空调外机锌铝镁免喷涂底盘的应用探讨.pdf

366 2023中国家电科技年会论文集0 引言2020年9月我国明确提出要在2030年实现“碳达峰”和2060年实现“碳中和”目标，“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式。我国是世界上生产和销售空调的第一大国，“碳中和”已经渗透到行业中的各个环节，其中空调行业的生产过程和工艺等都亟待优化1。空调行业实现“碳中和”的一个重要途径是技术创新2，必须重视一些具有战略意义的新技术和新材料的发展。在家用空调领域，以往的空调外机的外壳一般采用镀锌钢板加表面喷涂的工艺来达到防锈和耐腐蚀的目的，但是喷涂工艺易对环境造成污染，且成本较高。在不影响空调外机外观的情况下，可考虑对底盘进行喷涂处理，以此来节约成本和减少污染，而适合底盘组件的新材料如镀铝锌板和镀锌铝镁板，材料本身防腐性能优良，可以减少喷涂处理3。但镀铝锌的耐蚀性只有镀锌钢板的24倍，并且其切口处无镀层保护，胡敏志通过镀铝锌的空调外机底盘进行盐雾验，实现结果显示：未喷涂的镀铝锌空调外机底盘在240 h中性盐雾实验后，底盘有大面积红锈出现4。现在空高外机钣金喷涂件普遍要求盐雾500 h以上，镀铝锌材料的切边处是防护较弱的地方，易产生红锈，现在已不能满足用户的高标准要求。而镀锌铝镁材料的耐腐蚀性是镀锌钢板的4倍以上，更优于镀铝锌板。镀锌铝镁材料表面能生成致密的保护膜，并且有较强的切边防护功能，切边处的致密腐蚀产物可以阻止基材继续腐蚀。本文以镀锌铝镁钢板防腐能力、底盘模具选型和优化以及底盘铆接工艺等为研究对象，研究了镀锌铝镁钢板在空调外机底盘的应用情况。空调外机通过研究采用不喷涂的镀锌铝镁钢板可以取消底盘焊接、脱脂、陶化、喷涂等工序，节约材料和能源成本，更加环保节能，有助于提升产品的市场竞争力，并且对贯彻、落实国家的“双碳”战略具有重要意义。作者简介：吕波，本科学历。研究方向：家用空调的结构研发。地址：广东省佛山市顺德区北滘镇美的家用空调事业部。E-mail：。空调外机锌铝镁免喷涂底盘的应用探讨吕波 张镇 邓集权 广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311摘 要：主要通过对镀锌铝镁钢板制作的室外机底盘的耐腐蚀性和底盘的加工工艺进行研究，为镀锌铝镁钢板在空调外机底盘上的应用提供了依据，以推动镀锌铝镁钢板在空调室外机底盘上的应用和普及。研究结果表明，镀锌铝镁钢板具有相比镀锌钢板更好的耐腐蚀性能和自润滑性，通过铆接后可以不喷涂直接用于空调的室外机底盘。关键词：锌铝镁镀层；底盘；模具；铆接Discussion on the application of galvanized zinc aluminum magnesium non spraying chassis for air conditioner outdoorLV Bo ZHANG Zhen DENG JiquanGuangdong Midea Air-Conditioning Equipment Co.,Ltd.Foshan 528311Abstract:Mainly through a research on the corrosion resistance and processing technology of air conditioner outdoor chassis,which is made of galvanized aluminum magnesium steel plate,so that it provides enough theoretical support for its application on air conditioner outdoor chassis.The research results indicate that galvanized zinc aluminum magnesium stell plate is better at corrosion resistance and self-lubrication than normal stell plate.By riveting,it can be used directly for air conditioner outdoor chassis without spraying.Keywords:Galvanized zinc aluminum magnesium stell plate;Air conditioner outdoor chassis;Mold;Riveting process中图分类号：TM925.12 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.083 3672023中国家电科技年会论文集1 锌铝镁镀层的防锈机理镀锌铝镁钢板的镀层主要由Zn、Zn-MgZn2、Zn-Al-MgZn2组成。