濕的環境中，主要用在空調器的內部結構件上，如蒸發器翅片邊板等。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度，主要用在空調器中支承受力的部位，如天井機蒸發器支架等。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點，常用于空調器的外觀零件上，如分體壁掛機的導風板，柜內機的外表裝飾板上。本文所述的空調器是一種家用柜內機，采用鋁合金型材為A1～Mg～Si系(6000系例)。

3.1 零件結構選型

空調器在規劃時，定位為一款高檔家用圓筒柜內機，目標是外觀美感化、質量輕量化，為此需要在產品結構設計上進行重點考慮，本文所述零件為整機外觀零件及運動機構的骨架支持。對于空調行業而言，鍍鋅鋼板因其便宜的價格，較好的強度及表面噴涂效果而被廣泛應用。但鍍鋅板質量相對較重，雖其表面可噴涂后作為外觀件使用，然而噴塑后其金屬質感不強，表面粉末時間長了容易脫落，不符合本產品的目標定位。通過對標行業情況及前期的產品開發經驗，鋁合金型材可以滿足目標要求，并最終被選用。

產品設計之初，該鋁型材零件是一個整體式的結構（如圖1），該結構強度好，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，大于鋁擠壓行業的極限值100，導致型材無法擠壓成型，且型材的寬度越大，使用的擠壓設備噸位就越大，成本及風險也越高。

表1 鋁型材陽極氧化處理和粉末噴涂處理的性能指標

表2 零件加工工藝流程和工藝內容

圖1 整體式結構

圖2 組合式結構

圖3 整形設備整體結構

圖4 機加工仿形裝置

圖5 零件組裝裝置

經過整機分析及裝配驗證，為了滿足鋁型材擠壓成型的要求，將整體式結構分拆為2個零件，然后通過螺釘聯接起來形成一個整體結構，零件截面弧度公差需控制在（0～1.5mm）以內，材質選用鋁6063-T5，以實現整機的功能要求，結構如圖2所示。

3.2 零件加工工藝

通過對零件的結構進行分析，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容。

3.2.1 鋁型材整形

因為零件的外形尺寸比較大（1800mm★150mm），鋁型材擠壓成型后，零件整體變形較大，根據現場實測局部達到20mm以上，難以滿足設計要求，需要對型材弧度進行整形處理。

根據型材的變形趨勢及零件的弧度尺寸要求，開發了如圖3所示的整形設備。設備由主體框架、壓力調節手柄、滾輪、主軸、電機等組成?？筛鶕筒牡幕《惹闆r，通過壓力調節手柄控制上層滾輪的升降，實現型材弧度的外凸和內凹。下層雙排滾輪起到支承作用，同時通過電機帶動其旋轉，從而引導型材的前后運動，使整個零件的弧度得以改善，合格率可達90%以上。

3.2.2 零件機加工

零件1、零件2為雙層料的不等厚結構形式，難以采用普通的冷沖壓模具加工工藝，結合零件的尺寸精度要求，采用機加工工藝，制定專用加工設備。

針對弧形的零件結構，自主開發弧面專用銑削仿形裝置，如圖4所示。其多頭氣缸聯動自平衡控制系統，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，同時采用專用加工設備進行生產，達到效率和質量的雙保證。

3.2.3 組裝工藝

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

根據零件結構及功能分析，設計一套適用于該弧形零件裝配的工裝裝置，如圖5所示。圖中所示為零件結構的主要組成部分，其中：1-滾輪，2-支架，3-操作開關，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構配合在一起，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，然后氣缸驅動下壓板往下運動，壓緊在零件的上表面，使整個零件完全固定，其外形弧度輪廓完全貼合仿形支撐塊，然后進行螺釘固定，完成組裝。通過該工藝過程的實施，可以保證產品零件的尺寸。

3.2.4 零件表面處理

根據零件的使用情況(室內環境、較薄涂膜厚度、外觀顏色無特殊要求、低成本)，結合粉末噴涂及陽極氧化的特點，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→機械拋光→水洗→化學除油→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、酸洗及陽極氧化時一定注意控制問題，它將影響表面處理質量和成膜厚度。

零件通過以上陽極氧化處理后，零件陽極氧化膜厚可達10μm，表面顏色為銀白色，經過高低溫腐蝕實驗（實驗參數：低溫-20°，高溫55°，濕度65%；白天進行低溫12小時，晚上進行高溫12小時，整個周期2天48小時），零件表面的氧化膜光亮如新，沒有出現表面發黑、氧化的現象，達到產品質量要求。

3.3 應用情況

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

4 結語

本文介紹了空調器用鋁型材常用的鋁合金規格有3000系列、5000系列和6000系列，以及各規格系列的性能及產品應用情況。文中講敘了一款高檔柜內機，它的外觀零件采用6063-T5鋁型材的設計理念，詳細介紹了零件整個加工工藝流程，包括加工設備、加工方法/參數，歸納為以下4點：

（1）外觀零件選用A1～Mg～Si系(6000系)鋁擠壓型材。（2）結構設計時，零件截面設計盡量選用較小寬厚比，比值不超過100。（3）零件存在變形時，需增加一道整形工序，達到零件的尺寸精度要求。（4）陽極氧化處理中，需注意參數的調節，保證陽極氧化膜厚。

以上幾點總結可為后續相關產品零件開發，提供借鑒作用。

[1] 周飛, 彭穎紅, 阮雪榆. 鋁型材擠壓過程有限元數值模擬[J]. 中國有色金屬學報,1998年第8 卷第4期.

[2] 倪元, 王春陽. 鋁型材在客車和專用汽車(掛車)上的應用[J]. 商用汽車，2011.12：76-77.

[3] 劉海山, 姚興芳, 廖建. 建筑用6061鋁型材的表面改性與性能研究[J].鑄造技術，2016年5月第37卷第5期：929-930.

[4] 周育紅, 韓喜江, 周德瑞, 孫麗欣. 鋁及鋁合金陽極氧化膜的封閉技術[J]. 哈爾濱工業大學學報,2003年11月第35卷第11期：1325-1326.

[5] 于秀潔, 呂永駿. 簡析地鐵車輛—鋁合金車體[J]. 山東工業技術,2014年20期：14.