空调底盘用铆钉铆接方式的工艺技术研究

朱振华 汪楠

1.佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司 广东佛山 528000；2.广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528000

1 引言

空调器室外机底盘组件由底盘和若干底脚组成，目前国内空调器室外机底盘组件的装配方式主要有两种。（1）点焊[1]：底脚上预制焊接凸点，在电阻焊机上对定位贴合的底盘与底脚施压通电，两者在凸点处因高温熔融而结合在一起，会产生脱焊、虚焊、过烧等隐患。（2）铆接[2]：底脚本身材料的挤压塑性变形，使底脚和底盘形成一个互相镶嵌的圆形连接点，这种连接方式不易检测，易有脱铆隐患。而对于铆钉铆接在空调底盘上的应用，目前并未有相关文献介绍，铆钉连接方式从外观上就能看出铆接效果，杜绝不可靠连接，如图1所示。本文根据钣金样条的铆钉铆接加工，对底盘底脚的连接方式进行模拟，并通过抗拉强度及剪切强度拉力试验、金相（OM）组织分析，对我司常用的铆接工艺及技术进行深入研究，为实际生产提供理论指导。

图1 底盘组件三维模型及剖面图

2 铆接

2.1 旋铆铆接

旋铆机冷碾铆接法，就是利用铆杆对铆钉局部加压，并绕中心连续摆动直到铆钉成形的铆接方法。按照这种铆接法的冷碾轨迹，可将其分为径向铆接法[3][4]和摆碾铆接法，如图2a）、图2b）所示。径向铆接原理较为复杂，它的铆头运动轨迹是梅花状或者说是以圆为中心向外扩展的，铆头每次都通过铆钉中心点。径向铆接面所铆零件的质量较好，效率略高，并且铆接更为稳定，铆件无须夹持，即使铆钉中心相对主轴中心略有偏移也能顺利完成铆接工作。径向铆接机因结构复杂，造价高，维修不方便，非特殊场合一般不采用。摆碾铆接通过联轴器将运动传递给主轴，同时液压系统驱动活塞连同主轴向下施压，当铆头接触铆钉时，铆头围绕铆钉中心线（即主轴中心线）公转，同时铆头在切向力的作用下自转，从而完成铆接。其特点是结构简单、制造成本较低，能耗1.5 kW·h。我司底盘通过摆碾铆接进行批量生产，维修方便，可靠性好，能够满足90%以上零件的铆接要求，安装效率为12秒/件。此种铆接的铆接机振动较大，放置铆钉后易歪斜，造成斜铆、漏铆等铆接缺陷，而且铆接后铆钉形状不规则，中间厚两边薄，具体在后面章节详述。

图2 旋铆的铆接方式

2.2 热铆铆接

热铆铆接是将铆钉加热到一定温度后进行的铆接，由于加热后铆钉的塑性提高、硬度降低，钉头成型容易，所以热铆时所需的外力比冷铆要小的多；另外，在铆钉冷却过程中，钉杆长度方向的收缩会增加板料间的正压力，当板料受力后可产生更大的摩擦阻力，提高了铆接强度。热铆常用在铆钉材质塑性较差、铆钉直径较大或铆力不足的情况下。用铆接机铆接时，加热温度为650℃～670℃。铆钉的终铆温度在450℃～600℃之间[5]，效率8秒/件，较摆碾铆接提升33%，但能耗2.25 kW·h，较摆碾铆接耗能增加50%，示意图如图3所示。热铆铆接时铆接机状态稳定，铆钉形状较均匀规则。

图3 热铆接示意图

3 力学性能对比

3.1 样件准备

剪板样条尺寸180 mm×20 mm及100 mm×20 mm，样条通过铆钉连接，摆碾铆接及热铆接，制作抗拉强度样条、剪切强度样条分别如图4、图5所示。

图4 抗拉强度铆接样件（摆碾及热铆接）

图5 剪切强度铆接样件（摆碾及热铆接）

3.2 铆接头强度拉力试验

3.2.1 抗拉强度

抗拉强度试验时，将样条两端弯折，装夹于万能拉力机上，要求夹持牢固，确保拉伸中样条不脱落，万能拉伸机速20 mm/min，摆碾铆接和热铆样条各10个，直至拉伸断裂为止，如图6所示，记录相关数据。抗拉强度试验数据如表1所示。

图6 抗拉试验断裂

表1 不同铆接方式抗拉强度试验数据

3.2.2 剪切强度

剪切强度拉力试验时直接将样条装夹于万能拉力机上，要求夹持牢固，确保拉伸中样条不脱落，万能拉伸机速度20 mm/min，直至拉伸断裂为止，如图7所示，摆碾铆接和热铆样条各10个。剪切强度试验数据如表2所示。