其中MgZn2的电位比Zn低，MgZn2会比Zn先腐蚀，发生去合金化。Mg会先于Zn发生腐蚀，吸收CO2，减缓了ZnO2的产生速度，Mg会促使材料表面产生一层致密的腐蚀物，会隔绝氧，减缓氧的扩散速度5。在锌铝镁镀层的切边位置，会产生致密的腐蚀物，这种腐蚀物异常稳定，不易分解，可以很好地保护基材，防止继续腐蚀。因此，锌铝镁镀层具有优异的耐腐蚀性能和切边保护性能。2 镀锌铝镁钢板的耐腐蚀性研究空调外机的底盘由于被其他结构件包裹，可使用镀锌铝镁钢板制作空调外机底盘，并在不影响外观和用户感知的前提下减少喷涂工序，以减少污染和生产成本。2.1 板材的盐雾试验对比采用未喷涂的（镀锌铝镁钢板）DX51+ZM180和（镀锌钢板）DX51D+Z80-W-Y，按照GB/T 10125规定对零件进行中性盐雾试验，并对试验结果进行对比。如图1，中性盐雾试验结果显示，镀锌钢板在1500 h小时试验结束时产生了大量的红锈，腐蚀非常严重，并伴有腐蚀产物脱落；镀锌铝镁钢板表面有腐蚀发黑，表面及切口处均没有红锈产生。由此可知，镀锌铝镁钢板的耐腐蚀性提升较大，切口处防护较好，未见红锈，明显优于镀锌钢板。图1 1500 h盐雾试验结果2.2 成型后的底盘盐雾试验采用未喷涂的（镀锌铝镁板材）DX51+ZM180进行模具冲压分别制成底盘和底脚，然后通过TOX铆接将底盘和底脚连接，按照GB/T 10125规定对底盘组件进行中性盐雾试验，并对试验结果进行分析。如图2图4，中性盐雾试验结果显示，镀锌铝镁的底盘部件在经过500 h小时后无异常，在经过1000 h小时后无异常，在经过1300 h后局部切边位置产生红锈。空调室外机喷涂件经过500 h中性盐试验无生锈即可判定合格，故未喷涂的DX51+ZM180耐腐蚀性可满足室外机空调底盘的使用要求。3 镀锌铝镁底盘、底脚的模具研究单梅等人通过对锌铝镁镀层和纯锌镀层钢板进行对比，发现在同等粗糙度下，锌铝镁镀层比纯锌镀层的摩擦系数更小，表面的自润滑性更好，在进行模压成型时镀层的破坏性更小6。原来的室外机底盘和底脚采用镀锌板进行冲压制作，然后进行喷涂处理，可通过喷涂将冲压时的镀层脱落、镀层拉丝、刮花等表面缺陷进行覆盖，以减少外观不良。但是将镀锌铝镁用作室外机底盘、底脚时，不做喷涂处理，直接裸露使用，一方面要解决镀层被破坏从而影响防腐能力的问题，一方面还要确保底盘无刮花等影响外观的缺陷。这对模具的要求比较高，模具冲压时不能够划伤、拉裂工件。3.1 模具拉伸仿真分析以室外机底盘为例，底盘材料使用DX51+ZM180，开模前进行冲压仿真分析，摩擦系数设定为0.125，模具压边力设置为12吨。检查拉伸的风险点，冲压仿真分析如图5（彩图请查看论文电子版），图5中显示破裂（红色）区域为拉裂风险区域，需要对产品的风险处进行优化。将风险点处的筋的高度减矮，减少拉伸形变图2 底盘部件500 h盐雾试验结果图3 底盘部件1000 h盐雾试验结果图4 底盘部件1300 h盐雾试验结果368 2023中国家电科技年会论文集量；将风险点周围的过渡圆角加大，将其平滑处理，减小材料的流动阻力。将优化后的底盘重新进行冲压仿真分析，材料流动顺畅，无拉裂和划伤风险。如图6所示。3.2 模具材料选型及模具表面处理空调外机的底盘部件需求量大，模具寿命要求高；模具要易保养，且保养频次不能高于普通模具，以减少生产成本；模具冲压的产品表面光滑无外观缺陷，以此为牵引目标进行模具材料选型。通过对表1中不同类型的模具材料进行不同维度的对比，结合镀锌铝镁底盘的产品特性，最终选定碳化钨合金作为镀锌铝镁底盘模具的材料。模具加工成型后，对模具进行PVD表面处理。PVD表面改性技术是在真空条件下，利用物理方法，将目标涂覆材料气化成原子、分子、离子沉积到基础材料上的方法，此方法在各种模具上都已经广泛应用。经过PVD处理的模具，其表面的光洁度、硬度、耐磨性都有较大提升，并具有自润滑的效果，模具的寿命也较之前有大幅提升7，可减少普通模具冲压的各种缺陷，提高镀锌铝镁底盘零件的良品率。4 镀锌铝镁底盘、底脚、压机螺栓的铆接普通的镀锌板底盘一般是将底盘、底脚、压机螺栓点焊在一起后，再进行喷涂处理；点焊的工作环境较差，现场焊渣横飞，影响员工的身体健康，火花飞溅，安全性较低8。