□ 王 鵬 □ 王曉松

特靈科技亞太研發(fā)中心 江蘇蘇州 215400

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高和氣候變暖,全球?qū)照{(diào)設(shè)備的需求越來越大,市場規(guī)模也在逐年增長。相比其它行業(yè),空調(diào)行業(yè)中鈑金件的使用更為普遍,應(yīng)用場合更為廣泛,如空調(diào)設(shè)備外部覆蓋件、電控柜、底座、支架等。鈑金件作為空調(diào)設(shè)備的重要組成部分,在整個空調(diào)系統(tǒng)中起著重要的作用,直接影響著產(chǎn)品的外觀、性能及成本等。在激烈的市場競爭下,為提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力,對鈑金件設(shè)計和工藝進(jìn)行探究有著十分重要的意義。因此,筆者將從設(shè)計及工藝優(yōu)化兩個方面來進(jìn)行探討與研究,為空調(diào)設(shè)備鈑金件的設(shè)計及生產(chǎn)制造提供參考。

2 鈑金件設(shè)計流程

設(shè)計人員接到設(shè)計任務(wù)后,為使鈑金件具備某種功能,首先通過項目需求書、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文檔等設(shè)計文件,明確設(shè)計要求。然后基于自身已有產(chǎn)品、市場競爭對手的產(chǎn)品、客戶反饋的需求等,進(jìn)一步明確概念設(shè)計。在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上,篩選最終設(shè)計方案,進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計。在此之后,可采用制作樣件、模擬仿真和實驗測試的方式來進(jìn)行設(shè)計驗證。

對于空調(diào)設(shè)備鈑金件而言,大多數(shù)情況下是起到支撐、連接、覆蓋作用,主要驗證是否滿足功能以及制造、裝配的可行性。在細(xì)節(jié)設(shè)計和驗證階段,一旦出現(xiàn)需要調(diào)整的情況,則須返回到上一步驟,重新進(jìn)行設(shè)計,直至驗證合格,才能最終完成設(shè)計。整個過程是逐步推進(jìn),既前后銜接緊密,同時又保證變更調(diào)整的靈活性,具體設(shè)計流程如圖1所示。

▲圖1 鈑金件設(shè)計流程

3 鈑金件設(shè)計要點

為實現(xiàn)設(shè)計規(guī)范化、統(tǒng)一化,同時便于生產(chǎn)與加工,筆者總結(jié)了空調(diào)設(shè)備鈑金件設(shè)計過程中常用的一些設(shè)計要點。由于鈑金件加工的成型特征與材料、機(jī)床、模具等相關(guān),因此以下所列舉的數(shù)值僅供相關(guān)人員作為設(shè)計參考。

3.1 沖孔規(guī)則

在鈑金件上進(jìn)行沖孔時,若孔邊緣距離折彎邊很近時,容易導(dǎo)致孔變形,故對于直徑小于25 mm的孔,孔邊緣距折彎內(nèi)壁的最小距離h一般建議是h=2T+R,其中T為板厚,R為折彎半徑。對于直徑大于25 mm的孔,孔邊緣距折彎內(nèi)壁的的最小距離一般建議是h=2.5T+R。沖孔邊距如圖2所示。

▲圖2 沖孔邊距

對于兩個沖孔的間隙L,一般建議不小于2T。對于沖孔的最小直徑,一般建議孔直徑D不小于T。沖孔間隙及直徑如圖3所示。

▲圖3 沖孔間隙及直徑

3.2 折彎規(guī)則

折彎時最小的折彎半徑R通常與板厚T相等,若R值偏小,則很可能在折彎內(nèi)壁出現(xiàn)皺褶、外壁出現(xiàn)裂紋。此外,若折彎邊高度偏小,可能導(dǎo)致無法折彎。由于各家加工廠商的折彎工具及模具不同,針對該值,各加工廠商可能會有稍許不同,建議最小折彎邊高度l=3T+R,如圖4所示。

▲圖4 最小折彎邊高度

3.3 拉拔孔設(shè)計

在空調(diào)設(shè)備鈑金件中拉拔孔的應(yīng)用比較多,例如冷凝器中翅片盤管的管板,空氣末端產(chǎn)品中的風(fēng)機(jī)盤管側(cè)立板等。為保證拉拔孔特征的實現(xiàn),關(guān)鍵尺寸設(shè)計需遵循相關(guān)的準(zhǔn)則。由于加工廠商的工藝及模具的差異性,具體數(shù)值存在一定差異,建議參考值如圖5所示。一般建議拉拔孔高度H不小于2T，并且不大于0.4D,拉拔孔距P1不小于5+D+2T。

▲圖5 拉拔孔關(guān)鍵尺寸

3.4 鈑金件加強(qiáng)設(shè)計

鈑金件多為薄平板,不能為了提高鈑金件的強(qiáng)度和剛度,一味地增大鈑金件厚度,可以在產(chǎn)品表面上設(shè)計一些加強(qiáng)筋,有助于增加產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度,減小變形,如凹凸加強(qiáng)筋、三角筋、折彎、翻邊等,如圖6所示。

