空調底盤用鉚釘鉚接方式的工藝技術研究

朱振華 汪楠

1.佛山市順德區美的洗滌電器制造有限公司 廣東佛山 528000；2.廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528000

1 引言

空調器室外機底盤組件由底盤和若干底腳組成，目前國內空調器室外機底盤組件的裝配方式主要有兩種。（1）點焊[1]：底腳上預制焊接凸點，在電阻焊機上對定位貼合的底盤與底腳施壓通電，兩者在凸點處因高溫熔融而結合在一起，會產生脫焊、虛焊、過燒等隱患。（2）鉚接[2]：底腳本身材料的擠壓塑性變形，使底腳和底盤形成一個互相鑲嵌的圓形連接點，這種連接方式不易檢測，易有脫鉚隱患。而對于鉚釘鉚接在空調底盤上的應用，目前并未有相關文獻介紹，鉚釘連接方式從外觀上就能看出鉚接效果，杜絕不可靠連接，如圖1所示。本文根據鈑金樣條的鉚釘鉚接加工，對底盤底腳的連接方式進行模擬，并通過抗拉強度及剪切強度拉力試驗、金相（OM）組織分析，對我司常用的鉚接工藝及技術進行深入研究，為實際生產提供理論指導。

圖1 底盤組件三維模型及剖面圖

2 鉚接

2.1 旋鉚鉚接

旋鉚機冷碾鉚接法，就是利用鉚桿對鉚釘局部加壓，并繞中心連續擺動直到鉚釘成形的鉚接方法。按照這種鉚接法的冷碾軌跡，可將其分為徑向鉚接法[3][4]和擺碾鉚接法，如圖2a）、圖2b）所示。徑向鉚接原理較為復雜，它的鉚頭運動軌跡是梅花狀或者說是以圓為中心向外擴展的，鉚頭每次都通過鉚釘中心點。徑向鉚接面所鉚零件的質量較好，效率略高，并且鉚接更為穩定，鉚件無須夾持，即使鉚釘中心相對主軸中心略有偏移也能順利完成鉚接工作。徑向鉚接機因結構復雜，造價高，維修不方便，非特殊場合一般不采用。擺碾鉚接通過聯軸器將運動傳遞給主軸，同時液壓系統驅動活塞連同主軸向下施壓，當鉚頭接觸鉚釘時，鉚頭圍繞鉚釘中心線（即主軸中心線）公轉，同時鉚頭在切向力的作用下自轉，從而完成鉚接。其特點是結構簡單、制造成本較低，能耗1.5 kW·h。我司底盤通過擺碾鉚接進行批量生產，維修方便，可靠性好，能夠滿足90%以上零件的鉚接要求，安裝效率為12秒/件。此種鉚接的鉚接機振動較大，放置鉚釘后易歪斜，造成斜鉚、漏鉚等鉚接缺陷，而且鉚接后鉚釘形狀不規則，中間厚兩邊薄，具體在后面章節詳述。

圖2 旋鉚的鉚接方式

2.2 熱鉚鉚接

熱鉚鉚接是將鉚釘加熱到一定溫度后進行的鉚接，由于加熱后鉚釘的塑性提高、硬度降低，釘頭成型容易，所以熱鉚時所需的外力比冷鉚要小的多；另外，在鉚釘冷卻過程中，釘桿長度方向的收縮會增加板料間的正壓力，當板料受力后可產生更大的摩擦阻力，提高了鉚接強度。熱鉚常用在鉚釘材質塑性較差、鉚釘直徑較大或鉚力不足的情況下。用鉚接機鉚接時，加熱溫度為650℃～670℃。鉚釘的終鉚溫度在450℃～600℃之間[5]，效率8秒/件，較擺碾鉚接提升33%，但能耗2.25 kW·h，較擺碾鉚接耗能增加50%，示意圖如圖3所示。熱鉚鉚接時鉚接機狀態穩定，鉚釘形狀較均勻規則。

圖3 熱鉚接示意圖

3 力學性能對比

3.1 樣件準備

剪板樣條尺寸180 mm×20 mm及100 mm×20 mm，樣條通過鉚釘連接，擺碾鉚接及熱鉚接，制作抗拉強度樣條、剪切強度樣條分別如圖4、圖5所示。

圖4 抗拉強度鉚接樣件（擺碾及熱鉚接）

圖5 剪切強度鉚接樣件（擺碾及熱鉚接）

3.2 鉚接頭強度拉力試驗

3.2.1 抗拉強度

抗拉強度試驗時，將樣條兩端彎折，裝夾于萬能拉力機上，要求夾持牢固，確保拉伸中樣條不脫落，萬能拉伸機速20 mm/min，擺碾鉚接和熱鉚樣條各10個，直至拉伸斷裂為止，如圖6所示，記錄相關數據。抗拉強度試驗數據如表1所示。

圖6 抗拉試驗斷裂

表1 不同鉚接方式抗拉強度試驗數據

3.2.2 剪切強度

剪切強度拉力試驗時直接將樣條裝夾于萬能拉力機上，要求夾持牢固，確保拉伸中樣條不脫落，萬能拉伸機速度20 mm/min，直至拉伸斷裂為止，如圖7所示，擺碾鉚接和熱鉚樣條各10個。剪切強度試驗數據如表2所示。

