TOX多點連接技術(shù)在柜式空調(diào)器背部鈑金件上的應(yīng)用

鄧贊輝 陳端祥 胡映明 劉林云

DENG Zanhui CHEN Duanxiang HU Yingming LIU Linyun

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

隨著消費升級，客戶對產(chǎn)品外觀要求越來越高，由于鈑金件點焊后局部存在發(fā)黑現(xiàn)象，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，難以滿足客戶對產(chǎn)品美觀性的要求，且點焊作業(yè)存在生產(chǎn)效率較低、員工勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差等缺點限制了其在外觀件上的應(yīng)用。TOX連接，又稱TOX鉚接，作為一種新的無鉚釘連接技術(shù)，其具有綠色無污染、對材料表面無特殊要求、能用于無損檢測、具有高靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、能采用模具實現(xiàn)多點鉚接而提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點[1-3]。其在鈑金件，尤其是外觀件上有逐漸取代傳統(tǒng)點焊的趨勢。在大批量生產(chǎn)中，特別是在需要連接多點的板件加工中，如果采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)逐一點焊，生產(chǎn)效率非常低下，無法滿足生產(chǎn)效率的要求。故亟需開發(fā)TOX多點連接技術(shù)，滿足大批量生產(chǎn)的需求，雖然市面上已有鉚接取代點焊的家電產(chǎn)品，但尚未見公開的關(guān)于TOX多點連接技術(shù)應(yīng)用的報導(dǎo)。本文結(jié)合方形柜式空調(diào)器背板部件的特點，詳述了TOX多點連接技術(shù)取代點焊的應(yīng)用過程，為TOX多點連接技術(shù)在大批量生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

2 TOX連接技術(shù)

TOX連接技術(shù)又稱TOX鉚接，是通過氣液增壓缸驅(qū)動一個簡單的圓形凸模，將被連接件壓進凹模，在進一步的擠壓作用下發(fā)生塑性變形，凸模一側(cè)的材料被壓使凹模內(nèi)的材料向外“流動”，形成互相鑲嵌的TOX鉚點，結(jié)果產(chǎn)生一個既無棱邊，又無毛刺的TOX連接鉚點。TOX鉚接可分為凹模分模式鉚接、直壁整體模式連接、平點鉚接，其鉚點有圓形、方形兩種形式[4,5]。

多點連接技術(shù)是同時連接多個點的方法，其采用加權(quán)平均方法來確定各鉚點的位置，以便鉚接時的壓力中心處于設(shè)備壓力中心，使各鉚接點受力平衡；鉚接壓力中心計算方法如圖1所示，確定圖中各點的坐標位置，按式（1）與（2）計算出各點的壓力中心，然后設(shè)備通過設(shè)置下壓硬限位，使各連接點下壓在同一水平，實現(xiàn)各鉚接點垂直方向位置一致。

圖1 鉚接壓力中心計算方法

其中L1、L2、…、Ln為各鉚點的權(quán)重，各個鉚點的權(quán)重相同，且L1+L2+…+Ln=1，X1、X2、…、Xn為各鉚點距圓點的橫向距離，Y1、Y2、…、Yn為各鉚點距圓點的縱向距離。

3 產(chǎn)品分析

某方形柜式空調(diào)器背板部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其規(guī)格為1780 mm×580 mm×50 mm。其由背板、電機安裝板組件、導(dǎo)風(fēng)板組成，其使用的材料分別為0.75 mm、0.95 mm、0.75 mm厚的Q235A熱鍍鋅板。在自動化鉚接開發(fā)前，采用人工點焊的方式將3類零件逐一連接起來，焊點數(shù)量為40個。點焊的零件由人工擺放，點焊后零件一致性差，且作為外觀件，背部存在發(fā)黑的現(xiàn)象難以滿足客戶對外觀的要求。基于TOX鉚接自動化且有一致性高、綠色無污染且能一次鉚接多個點等優(yōu)點，通過綜合評估，決定在方形柜式空調(diào)器背板部件上使用TOX多點連接取代傳統(tǒng)點焊。

圖2 某方形柜式空調(diào)器背板部件結(jié)構(gòu)

