關于空調集氣管沖孔翻邊工藝可靠性研究

賴澤豐 黃 越 林強盛 陳連軍

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

在空調制冷設備中，集氣管是一個重要部件，一般材料為紫銅主管上通過焊接方式聯接支管。主管與支管連接處的沖孔質量將直接影響到該位置焊接質量，主管與支管的連接如圖1所示。

圖1 集氣管主管與支管連接圖

由于主管沖孔翻邊需要在曲面進行，翻邊孔成型過程產生的塑性變形的金屬位于空間曲面，金屬流動具體情況相較于平面板材沖孔翻邊要更為復雜。使用普通圓形模具進行沖孔加工會導致翻邊高度不均勻，配管垂直度較難保證，嚴重影響焊接熔深，甚至導致系統漏氟，嚴重影響空調整機可靠性。

為提高集氣管焊接可靠性，需保證沖孔翻邊一致性，確保焊接熔深。為此，文章針對沖孔模具結構進行研究，結合曲面翻邊成型相關特性及補償性原理，提高翻邊平整度及焊接可靠性。

1 沖孔翻邊機理

利用沖壓模具成形原理，由氣動系統或油壓系統提供動力，在銅管沖孔裝置和金屬管拔孔翻邊模具的機械應用下，直接從內向外沖壓形成銅管沖孔效果，實現沖孔與翻邊一次性成型[1]，如圖2 為沖孔翻邊加工過程示意圖。

圖2 沖孔翻邊加工過程示意圖

2 補償式橢圓沖孔模具

2.1 理論分析

紫銅薄壁管材無凹模沖孔過程中材料經歷彈性變形、塑性變形、斷裂、分離四個階段。塑性形變階段，凸模刃口附近材料逐漸彎曲、拉伸，直至形變程度到達材料屈服點，產生裂紋斷裂。為確保翻邊孔高度一致，需重點關注斷裂位置及刃口下方材料拉伸變形情況。

使用普通圓形凸模進行沖孔翻邊時，一方面由于凸模中間部位最先接觸管材，最先拉伸變形部位位于成型孔中部，導致成型孔翻邊呈現兩邊高，中間低的最終狀態，另一方面沖切阻力較大，容易使管材壓扁。

針對普通圓形帶來的諸多問題，嘗試調整凸模刃口形狀，采用橢圓形曲面刃口沖模，將其刃口做成與對應管材相配合的形狀，并利用沖模刃口不同的橢圓度，在成型孔短軸位置減少材料切削量，成型孔長軸位置增加材料切削量，最終實現翻邊成型時短軸位置翻邊高度得到補償，實現翻邊成型孔平齊。補償式橢圓形沖模如圖3所示。

圖3 補償式橢圓沖孔模型

2.2 實驗驗證

2.2.1 實驗目的

文章通過使用普通圓形沖孔模具和不同比例的補償式橢圓形沖孔模具分別進行集氣管沖孔翻邊，并進行支管的配管焊接。通過對翻遍孔外觀平整度、翻邊高度差、支管配合效果、焊接熔深、泄漏率比對以及脈沖實驗壽命等方面，綜合驗證普通圓形凸模成型孔與補償式橢圓形凸模可靠性，并通過對比找到最佳橢圓形模具比例。

2.2.2 實驗方案

分別使用普通圓形沖孔模具、不同比例的補償式橢圓形沖孔模具對同一型號的集氣管進行沖孔加工制樣，并進行配管焊接、保壓檢漏、以及油壓脈沖。對比分析不同沖孔模具成型孔實驗數據，具體方案流程如圖4所示。

圖4 實驗方案流程圖

3 驗證結果

3.1 沖孔落料片比對

從不同模具沖孔落料片進行對比分析，兩種模具的區別在于沖頭形狀分別為圓形和橢圓形，而實際沖孔脫離的落料銅片的形狀、面積也均不同。補償不同，沖出翻邊高度也會有所不同，如表1所示。

表1 沖孔模具對比

3.2 成型孔翻邊平整性比較

3.2.1 外觀比較

觀察比對圓形模具以及補償式橢圓形模具分別沖制的翻邊孔外觀，由側視圖可知，圓形沖孔模具沖孔翻邊成型孔管口呈現為中間低、兩邊高的弧形。側視圖、實際樣品側視圖如圖5所示。