图7 剪切强度拉力试验

表2 不同铆接方式剪切强度试验数据

3.3 抗拉强度试验分析

根据表1抗拉强度试验数据分析，两种不同铆接方式抗拉强度如图8所示，热铆铆接抗拉强度明显高于摆碾铆接（旋铆）方式的抗拉强度值。

图8 两种铆接方式抗拉强度的对比

根据铆接特征分析，摆碾铆接后铆钉形状弧线型，铆接高度中间高，周边偏薄，在拉伸试验过程中，偏薄部位的铆钉发生断裂，造成铆接部位承受力度减少，如图9所示。而热铆形状大小比较规则，受力均匀，铆接头不易被拉断，铆钉与样片分离，如图10所示。

图9 摆碾铆接断裂样条剖面图

图10 热铆接断裂样条剖面图

3.4 剪切强度试验分析

根据表2剪切强度试验数据分析，两种不同铆接方式剪切强度对比图如图11所示，剪切强度值主要与材料的性能有关（不同料厚、不同材料强度），对两种铆接方式做剪切强度拉力试验后，强度值相差不大；主要是在试验开始直至材料断裂，断裂主要原因是拉力达到材料原有的强度，样条出现疲劳失效，如图12所示，所以在材料相同的情况下，材料达到屈服极限断裂，样条剪切强度基本一致。

图11 两种铆接方式剪切强度的对比

图12 剪切强度样条断裂

4 微观组织

4.1 金相试样准备

利用XJP-6A金相显微镜对铆接后的铆钉的组织金相观察，铆接后的铆钉中间剖开的截面作为金相样品，采用线切割所需金相试样，镶件后在抛光机上进行机械抛光，抛光后用浸蚀剂（浸蚀液组成：5%硝酸+95%酒精）浸蚀10 s，浸蚀后用酒精擦拭，吹干，然后观察并拍照，拍照顺序如图13所示。

图13 金相试样

4.2 摆碾铆接微观组织

图14为摆碾铆接组织不同区域的微观组织金相图（OM），自下而上：图14a）为铆钉铆接的整体形貌，从图中可以看出，铆钉和钢板连接位置的形态；图14b）为形变过渡区域，此区域组织受摆碾的压力，形变区域铁素体组织被挤压拉长，无相变组织存在；图14c）为铆钉中间部分，此区域靠近形变过渡区域，晶粒组织明显被压缩；图14d）为铆钉下边缘区域微观组织，此区域无相变发生，主要为铁素体组织。

图14 摆碾铆接微观组织金相图（OM）

4.3 热铆接微观组织

图15为热铆接微观组织金相图（OM），图15a）为整体形貌，自上而下，上端主要为铁素体组织，存在一个明显的形变区域，如图15b）所示，组织由铁素体转变为索氏体组织，下边缘区域为索氏体向铁素体转变区域，并存在一个明显的脱碳层，如图15d）所示。

图15 热铆接微观组织金相图（OM）

铆钉正常组织为“铁素体+少量珠光体”，而索氏体严格来说属于珠光体的一种，具有良好的综合机械性能，性能优于珠光体。

热铆接过程中，由于加热温度过高，随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于1000℃时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快，脱碳对材料的刚度有一定影响，使材料硬度和强度有一定程度的下降，缺口敏感性增加，但是热铆接温度一般为670℃左右，只是在铆钉头部形成脱碳层，对铆接后的铆钉的强度影响不大。

5 结论

通过对两种不同铆接方式的抗拉强度及剪切强度进行拉力验证，以及微观组织分析，得出如下结论：

（1）因铆钉经过热铆接和摆碾铆接后，铆钉头部形状变化不一，热铆接铆钉头部形状较规则均匀，而摆碾铆接中间高、两边低，在抗拉强度拉力试验时，摆碾铆接铆钉先出现断裂，所以热铆接的抗拉强度明显优于摆碾铆接抗拉强度。

（2）因剪切强度主要与铆钉自身性能有关，而铆钉的剪切强度要远远高于样板的强度，所以样板先断裂，两种加工方式的剪切强度值基本无差别，主要与原材料性能有关。

（3）摆碾铆接铆钉组织均为铁素体，中部存在明显的形变区域，形变区域铁素体组织被挤压拉长，无相变发生。

（4）热铆接时铆钉组织发生变化，形变区域的铁素体转变为索氏体组织，铆钉发生相变，机械性能增加。