4 TOX多點連接技術(shù)應(yīng)用步驟

采用TOX連接取代點焊需解決鉚點分布、鉚點數(shù)量、鉚接強度、振動情況、設(shè)備選用、鉚接次數(shù)及后一次鉚接對前一次鉚接的影響等問題，本文主要從以下四個方面加以開展。

4.1 根據(jù)加工空間確定鉚點類型及朝向

由于圓點鉚接具有很高的靜態(tài)與動態(tài)穩(wěn)定性，故目前我司開發(fā)的TOX連接技術(shù)主要為直壁整體模式圓點鉚接，其鉚接后圓點的直徑有6 mm、8 mm兩種。雖然直徑為8 mm的圓點抗拉與抗剪強度均較6 mm的高，但由于電機安裝板、導(dǎo)風(fēng)板與背板連接處寬度較窄，直徑為8 mm的圓點鉚接超出了零件的邊界，故不能直接應(yīng)用直徑為8 mm的圓點鉚接。如使用直徑為8 mm的圓點鉚接需增加電機安裝板與導(dǎo)風(fēng)板鉚接處的寬度。如此，一方面將增加原材料成本，另一方面需重新開制零件模具，增加模具成本。故綜合考慮選用直徑為6 mm的圓點鉚接。為避免連接后的鉚點在零件搬運過程中損壞或變形，將鉚點凸出一側(cè)設(shè)計在垂直圖2紙面向外的方向。

4.2 根據(jù)組件結(jié)構(gòu)、參考點焊力學(xué)性能及實驗驗證確定鉚點數(shù)量

點焊連接改用TOX連接技術(shù)后，需根據(jù)組件的結(jié)構(gòu)特征及先前的力學(xué)性能制定鉚點的數(shù)量與布局。采用點焊時，我司0.75 mm厚的Q235A熱鍍鋅板相互點焊時其抗拉強度不低于2150 N，抗剪強度不低于2230 N。0.95 mm厚的Q235A熱鍍鋅板相互點焊時其抗拉強度不低于2260 N，抗剪強度不低于3040 N。如點焊不同厚度的鋼板時，以厚度較薄的性能為準。采用TOX連接技術(shù)時，0.75 mm厚的Q235A熱鍍鋅板相互鉚接，直徑為6 mm的鉚點其抗拉強度不低于760 N，抗剪強度不低于1100 N。0.75 mm與0.95 mm厚的熱鍍鋅板鉚接時，其中0.75 mm厚的材料為凸模側(cè)，0.95 mm厚的材料為凹模側(cè)，其抗拉強度要求不低于840 N，抗剪強度不小于1100 N。故為保證組件前后力學(xué)性能的一致性，理論上TOX連接技術(shù)鉚點的數(shù)量應(yīng)為點焊數(shù)量的3倍左右，基于TOX鉚接穩(wěn)定性及可檢測性優(yōu)于點焊。組件采用點焊時為保證連接可靠性，點焊數(shù)量是過剩的，而TOX鉚接則可根據(jù)實際需要制定相應(yīng)的鉚點數(shù)量，無需多增加連接點。經(jīng)過理論分析與實驗驗證，最終確定電機安裝板與背板鉚接46個點、導(dǎo)風(fēng)板與背板鉚接24個點，即TOX連接點數(shù)量是點焊數(shù)量的1.75倍，采用70個TOX連接點時能滿足產(chǎn)品使用要求。

對于沒有點焊做參考的零件，可以根據(jù)TOX連接技術(shù)點的強度及實驗制定連接點數(shù)量。同樣，對于TOX連接技術(shù)改點焊的過程也可以相應(yīng)的反推出焊點的數(shù)量。

