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(fèi)升級，客戶對產(chǎn)品外觀要求越來越高，由于鈑金件點(diǎn)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(diǎn)焊作業(yè)存在生產(chǎn)效率較低、員工勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差等缺點(diǎn)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、能采用模具實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)鉚接而提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。其在鈑金件，尤其是外觀件上有逐漸取代傳統(tǒng)點(diǎn)焊的趨勢。在大批量生產(chǎn)中，特別是在需要連接多點(diǎn)的板件加工中，如果采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)逐一點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)焊的家電產(chǎn)品，但尚未見公開的關(guān)于TOX多點(diǎn)連接技術(shù)應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。本文結(jié)合方形柜式空調(diào)器背板部件的特點(diǎn)，詳述了TOX多點(diǎn)連接技術(shù)取代點(diǎn)焊的應(yīng)用過程，為TOX多點(diǎn)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(dòng)一個(gè)簡單的圓形凸模，將被連接件壓進(jìn)凹模，在進(jìn)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(dòng)”，形成互相鑲嵌的TOX鉚點(diǎn)，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)既無棱邊，又無毛刺的TOX連接鉚點(diǎn)。TOX鉚接可分為凹模分模式鉚接、直壁整體模式連接、平點(diǎn)鉚接，其鉚點(diǎn)有圓形、方形兩種形式[4,5]。

多點(diǎn)連接技術(shù)是同時(shí)連接多個(gè)點(diǎn)的方法，其采用加權(quán)平均方法來確定各鉚點(diǎn)的位置，以便鉚接時(shí)的壓力中心處于設(shè)備壓力中心，使各鉚接點(diǎn)受力平衡；鉚接壓力中心計(jì)算方法如圖1所示，確定圖中各點(diǎn)的坐標(biāo)位置，按式（1）與（2）計(jì)算出各點(diǎn)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(diǎn)下壓在同一水平，實(shí)現(xiàn)各鉚接點(diǎn)垂直方向位置一致。

圖1 鉚接壓力中心計(jì)算方法

其中L1、L2、…、Ln為各鉚點(diǎn)的權(quán)重，各個(gè)鉚點(diǎn)的權(quán)重相同，且L1+L2+…+Ln=1，X1、X2、…、Xn為各鉚點(diǎn)距圓點(diǎn)的橫向距離，Y1、Y2、…、Yn為各鉚點(diǎn)距圓點(diǎn)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(jī)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(dòng)化鉚接開發(fā)前，采用人工點(diǎn)焊的方式將3類零件逐一連接起來，焊點(diǎn)數(shù)量為40個(gè)。點(diǎn)焊的零件由人工擺放，點(diǎn)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?；赥OX鉚接自動(dòng)化且有一致性高、綠色無污染且能一次鉚接多個(gè)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)連接取代傳統(tǒng)點(diǎn)焊。

圖2 某方形柜式空調(diào)器背板部件結(jié)構(gòu)

4 TOX多點(diǎn)連接技術(shù)應(yīng)用步驟

采用TOX連接取代點(diǎn)焊需解決鉚點(diǎn)分布、鉚點(diǎn)數(shù)量、鉚接強(qiáng)度、振動(dòng)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(gè)方面加以開展。

4.1 根據(jù)加工空間確定鉚點(diǎn)類型及朝向

由于圓點(diǎn)鉚接具有很高的靜態(tài)與動(dòng)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(diǎn)鉚接，其鉚接后圓點(diǎn)的直徑有6 mm、8 mm兩種。雖然直徑為8 mm的圓點(diǎn)抗拉與抗剪強(qiáng)度均較6 mm的高，但由于電機(jī)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(diǎn)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(diǎn)鉚接。如使用直徑為8 mm的圓點(diǎn)鉚接需增加電機(jī)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(diǎn)鉚接。為避免連接后的鉚點(diǎn)在零件搬運(yùn)過程中損壞或變形，將鉚點(diǎn)凸出一側(cè)設(shè)計(jì)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(diǎn)焊力學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定鉚點(diǎn)數(shù)量