而采用镀锌铝镁钢板制作底盘、底脚，点焊后会破坏表面的镀层，若不喷涂，则点焊的位置是防护最薄弱的地方，腐蚀往往就是从此处开始蔓延；因此原来的点焊工艺不适合这种不喷涂的零件之间的连接3，使用镀锌铝镁钢板制作室外机底盘，就要考虑其他连接方式。TOX铆接工艺在汽车行业应用已经非常成熟，在家电行业的应用也日渐增多；苏州托克斯冲压设备有限公司的研究表明，TOX铆接点的静态连接强度可达到点焊的70%左右，动态连接强度则比点焊强得多。分别选取底盘和底脚对应的锌铝镁材料25 mm50 mm表1 模具材料选型传统钢拉伸模铜合金拉伸模碳化钨合金拉伸模材料价格40元/公斤180元/公斤500元/公斤加工难度普通简单困难材料硬度HRC5862HRC4045HRC6872摩擦系数0.10.20.060.08模具寿命200万次100万次200万次制造周期2530天30天30天与板板材黏附频率频率高频率低频率低寿命是否满足要求满足满足满足保养频度是否满足满足满足满足是否满足锌铝镁的冲压不满足满足满足是否符合整体要求图7 抗拉强度测试示意图8 抗剪切强度测试示意图9 抗剪切和搞拉强度测试结果图5 原底盘冲压仿真分析图6 优化后的底盘冲压仿真分析 3692023中国家电科技年会论文集大小，用直径为8 mm的TOX冲头对试样进行铆接，铆点的净用时为1.0 s。进行拉伸剪切试验时板材的重叠面为20 mm，检测速度为10 mm/min。分别测试6组拉伸强度和6组剪切强度，测试示意图如图7、图8所示。如图9，测试结果显示，单点直径8 mm的TOX铆点的抗剪切强度为2010 N，抗拉强度为1130 N，一般较大的家用空调的室外机重量为50 kg左右，较小的空调外机重量为30 kg左右。底盘与底脚单侧TOX铆接点在34个，完全可以满足家用空调的静态使用场景。若空调外机用于车载等特殊场景，底盘与底脚会受到各个方向的动态力的影响，通过扫频振动试验进行对比测试，将1.5 P的空调置于振动台上，分别用点焊的底盘和铆接的底盘进行扫频振动对比，点焊的底盘在15 min出现焊点开裂，而TOX铆接底盘5.5 h后才发生底盘拉破现象。将整机进行扫频振动后发现，外机的其中一个底脚脱落，在铆接点四周脱裂，而铆点本身没有脱离，铆点处撕裂形成孔洞，证明TOX铆接的动态强度比焊接的动态强度高，铆点的动态连接强度比底盘本身基础材料强度高。扫频振动测试照片如图1012。目前的空调外机底盘和压机螺栓也是通过焊接的方式进行连接的，李鑫武通过多次的试验验证，底盘与压机螺栓采用铆接的工艺进行连接，更加可靠，而且不会破坏底盘的表面镀层，外观良好，没有压痕和起皱的质量问题9。对底盘铆接的压机螺栓进行抗扭强度测试，来判定其是否合格。测试照片如图13。压机螺栓使用5.6级的M8螺栓，其螺栓的预紧力在1215 Nm之间，压机螺栓与底盘连接后扭力23Nm，或者螺栓扭断为止。通过对铆接的压机螺栓进行破坏性扭力试验，直至螺栓扭断，最终的试验扭力在26 Nm36 Nm之间，螺检扭断后，螺栓与底盘的断铆接位置均未出现滑动。5 结论镀锌铝镁钢板具有优于镀锌钢板的耐腐蚀性，用镀锌铝镁钢板冲压制作的底盘和底脚，通过铆接的方式进行连接，不进行喷涂处理，是可以直接用在空调外机底盘上的。随着家电行业对镀锌铝镁钢板研究的不断深入，其应用也将会更加广泛，具有广阔的应用前景。参考文献1 张华,刘妮,周孟怡.碳中和目标下的中国制冷行业A/“2022年双碳背景下中国制冷技术研究及应用进展论坛”会议论文集C.2023:4-9.2 张朝晖,刘璐璐,王若楠,等.“双碳”目标下制冷空调行业技术发展的思考J.制冷与空调,2022(01):1-10.3 赵前进.底盘组件的加工工艺探讨J.家电科技,2013(07):58-59.图10 测试前的底盘照片图11 扫频振动照片图12 扫频振动后的底盘照片图13 压机螺栓扭矩测试照片4 胡敏志.热镀铝锌钢板在空调室外机底盘上的应用浅析A/中国家用电器协会.2011年中国家用电器技术大会论文集C.电器杂志社,2011:4.5 李锋,吕家舜,杨洪刚,等.锌铝镁镀层钢板的研究进展J.轧钢,2013,30(02):45-51.6 单梅,葛浩,崔磊,等.热浸镀锌铝镁与纯锌镀层钢板成形性能对比研究J.安徽冶金科技职业学院学报,2022,32(04):1-4.7 谢祖华,李云妹.PVD表面改性技术在模具上的应用J.机电技术,2011,34(06):87-90.8 熊传林,李鑫武.定位螺栓铆接技术研究J.家电科技,2015(02):66-67.9 李鑫武,蓝健城,熊传林,等.热镀铝锌板在空调外机上的应用研究J.家电科技,2014(10):76-77.