铝型材在空调器上的开发与应用

2018-01-24胡映明刘超杨杰

家电科技 2018年1期

关键词：空调器铝型材弧度

胡映明刘超杨杰

1.珠海格力电器股份有限公司广东珠海 519070; 2.约克广州空调冷冻设备有限公司广东清远 511685

1 引言

长期以来，空调器主要以镀锌板为基材作主要部件。随着人民生活水平的提高及对产品外观美感要求的逐步提升，铝型材其重量轻、强度高、加工性能好，可焊接、耐腐蚀、美观等良好的特性[1]，受到人们越来越多的青睐。

目前，铝型材已广泛应用于车辆、建筑、飞机、通讯等各个领域。近年来，空调室内机产品越来越朝着轻量化、装饰化的方向发展，使铝型材的应用得到迅速提升。本文主要讲解了铝合金的一些性能特点及空调器用铝型材的结构设计要求、加工工艺方法。

2 铝合金的性能特点及表面处理

2.1 铝合金的性能及种类

铝合金是一种以铝为主要元素，加入一些不同的金属元素（如Si、Fe、Cu、Mn、Zn、Mg等）组成的一种合金材料。它具有一系列优良的物理、化学、加工和表面处理性能，其密度为2.7g/cm3，质量轻，在一些轻工行业获得了广泛的应用。

铝合金型材按照用途，可以划分为通用型材和专用型材两种[2]；按照应用领域，可分为航空航天、电子、机械、轻工、建筑和交通运输等；按照成型工艺，可分为铸造、锻造、挤压等。挤压铝型材主要用于一些建筑或轻工行业，如铝合金门窗等。本文所述的铝型材应用于空调器室内机的安装板上，属于挤压成型的铝型材，它在空调中起到支撑及外观作用。

2.2 铝型材表面处理

为了使型材表面具有较好的外观效果及耐腐蚀性能，通常情况下需要对铝型材表面进行处理，表面处理的种类主要有：阳极氧化、化学转化、电泳涂装、粉末喷涂、木纹转印、氟碳喷涂和抛光等[3]。常用的表面处理方式分为粉末喷涂及阳极氧化两种，其中粉末喷涂可以得到较为丰富的外观效果，阳极氧化的外观效果较为单调。

2.2.1 粉末喷涂处理

铝型材粉末喷涂在国外是应用较为普遍的表面处理方式，在国内起步较晚，应用较少，它是通过对型材表面进行脱脂、碱洗、中和、水洗之后，在型材表面形成一层氧化膜，经过烘干后采用静电粉末喷涂的方法，将粉末涂料（聚酯）均匀的涂覆在型材的表面，最后经加热固化后，形成一层致密的粉末涂层的过程。

粉末喷涂质量的好坏，对型材前处理、静电喷涂工艺及粉末固化过程影响较大，生产中需重点控制这几个环节。

零件外观颜色是因为所选用粉末颜色的不同而不同的，因而其颜色可以多样化，随着人们对外观效果的追求，粉末喷涂得到越来越多的应用。

2.2.2 阳极氧化处理

阳极氧化是一种电解氧化的过程，在这过程中在铝合金表面通常会转化为一层氧化膜，它具有保护性及装饰性的特性。该氧化膜表面为蜂窝的多孔结构, 因此，必须采用恰当的封闭技术将氧化膜中的微孔闭合，使阳极氧化膜起到有效保护铝及铝合金表面的作用[4]。

铝型材的阳极氧化处理和粉末喷涂处理，对型材各项性能存在一定的差异性，实际中需根据具体的使用情况进行选择，表1中重点列出了几项性能指标。

3 铝型材在空调器上的开发及应用

铝合金型材具有较轻的质量、较好的加工工艺性及良好的外观效果，因而在空调室内机上获得广泛应用。铝合金按其添加合金元素的不同，可被分成从1000～7000系列的几种类型[5]，不同类型合金的性能差异有所不同，常用空调器用的合金系列为3000系列、5000系列和6000系列。3000系列代表有3003铝合金，锰元素为其主的要合金成分，具有较好的防腐、防锈功能，可用于潮湿的环境中，主要用在空调器的内部结构件上，如蒸发器翅片边板等。5000系列，代表有5052铝合金，镁元素为其主要合金成分，具有良好的成型加工性能及较高的抗拉强度，主要用在空调器中支承受力的部位，如天井机蒸发器支架等。6000系列，代表有6063铝合金，主要含有镁和硅两种合金元素，具有一定的耐腐蚀性及表面容易涂覆的优点，常用于空调器的外观零件上，如分体壁挂机的导风板，柜内机的外表装饰板上。本文所述的空调器是一种家用柜内机，采用铝合金型材为A1～Mg～Si系(6000系例)。