點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)量與布局。采用點(diǎn)焊時(shí)，我司0.75 mm厚的Q235A熱鍍鋅板相互點(diǎn)焊時(shí)其抗拉強(qiáng)度不低于2150 N，抗剪強(qiáng)度不低于2230 N。0.95 mm厚的Q235A熱鍍鋅板相互點(diǎn)焊時(shí)其抗拉強(qiáng)度不低于2260 N，抗剪強(qiáng)度不低于3040 N。如點(diǎn)焊不同厚度的鋼板時(shí)，以厚度較薄的性能為準(zhǔn)。采用TOX連接技術(shù)時(shí)，0.75 mm厚的Q235A熱鍍鋅板相互鉚接，直徑為6 mm的鉚點(diǎn)其抗拉強(qiáng)度不低于760 N，抗剪強(qiáng)度不低于1100 N。0.75 mm與0.95 mm厚的熱鍍鋅板鉚接時(shí)，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(qiáng)度要求不低于840 N，抗剪強(qiáng)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(diǎn)的數(shù)量應(yīng)為點(diǎn)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(diǎn)焊。組件采用點(diǎn)焊時(shí)為保證連接可靠性，點(diǎn)焊數(shù)量是過剩的，而TOX鉚接則可根據(jù)實(shí)際需要制定相應(yīng)的鉚點(diǎn)數(shù)量，無需多增加連接點(diǎn)。經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定電機(jī)安裝板與背板鉚接46個(gè)點(diǎn)、導(dǎo)風(fēng)板與背板鉚接24個(gè)點(diǎn)，即TOX連接點(diǎn)數(shù)量是點(diǎn)焊數(shù)量的1.75倍，采用70個(gè)TOX連接點(diǎn)時(shí)能滿足產(chǎn)品使用要求。

對于沒有點(diǎn)焊做參考的零件，可以根據(jù)TOX連接技術(shù)點(diǎn)的強(qiáng)度及實(shí)驗(yàn)制定連接點(diǎn)數(shù)量。同樣，對于TOX連接技術(shù)改點(diǎn)焊的過程也可以相應(yīng)的反推出焊點(diǎn)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(diǎn)分布

模態(tài)分析是在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際測試的基礎(chǔ)上，采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來處理工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題，該方法的最終目的是從實(shí)驗(yàn)方法上解決機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)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(hào)處理等手段獲取輸入激勵(lì)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(jìn)而辨識(shí)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(dòng)情況，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)別結(jié)構(gòu)載荷等方面[9]。

為避免共振以防止振動(dòng)過大對鉚接進(jìn)行破壞及空調(diào)工作時(shí)產(chǎn)生異響，采用平均加權(quán)對鉚點(diǎn)進(jìn)行了分布，并對其進(jìn)行模態(tài)仿真，并對仿真的結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保振動(dòng)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(dòng)頻率為148.8 Hz，其主要振動(dòng)點(diǎn)在導(dǎo)風(fēng)板一側(cè)，電機(jī)安裝板處振動(dòng)較少，不影響正常使用。

圖3 鉚點(diǎn)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(diǎn)分布時(shí)需考慮零件結(jié)構(gòu)特征，從電機(jī)安裝板圓弧處的鉚接可知，如圖4a)、b)所示，電機(jī)安裝板圓弧處的連接點(diǎn)并不對稱，主要是此處鉚接時(shí)與背板上的加強(qiáng)筋重合，需讓位避開。通過仿真試錯(cuò)的方法對鉚點(diǎn)進(jìn)行了多次驗(yàn)證，其鉚點(diǎn)最終分布如圖5所示，實(shí)驗(yàn)表明在產(chǎn)品運(yùn)行情況下，其振動(dòng)在接受范圍內(nèi)。

圖4 電機(jī)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(shí)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(gè)鉚點(diǎn)，電機(jī)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(jī)安裝板上分布的46個(gè)連接點(diǎn)分2次完成鉚接，兩塊導(dǎo)風(fēng)板共24個(gè)連接點(diǎn)1次完成鉚接，鉚接順序?yàn)閺挠抑磷螅鐖D5方框各工序所示。由于電機(jī)安裝板是分兩次進(jìn)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(diǎn)松動(dòng)、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(shí)現(xiàn)通用。

圖5 各次鉚接的鉚點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)焊技術(shù)的可行性，闡述了TOX多點(diǎn)連接技術(shù)應(yīng)用的具體步驟，TOX多點(diǎn)連接技術(shù)在應(yīng)用中應(yīng)從如下四個(gè)方面考慮：

（1）根據(jù)加工空間確定鉚點(diǎn)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(yùn)過程中使鉚點(diǎn)破壞；

（2）根據(jù)組件結(jié)構(gòu)、參考點(diǎn)焊力學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定鉚點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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。