圖7 剪切強度拉力試驗

表2 不同鉚接方式剪切強度試驗數據

3.3 抗拉強度試驗分析

根據表1抗拉強度試驗數據分析，兩種不同鉚接方式抗拉強度如圖8所示，熱鉚鉚接抗拉強度明顯高于擺碾鉚接（旋鉚）方式的抗拉強度值。

圖8 兩種鉚接方式抗拉強度的對比

根據鉚接特征分析，擺碾鉚接后鉚釘形狀弧線型，鉚接高度中間高，周邊偏薄，在拉伸試驗過程中，偏薄部位的鉚釘發生斷裂，造成鉚接部位承受力度減少，如圖9所示。而熱鉚形狀大小比較規則，受力均勻，鉚接頭不易被拉斷，鉚釘與樣片分離，如圖10所示。

圖9 擺碾鉚接斷裂樣條剖面圖

圖10 熱鉚接斷裂樣條剖面圖

3.4 剪切強度試驗分析

根據表2剪切強度試驗數據分析，兩種不同鉚接方式剪切強度對比圖如圖11所示，剪切強度值主要與材料的性能有關（不同料厚、不同材料強度），對兩種鉚接方式做剪切強度拉力試驗后，強度值相差不大；主要是在試驗開始直至材料斷裂，斷裂主要原因是拉力達到材料原有的強度，樣條出現疲勞失效，如圖12所示，所以在材料相同的情況下，材料達到屈服極限斷裂，樣條剪切強度基本一致。

圖11 兩種鉚接方式剪切強度的對比

圖12 剪切強度樣條斷裂

4 微觀組織

4.1 金相試樣準備

利用XJP-6A金相顯微鏡對鉚接后的鉚釘的組織金相觀察，鉚接后的鉚釘中間剖開的截面作為金相樣品，采用線切割所需金相試樣，鑲件后在拋光機上進行機械拋光，拋光后用浸蝕劑（浸蝕液組成：5%硝酸+95%酒精）浸蝕10 s，浸蝕后用酒精擦拭，吹干，然后觀察并拍照，拍照順序如圖13所示。

圖13 金相試樣

4.2 擺碾鉚接微觀組織

圖14為擺碾鉚接組織不同區域的微觀組織金相圖（OM），自下而上：圖14a）為鉚釘鉚接的整體形貌，從圖中可以看出，鉚釘和鋼板連接位置的形態；圖14b）為形變過渡區域，此區域組織受擺碾的壓力，形變區域鐵素體組織被擠壓拉長，無相變組織存在；圖14c）為鉚釘中間部分，此區域靠近形變過渡區域，晶粒組織明顯被壓縮；圖14d）為鉚釘下邊緣區域微觀組織，此區域無相變發生，主要為鐵素體組織。

圖14 擺碾鉚接微觀組織金相圖（OM）

4.3 熱鉚接微觀組織

圖15為熱鉚接微觀組織金相圖（OM），圖15a）為整體形貌，自上而下，上端主要為鐵素體組織，存在一個明顯的形變區域，如圖15b）所示，組織由鐵素體轉變為索氏體組織，下邊緣區域為索氏體向鐵素體轉變區域，并存在一個明顯的脫碳層，如圖15d）所示。

圖15 熱鉚接微觀組織金相圖（OM）

鉚釘正常組織為“鐵素體+少量珠光體”，而索氏體嚴格來說屬于珠光體的一種，具有良好的綜合機械性能，性能優于珠光體。

熱鉚接過程中，由于加熱溫度過高，隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般低于1000℃時，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴散，脫碳比氧化慢，但隨著溫度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的擴散速度也加快，此時氧化皮失去保護能力，達到某一溫度后脫碳反而比氧化快，脫碳對材料的剛度有一定影響，使材料硬度和強度有一定程度的下降，缺口敏感性增加，但是熱鉚接溫度一般為670℃左右，只是在鉚釘頭部形成脫碳層，對鉚接后的鉚釘的強度影響不大。

5 結論

通過對兩種不同鉚接方式的抗拉強度及剪切強度進行拉力驗證，以及微觀組織分析，得出如下結論：

（1）因鉚釘經過熱鉚接和擺碾鉚接后，鉚釘頭部形狀變化不一，熱鉚接鉚釘頭部形狀較規則均勻，而擺碾鉚接中間高、兩邊低，在抗拉強度拉力試驗時，擺碾鉚接鉚釘先出現斷裂，所以熱鉚接的抗拉強度明顯優于擺碾鉚接抗拉強度。

（2）因剪切強度主要與鉚釘自身性能有關，而鉚釘的剪切強度要遠遠高于樣板的強度，所以樣板先斷裂，兩種加工方式的剪切強度值基本無差別，主要與原材料性能有關。

（3）擺碾鉚接鉚釘組織均為鐵素體，中部存在明顯的形變區域，形變區域鐵素體組織被擠壓拉長，無相變發生。

（4）熱鉚接時鉚釘組織發生變化，形變區域的鐵素體轉變為索氏體組織，鉚釘發生相變，機械性能增加。