圖5 圓形沖孔模具沖制出的制品

設計補償式結構沖頭，開孔時直接沖出橢圓的孔，然后翻邊時補償管壁短邊，從側面觀測翻邊孔管口平齊，如圖6所示。

圖6 橢圓形沖孔模具沖制出的制品

3.2.2 翻邊高度差比較

取翻邊孔長邊為H，短邊為H1，分別測量翻邊高度最大值H，及最小值H1后計算翻邊孔高度差ΔH=H-H1。平均高度差越小，表明翻邊孔越平齊。如圖7所示。

圖7 翻邊高度差

分別取長、短軸比例不同沖孔模具各3組，每組12個成型孔，測量每個翻邊孔高度差ΔH，求平均翻邊高度差并進行比對。觀察數據情況，并找橢圓形沖孔模具的長短軸最佳比例。相關實驗結果如圖8所示。

圖8 模具長、短軸比例對翻邊高度差影響

3.2.3 小結

使用圓形沖孔模具及不同長、短軸比例的橢圓形沖孔模具進行制樣比較外觀，并驗證沖制后翻邊高度差值。發現使用橢圓形沖孔模具沖制翻邊孔與預期相符，翻邊高度差較小，外觀平整。

通過翻邊高度差測量比較，發現橢圓度比例為1∶1.2時，沖制的制品翻邊平均高度差0.1 mm；橢圓度比例為1∶1.5時，沖制的制品翻邊高度差達1 mm。經綜合對比分析，選用橢圓度比例為1∶1.2時，沖制的制品翻邊效果最佳。

3.3 配管效果驗證

3.3.1 實驗驗證

對比使用普通圓形沖孔模具和補償式橢圓形沖孔模具沖制翻邊孔，分析沖孔形狀、配管效果，評判沖孔模具的效果，如表2。

表2 配管對比

3.3.2 小結

通過使用普通圓形沖孔模具和補償式橢圓形沖孔模具沖制翻邊孔后進行配管，發現采用普通圓形沖孔模具沖制出來的孔狀管口不平齊，配管后容易歪斜，而采用補償式橢圓形沖孔模具，沖制后的孔狀平齊，配管效果垂直度一致性較好。

3.4 焊接熔深驗證

3.4.1 實驗驗證

使用普通圓形沖孔模具和補償式橢圓形沖孔模具沖制翻邊孔，分別進行配管、焊接后，橫向、縱向解剖觀察其焊接熔深值。通過比較熔深范圍值，判斷不同沖孔模具所沖制的翻邊對配管焊接的影響程度，如表3。

表3 焊接熔深解剖對比

3.4.2 小結

通過使用普通圓形沖孔模具和補償式橢圓形沖孔模具沖制翻邊孔后進行配管、焊接，解剖其熔深，發現使用補償式橢圓形沖孔模具沖制出的焊接制品整體熔深比普通圓形沖孔模具的熔深較深，焊接效果效果更佳。

3.5 脈沖壽命試驗

3.5.1 實驗驗證

通過采用普通圓形沖孔模具和補償式橢圓形沖孔模具沖制后的制品進行焊接密封，測試不同沖孔模具所生產的制品在油壓脈沖實驗測試下的壽命次數，相關測試數據如表4。

3.5.2 小結

使用普通圓形沖孔模具沖制的制品，焊接后可靠性壽命平均達12.12 萬次，而補償式橢圓沖孔模具沖制的制品，焊接后可靠性壽命平均可達13.4 萬次，相比之下補償式橢圓沖孔模具沖制出焊接的焊點可靠性較高。

4 結論

研究補償性原理，利用薄壁圓管沖孔模具不同的橢圓度，在沖孔落料時補償短軸位置管材，使得最終翻邊成型時在管壁短邊位置補償多，管壁長邊補償少，達到沖孔翻邊高度平齊的效果。

通過使用補償式橢圓形沖孔模具進行沖制實踐以及翻邊孔成型證明，采用補償式橢圓沖孔模具，橢圓度比例選用1∶1.2時，沖孔翻邊高度平齊，配管垂直度一致性較好，焊接熔深較深，焊接后可靠性壽命達13.4 萬次。相較于普通圓形沖孔模具沖制效果更佳，可靠性更高，能有效減少售后空調系統漏氟投訴。