▲圖6 鈑金件加強(qiáng)設(shè)計

4 鈑金件設(shè)計應(yīng)注意問題

合理的設(shè)計能減少后續(xù)過程中因設(shè)計原因而造成的返工、材料報廢、交貨期延遲等問題,以及運行過程中因設(shè)計缺陷而出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量及售后問題,從源頭上改善鈑金件質(zhì)量,降低成本,縮短設(shè)計及生產(chǎn)周期。在設(shè)計階段需綜合考慮各種因素的影響,有關(guān)常見問題探討如下。

4.1 鈑金件厚度選取

一般而言,在同一產(chǎn)品中,盡可能減少材料品種和厚度規(guī)格,原因是規(guī)格類型少,鈑金生產(chǎn)車間的生產(chǎn)組織會更方便,不必頻繁更換原材料,造成生產(chǎn)節(jié)拍不緊湊,工時增加,從而導(dǎo)致成本增加。

另外,目前市場供應(yīng)的板材厚度偏差大約為公稱厚度的±10%左右。例如,厚度為1 mm 的不銹鋼板,根據(jù)GB/T 3280—2015要求,其厚度值是1±0.1 mm。材料生產(chǎn)商出于成本的考慮,會將材料的實際厚度盡量控制在公差的下限范圍,這就造成1 mm 厚度材料的實測厚度一般不會超過1 mm,甚至部分廠商會將板厚進(jìn)一步控制在0.90～0.95 mm之間。因此,在選用合適的材料厚度時,要特別注意選用材料的強(qiáng)度在公差下限范圍內(nèi)時能否滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

4.2 展開圖干涉檢查

空調(diào)設(shè)備鈑金件基本都是直接設(shè)計為成型零件,很少有先做展平零件,再折彎成型,因此可能會忽視一個問題,即設(shè)計的這個零件能不能展平,可能出現(xiàn)展開后材料重疊干涉的情況,如圖7所示。

▲圖7 展開后材料干涉

鈑金件展開設(shè)計是鈑金成形加工中極為重要的一部分,在設(shè)計過程中,為有效避免此類情況的出現(xiàn),設(shè)計人員需進(jìn)行展開后干涉問題的專項檢查。

4.3 隔熱密封

由于節(jié)能環(huán)保意識的加強(qiáng),市場越來越注重產(chǎn)品能耗?？照{(diào)設(shè)備存在內(nèi)外冷熱能量的傳遞,為減少能量流失,鈑金件之間的連接密封性及隔熱性能要做好,從而阻斷能量向外傳遞,減少不必要的能耗。比如,空氣末端產(chǎn)品中的風(fēng)機(jī)盤管單元,其內(nèi)部與外部環(huán)境存在明顯的溫度差,在頂板位置粘貼聚酯類保溫棉,可減少能量損失,提升產(chǎn)品的能效。

4.4 噪聲問題

近年來人們更加關(guān)注空調(diào)的聲品質(zhì),對噪聲方面要求越來越高?？照{(diào)產(chǎn)品中的運動部件主要是電機(jī)、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)。它們自身運動會產(chǎn)生振動和噪聲,同時這些運動部件激發(fā)相連部件產(chǎn)生機(jī)械振動,并向外輻射噪聲。而鈑金件通常具有表面積大、厚度小的結(jié)構(gòu)特點,結(jié)構(gòu)剛性一般較差。針對這種情況,一方面通過提高鈑金件的結(jié)構(gòu)剛性,如在平板上沖壓出凸起的筋,可以有效地提高結(jié)構(gòu)剛性;另一方面提高尺寸精度,保證與相鄰部件間能夠貼合緊密,連接牢固。再者,可通過在相關(guān)鈑金件上貼隔音海綿或雙層發(fā)泡板等方式,阻斷噪聲傳播路徑,從而起到隔聲降噪效果。

4.5 防呆設(shè)計

為追求精益化生產(chǎn),減少制造過程中人為操作失誤所導(dǎo)致的裝配錯誤,在鈑金件開發(fā)過程中,可進(jìn)行防呆設(shè)計,靈活運用如限位結(jié)構(gòu)、非對稱安裝孔、定位銷等多種防錯方法,避免鈑金件安裝錯誤,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量,減少浪費。

5 鈑金件設(shè)計評判規(guī)則

通過遵循一定的設(shè)計要求,吸收以往的設(shè)計經(jīng)驗和參考現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品等方式,往往可以順利完成鈑金件的設(shè)計。對于鈑金件設(shè)計的合理性,則需要從各個方面來綜合評判,一般而言,評判規(guī)則如下:

(1) 功能要求,即每個鈑金件都是要具備一定的功能;

(2) 力學(xué)性能,如強(qiáng)度、剛度是否符合要求;

(3) 成本,影響成本的因素包括用料、零件復(fù)雜程度、制造工藝;

(4) 安全,即零件棱邊或尖角位置要進(jìn)行倒角或倒圓設(shè)計;

