空調鈑金件的設計要點和工藝優化

□ 王 鵬 □ 王曉松

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1 研究背景

隨著我國經濟的發展、人們生活水平的提高和氣候變暖,全球對空調設備的需求越來越大,市場規模也在逐年增長。相比其它行業,空調行業中鈑金件的使用更為普遍,應用場合更為廣泛,如空調設備外部覆蓋件、電控柜、底座、支架等。鈑金件作為空調設備的重要組成部分,在整個空調系統中起著重要的作用,直接影響著產品的外觀、性能及成本等。在激烈的市場競爭下,為提升產品質量和市場競爭力,對鈑金件設計和工藝進行探究有著十分重要的意義。因此,筆者將從設計及工藝優化兩個方面來進行探討與研究,為空調設備鈑金件的設計及生產制造提供參考。

2 鈑金件設計流程

設計人員接到設計任務后,為使鈑金件具備某種功能,首先通過項目需求書、標準、技術文檔等設計文件,明確設計要求。然后基于自身已有產品、市場競爭對手的產品、客戶反饋的需求等,進一步明確概念設計。在概念設計的基礎上,篩選最終設計方案,進行細節設計。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行設計驗證。

對于空調設備鈑金件而言,大多數情況下是起到支撐、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。在細節設計和驗證階段,一旦出現需要調整的情況,則須返回到上一步驟,重新進行設計,直至驗證合格,才能最終完成設計。整個過程是逐步推進,既前后銜接緊密,同時又保證變更調整的靈活性,具體設計流程如圖1所示。

▲圖1 鈑金件設計流程

3 鈑金件設計要點

為實現設計規范化、統一化,同時便于生產與加工,筆者總結了空調設備鈑金件設計過程中常用的一些設計要點。由于鈑金件加工的成型特征與材料、機床、模具等相關,因此以下所列舉的數值僅供相關人員作為設計參考。

3.1 沖孔規則

在鈑金件上進行沖孔時,若孔邊緣距離折彎邊很近時,容易導致孔變形,故對于直徑小于25 mm的孔,孔邊緣距折彎內壁的最小距離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,則很可能在折彎內壁出現皺褶、外壁出現裂紋。此外,若折彎邊高度偏小,可能導致無法折彎。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 拉拔孔設計

在空調設備鈑金件中拉拔孔的應用比較多,例如冷凝器中翅片盤管的管板,空氣末端產品中的風機盤管側立板等。為保證拉拔孔特征的實現,關鍵尺寸設計需遵循相關的準則。由于加工廠商的工藝及模具的差異性,具體數值存在一定差異,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 拉拔孔關鍵尺寸

3.4 鈑金件加強設計

鈑金件多為薄平板,不能為了提高鈑金件的強度和剛度,一味地增大鈑金件厚度,可以在產品表面上設計一些加強筋,有助于增加產品結構的剛性和強度,減小變形,如凹凸加強筋、三角筋、折彎、翻邊等,如圖6所示。

▲圖6 鈑金件加強設計

4 鈑金件設計應注意問題

合理的設計能減少后續過程中因設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計缺陷而出現的產品質量及售后問題,從源頭上改善鈑金件質量,降低成本,縮短設計及生產周期。在設計階段需綜合考慮各種因素的影響,有關常見問題探討如下。

4.1 鈑金件厚度選取

一般而言,在同一產品中,盡可能減少材料品種和厚度規格,原因是規格類型少,鈑金生產車間的生產組織會更方便,不必頻繁更換原材料,造成生產節拍不緊湊,工時增加,從而導致成本增加。

另外,目前市場供應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GB/T 3280—2015要求,其厚度值是1±0.1 mm。材料生產商出于成本的考慮,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度在公差下限范圍內時能否滿足設計強度要求。

4.2 展開圖干涉檢查

空調設備鈑金件基本都是直接設計為成型零件,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,即設計的這個零件能不能展平,可能出現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