4.3 利用模態(tài)分析、零件結(jié)構(gòu)、加權(quán)平均確定鉚點分布

模態(tài)分析是在對結(jié)構(gòu)進行實際測試的基礎(chǔ)上，采用理論與實驗相結(jié)合的方法來處理工程結(jié)構(gòu)的動力學(xué)問題，該方法的最終目的是從實驗方法上解決機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模的問題[6]。模態(tài)分析技術(shù)利用傳感器測試、信號處理等手段獲取輸入激勵和輸出響應(yīng)，通過一定的方法建立結(jié)構(gòu)的模態(tài)模型，進而辨識出系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析方法可以非常直觀的了解結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動情況，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計和修改提供系統(tǒng)的基本參數(shù)[7,8]。另外模態(tài)分析方法還應(yīng)用在結(jié)構(gòu)損傷診斷及狀態(tài)監(jiān)測，結(jié)構(gòu)噪聲輻射的控制及識別結(jié)構(gòu)載荷等方面[9]。

為避免共振以防止振動過大對鉚接進行破壞及空調(diào)工作時產(chǎn)生異響，采用平均加權(quán)對鉚點進行了分布，并對其進行模態(tài)仿真，并對仿真的結(jié)果進行了實驗驗證，確保振動在可接受范圍內(nèi)。圖3為采用TOX鉚接的13階模態(tài)分析，其振動頻率為148.8 Hz，其主要振動點在導(dǎo)風(fēng)板一側(cè)，電機安裝板處振動較少，不影響正常使用。

圖3 鉚點分布模態(tài)分析示意圖

利用模態(tài)分析與加權(quán)平均確定鉚點分布時需考慮零件結(jié)構(gòu)特征，從電機安裝板圓弧處的鉚接可知，如圖4a)、b)所示，電機安裝板圓弧處的連接點并不對稱，主要是此處鉚接時與背板上的加強筋重合，需讓位避開。通過仿真試錯的方法對鉚點進行了多次驗證，其鉚點最終分布如圖5所示，實驗表明在產(chǎn)品運行情況下，其振動在接受范圍內(nèi)。

圖4 電機安裝板圓弧處鉚接分布

4.4 根據(jù)場地、通用化制定鉚接工序次數(shù)

實際應(yīng)用中可以根據(jù)零件大小、場地與設(shè)備的布置，一次完成鉚接或多次完成鉚接。由于此組件共70個鉚點，電機安裝板規(guī)格較大，一次完成鉚接需要很大的叉車更換模具，而場地有限，故綜合考慮此組件我司共分3次鉚接。其中電機安裝板上分布的46個連接點分2次完成鉚接，兩塊導(dǎo)風(fēng)板共24個連接點1次完成鉚接，鉚接順序為從右至左，如圖5方框各工序所示。由于電機安裝板是分兩次進行鉚接的，在第一工序結(jié)束后，線體把組件送至第二工序，為避免第二工序的鉚接對第一工序的鉚接性能產(chǎn)生影響，對第一工序需使用工裝壓住板料，防止鉚點松動、變形。

此外，我司有類似的背板組件十余款，線體分三次鉚接有利于線體的通用化。零件結(jié)構(gòu)特征相同的地方可以借用模具，減少模具的開制，目前我司已有多款零件在此線體上實現(xiàn)通用。

圖5 各次鉚接的鉚點分布圖

5 結(jié)論

根據(jù)空調(diào)器背板部件的結(jié)構(gòu)特點及客戶對外觀的要求，分析了TOX連接技術(shù)取代了傳統(tǒng)點焊技術(shù)的可行性，闡述了TOX多點連接技術(shù)應(yīng)用的具體步驟，TOX多點連接技術(shù)在應(yīng)用中應(yīng)從如下四個方面考慮：

（1）根據(jù)加工空間確定鉚點類型及朝向，避免因選擇鉚接方式不同而增加生產(chǎn)成本，防止因零件搬運過程中使鉚點破壞；

（2）根據(jù)組件結(jié)構(gòu)、參考點焊力學(xué)性能及實驗驗證確定鉚點數(shù)量，防止鉚接過剩，增加成本投入；

（3）利用模態(tài)分析、零件結(jié)構(gòu)、加權(quán)平均確定鉚點分布，避免產(chǎn)生共振及異響；

（4）根據(jù)場地、通用化制定鉚接工序次數(shù)，實現(xiàn)類似零件的通用化。

從近期的開發(fā)及應(yīng)用情況來看，采用TOX連接技術(shù)能較好的滿足產(chǎn)品開發(fā)需求，對提高背板部件的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率及合格率具有重要的指導(dǎo)意義。