(5) 材料供應(yīng),鈑金的材料種類、厚度規(guī)格不宜過多,便于集中采購、生產(chǎn)備貨;

(6) 制造工藝,具有較好的可加工性;

(7) 裝配,能正常安裝,便于裝配。

6 鈑金件工藝概述

隨著電子技術(shù)設(shè)備的普及,現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)備簡化了加工工藝,使生產(chǎn)效率有了明顯提高,鈑金工藝成為制造行業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜零件的主要工藝。在鈑金件開發(fā)過程中,工程師不僅要有設(shè)計鈑金件的知識,還需要了解鈑金材料與制造工藝的相關(guān)知識,在提高鈑金件設(shè)計水平的同時,降低材料成本和減少加工環(huán)節(jié),從而達(dá)到降低產(chǎn)品成本,提高企業(yè)效益的目的。

材料的選擇可以直接影響到鈑金件加工的整體質(zhì)量和成本,由此可見,對于鈑金件加工材料的選擇也是十分重要的。目前,空調(diào)產(chǎn)品常用的鈑金材料類型有冷軋板、熱軋板、鍍鋅板、彩涂板、不銹鋼板、鋁板等。這些原材料中鍍鋅板、彩涂板的基材都是冷軋鋼板,只是表面處理方式有所不同。

空調(diào)設(shè)備鈑金件常見的主要制造工藝類型包括裁切、切割、成型、表面處理、鈑金裝配等,具體內(nèi)容如圖8所示。

▲圖8 鈑金件常見制造工藝

在眾多鈑金件成型方式中,冷水機(jī)組、空氣末端產(chǎn)品上采用較多的折彎件,商用單元機(jī)組及家用空調(diào)產(chǎn)品上采用較多的沖壓件。

關(guān)于鈑金件的表面處理,空調(diào)行業(yè)采用較多的是靜電粉末噴涂和噴漆。通常,如果選用的材料是鍍鋅板,為進(jìn)一步強(qiáng)化表面防護(hù)效果,基本都會再采用粉末噴涂。對于工作環(huán)境在室內(nèi)的機(jī)組,比如水冷冷水機(jī)組,其中的鈑金件通常采用噴漆處理。

7 鈑金件工藝優(yōu)化

7.1 下料排版

零件優(yōu)化及排版如圖9所示。在進(jìn)行鈑金件加工時,首先進(jìn)行下料的排版,制造廠商會基于零件形狀在一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸的板材上進(jìn)行展開后的鈑金件的排版。為減少邊角廢料,提高材料的使用率,在不影響零件性能的前提下,可考慮對鈑金件形狀進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化思路為結(jié)構(gòu)、形狀簡單對稱,排版緊湊,減少排版廢料。重新進(jìn)行排版后,明顯提高了材料利用率。尤其對于大批量生產(chǎn)的鈑金件而言,將能有效降低物料成本。

▲圖9 零件優(yōu)化及排版

7.2 折彎方向

板材在生產(chǎn)過程中,往往需沿著一定方向進(jìn)行輥壓,在輥壓成型后,板材的輥壓方向與其垂直方向的材料機(jī)械性能不同,輥壓方向的材料往往延展性優(yōu)異,垂直方向則比較差。折彎方向與輥壓方向如圖10所示。在鈑金件折彎過程中,若折彎線和材料輥壓方向一致,則折彎后易產(chǎn)生裂痕;若折彎線和材料輥壓方向垂直,則有利于保證彎曲處的強(qiáng)度及延展性。故在下料及折彎工藝時,需要考慮折彎線與輥壓方向的匹配。

▲圖10 折彎方向與輥壓方向

7.3 同軸孔對中

鈑金件加工主要包括下料和折彎兩個過程,其中折彎工藝對精度要求比較高。鈑金件在經(jīng)過多次折彎后,由于折彎工藝精度的問題,可能會出現(xiàn)同軸孔中心不對中的問題。

針對這種情況,在設(shè)計階段就預(yù)留好折彎誤差,在滿足功能的前提下,將其中一個孔從圓孔改為腰型孔,如圖11所示。也可在制造工藝階段增加校正工序、工藝定位,或者改進(jìn)彎曲模成型結(jié)構(gòu),來避免折彎誤差及材料回彈所導(dǎo)致的孔位偏移現(xiàn)象。

▲圖11 同軸孔折彎

8 結(jié)束語

鈑金件的設(shè)計往往與工藝緊密相連,作為鈑金件設(shè)計人員,除了要遵循相關(guān)設(shè)計要點,同時也必須熟悉鈑金材料和工藝方面的知識,因為這些內(nèi)容是鈑金件設(shè)計的基礎(chǔ)。鈑金件在空調(diào)設(shè)備中占相當(dāng)大的比重,如何合理設(shè)計鈑金件,簡化設(shè)計流程,有效優(yōu)化鈑金件工藝,對于縮短生產(chǎn)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等具有十分重要的意義,是一個值得長期深入探討與研究的問題。