3.1 零件结构选型

空调器在规划时，定位为一款高档家用圆筒柜内机，目标是外观美感化、质量轻量化，为此需要在产品结构设计上进行重点考虑，本文所述零件为整机外观零件及运动机构的骨架支持。对于空调行业而言，镀锌钢板因其便宜的价格，较好的强度及表面喷涂效果而被广泛应用。但镀锌板质量相对较重，虽其表面可喷涂后作为外观件使用，然而喷塑后其金属质感不强，表面粉末时间长了容易脱落，不符合本产品的目标定位。通过对标行业情况及前期的产品开发经验，铝合金型材可以满足目标要求，并最终被选用。

产品设计之初，该铝型材零件是一个整体式的结构（如图1），该结构强度好，零件截面弧度能有效保证，但通过模型分析其宽厚比300/2.5=120，大于铝挤压行业的极限值100，导致型材无法挤压成型，且型材的宽度越大，使用的挤压设备吨位就越大，成本及风险也越高。

表1 铝型材阳极氧化处理和粉末喷涂处理的性能指标

表2 零件加工工艺流程和工艺内容

图1 整体式结构

图2 组合式结构

图3 整形设备整体结构

图4 机加工仿形装置

图5 零件组装装置

经过整机分析及装配验证，为了满足铝型材挤压成型的要求，将整体式结构分拆为2个零件，然后通过螺钉联接起来形成一个整体结构，零件截面弧度公差需控制在（0～1.5mm）以内，材质选用铝6063-T5，以实现整机的功能要求，结构如图2所示。

3.2 零件加工工艺

通过对零件的结构进行分析，为了保证零件的尺寸精度，制定出如表2的加工工艺流程和工艺内容。

3.2.1 铝型材整形

因为零件的外形尺寸比较大（1800mm★150mm），铝型材挤压成型后，零件整体变形较大，根据现场实测局部达到20mm以上，难以满足设计要求，需要对型材弧度进行整形处理。

根据型材的变形趋势及零件的弧度尺寸要求，开发了如图3所示的整形设备。设备由主体框架、压力调节手柄、滚轮、主轴、电机等组成。可根据型材的弧度情况，通过压力调节手柄控制上层滚轮的升降，实现型材弧度的外凸和内凹。下层双排滚轮起到支承作用，同时通过电机带动其旋转，从而引导型材的前后运动，使整个零件的弧度得以改善，合格率可达90%以上。

3.2.2 零件机加工

零件1、零件2为双层料的不等厚结构形式，难以采用普通的冷冲压模具加工工艺，结合零件的尺寸精度要求，采用机加工工艺，制定专用加工设备。

针对弧形的零件结构，自主开发弧面专用铣削仿形装置，如图4所示。其多头气缸联动自平衡控制系统，保证零件弧形轮廓完全贴合于仿形底模，加工过程零件不受力变形，同时采用专用加工设备进行生产，达到效率和质量的双保证。

3.2.3 组装工艺

组装工艺是零件尺寸控制的关键工序，是保证零件组装后其弧度尺寸公差能否达到设计要求的（0～1.5mm）以内的重要环节，前期通过采用人工装配的方式，将零件1和零件2放在水平的工作台面上，相互对扣后，直接用螺钉固定，装配后的弧度尺寸偏差较大，波动范围在±3mm，无法满足要求。

根据零件结构及功能分析，设计一套适用于该弧形零件装配的工装装置，如图5所示。图中所示为零件结构的主要组成部分，其中：1-滚轮，2-支架，3-操作开关，4-底部支撑块，5-气缸，6-下压板，7-电控箱。其工作过程是零件1和零件2通过各自的凹槽和凸起结构配合在一起，放置在底部支撑块上（完全仿形零件弧面），底部支撑块上的前、后、左、右4处快速定位把零件紧固，然后气缸驱动下压板往下运动，压紧在零件的上表面，使整个零件完全固定，其外形弧度轮廓完全贴合仿形支撑块，然后进行螺钉固定，完成组装。通过该工艺过程的实施，可以保证产品零件的尺寸。

3.2.4 零件表面处理

根据零件的使用情况(室内环境、较薄涂膜厚度、外观颜色无特殊要求、低成本)，结合粉末喷涂及阳极氧化的特点，本文所述零件采用阳极氧化的表面处理方式，工艺流程：零件→机械抛光→水洗→化学除油→水洗→碱腐蚀（80g/L的NaOH溶液）→水洗→酸洗中和（150g/L的HNO3）→水洗→阳极氧化→水洗→高温封闭→干燥。在碱腐蚀、酸洗及阳极氧化时一定注意控制问题，它将影响表面处理质量和成膜厚度。

零件通过以上阳极氧化处理后，零件阳极氧化膜厚可达10μm，表面颜色为银白色，经过高低温腐蚀实验（实验参数：低温-20°，高温55°，湿度65%；白天进行低温12小时，晚上进行高温12小时，整个周期2天48小时），零件表面的氧化膜光亮如新，没有出现表面发黑、氧化的现象，达到产品质量要求。