TOX多點連接技術在柜式空調器背部鈑金件上的應用

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，影響產品外觀質量，難以滿足客戶對產品美觀性的要求，且點焊作業(yè)存在生產效率較低、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用。TOX連接，又稱TOX鉚接，作為一種新的無鉚釘連接技術，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)的加工技術逐一點焊，生產效率非常低下，無法滿足生產效率的要求。故亟需開發(fā)TOX多點連接技術，滿足大批量生產的需求，雖然市面上已有鉚接取代點焊的家電產品，但尚未見公開的關于TOX多點連接技術應用的報導。本文結合方形柜式空調器背板部件的特點，詳述了TOX多點連接技術取代點焊的應用過程，為TOX多點連接技術在大批量生產中的應用提供參考。

2 TOX連接技術

TOX連接技術又稱TOX鉚接，是通過氣液增壓缸驅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，凸模一側的材料被壓使凹模內的材料向外“流動”，形成互相鑲嵌的TOX鉚點，結果產生一個既無棱邊，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]。

多點連接技術是同時連接多個點的方法，其采用加權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，然后設備通過設置下壓硬限位，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為各鉚點的權重，各個鉚點的權重相同，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 產品分析

某方形柜式空調器背板部件的結構如圖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、導風板組成，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 某方形柜式空調器背板部件結構

4 TOX多點連接技術應用步驟

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、導風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風板鉚接處的寬度。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，將鉚點凸出一側設計在垂直圖2紙面向外的方向。

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

點焊連接改用TOX連接技術后，需根據(jù)組件的結構特征及先前的力學性能制定鉚點的數(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，0.95 mm厚的材料為凹模側，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性能的一致性，理論上TOX連接技術鉚點的數(shù)量應為點焊數(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)實際需要制定相應的鉚點數(shù)量，無需多增加連接點。經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、導風板與背板鉚接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連接技術點的強度及實驗制定連接點數(shù)量。同樣，對于TOX連接技術改點焊的過程也可以相應的反推出焊點的數(shù)量。

4.3 利用模態(tài)分析、零件結構、加權平均確定鉚點分布

模態(tài)分析是在對結構進行實際測試的基礎上，采用理論與實驗相結合的方法來處理工程結構的動力學問題，該方法的最終目的是從實驗方法上解決機械結構動力學建模的問題[6]。模態(tài)分析技術利用傳感器測試、信號處理等手段獲取輸入激勵和輸出響應，通過一定的方法建立結構的模態(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構系統(tǒng)的振動情況，可以為結構設計和修改提供系統(tǒng)的基本參數(shù)[7,8]。另外模態(tài)分析方法還應用在結構損傷診斷及狀態(tài)監(jiān)測，結構噪聲輻射的控制及識別結構載荷等方面[9]。

為避免共振以防止振動過大對鉚接進行破壞及空調工作時產生異響，采用平均加權對鉚點進行了分布，并對其進行模態(tài)仿真，并對仿真的結果進行了實驗驗證，確保振動在可接受范圍內。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，其主要振動點在導風板一側，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)分析與加權平均確定鉚點分布時需考慮零件結構特征，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，實驗表明在產品運行情況下，其振動在接受范圍內。

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)

實際應用中可以根據(jù)零件大小、場地與設備的布置，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，兩塊導風板共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。零件結構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 結論

根據(jù)空調器背板部件的結構特點及客戶對外觀的要求，分析了TOX連接技術取代了傳統(tǒng)點焊技術的可行性，闡述了TOX多點連接技術應用的具體步驟，TOX多點連接技術在應用中應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成本，防止因零件搬運過程中使鉚點破壞；

（2）根據(jù)組件結構、參考點焊力學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、零件結構、加權平均確定鉚點分布，避免產生共振及異響；

（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)及應用情況來看，采用TOX連接技術能較好的滿足產品開發(fā)需求，對提高背板部件的質量、提高生產效率及合格率具有重要的指導意義。