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

4.3 隔熱密封

由于節能環保意識的加強,市場越來越注重產品能耗。空調設備存在內外冷熱能量的傳遞,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,空氣末端產品中的風機盤管單元,其內部與外部環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,提升產品的能效。

4.4 噪聲問題

近年來人們更加關注空調的聲品質,對噪聲方面要求越來越高。空調產品中的運動部件主要是電機、風機及壓縮機。它們自身運動會產生振動和噪聲,同時這些運動部件激發相連部件產生機械振動,并向外輻射噪聲。而鈑金件通常具有表面積大、厚度小的結構特點,結構剛性一般較差。針對這種情況,一方面通過提高鈑金件的結構剛性,如在平板上沖壓出凸起的筋,可以有效地提高結構剛性;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,可通過在相關鈑金件上貼隔音海綿或雙層發泡板等方式,阻斷噪聲傳播路徑,從而起到隔聲降噪效果。

4.5 防呆設計

為追求精益化生產,減少制造過程中人為操作失誤所導致的裝配錯誤,在鈑金件開發過程中,可進行防呆設計,靈活運用如限位結構、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,從而提高產品質量,減少浪費。

5 鈑金件設計評判規則

通過遵循一定的設計要求,吸收以往的設計經驗和參考現有成熟的產品等方式,往往可以順利完成鈑金件的設計。對于鈑金件設計的合理性,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) 力學性能,如強度、剛度是否符合要求;

(3) 成本,影響成本的因素包括用料、零件復雜程度、制造工藝;

(4) 安全,即零件棱邊或尖角位置要進行倒角或倒圓設計;

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

(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

隨著電子技術設備的普及,現代化的機械設備簡化了加工工藝,使生產效率有了明顯提高,鈑金工藝成為制造行業生產復雜零件的主要工藝。在鈑金件開發過程中,工程師不僅要有設計鈑金件的知識,還需要了解鈑金材料與制造工藝的相關知識,在提高鈑金件設計水平的同時,降低材料成本和減少加工環節,從而達到降低產品成本,提高企業效益的目的。

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,空調產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。

空調設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,冷水機組、空氣末端產品上采用較多的折彎件,商用單元機組及家用空調產品上采用較多的沖壓件。

關于鈑金件的表面處理,空調行業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,為進一步強化表面防護效果,基本都會再采用粉末噴涂。對于工作環境在室內的機組,比如水冷冷水機組,其中的鈑金件通常采用噴漆處理。

7 鈑金件工藝優化

7.1 下料排版

零件優化及排版如圖9所示。在進行鈑金件加工時,首先進行下料的排版,制造廠商會基于零件形狀在一個標準尺寸的板材上進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行優化,優化思路為結構、形狀簡單對稱,排版緊湊,減少排版廢料。重新進行排版后,明顯提高了材料利用率。尤其對于大批量生產的鈑金件而言,將能有效降低物料成本。

▲圖9 零件優化及排版

7.2 折彎方向

板材在生產過程中,往往需沿著一定方向進行輥壓,在輥壓成型后,板材的輥壓方向與其垂直方向的材料機械性能不同,輥壓方向的材料往往延展性優異,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。鈑金件在經過多次折彎后,由于折彎工藝精度的問題,可能會出現同軸孔中心不對中的問題。

針對這種情況,在設計階段就預留好折彎誤差,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,或者改進彎曲模成型結構,來避免折彎誤差及材料回彈所導致的孔位偏移現象。

▲圖11 同軸孔折彎

8 結束語

鈑金件的設計往往與工藝緊密相連,作為鈑金件設計人員,除了要遵循相關設計要點,同時也必須熟悉鈑金材料和工藝方面的知識,因為這些內容是鈑金件設計的基礎。鈑金件在空調設備中占相當大的比重,如何合理設計鈑金件,簡化設計流程,有效優化鈑金件工藝,對于縮短生產周期、提升產品質量、降低生產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。