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鋁型材截面設計技巧解決擠壓生產難題

2024-02-28 596
1：前言



鋁合金(jin)型材之所(suo)以(yi)在生活及生產中(zhong)被廣泛應(ying)用，是由于大家對其(qi)低密度、抗腐蝕(shi)性、優導電率(lv)、非(fei)鐵磁(ci)性、可成形、可回(hui)收等優點(dian)的(de)充(chong)分認可。我國(guo)鋁型(xing)(xing)材工業從無(wu)到有，從小到大，直至發展(zhan)成為鋁型(xing)(xing)材生(sheng)產大國(guo)，產量雄踞世(shi)界 。但隨著市場(chang)對鋁型(xing)(xing)材產品的(de)要求不斷提高(gao)(gao)，使鋁型(xing)(xing)材生(sheng)產向復(fu)雜(za)化(hua)(hua)、高(gao)(gao)精化(hua)(hua)、大型(xing)(xing)化(hua)(hua)等方向發展(zhan)，隨之(zhi)帶來(lai)的(de)一(yi)系列生(sheng)產難題(ti)。
鋁型(xing)(xing)材的(de)(de)生產大都采用(yong)擠壓方式，在生產時除(chu)了要(yao)考慮擠壓機的(de)(de)性(xing)能、模(mo)具的(de)(de)設(she)計、鋁棒的(de)(de)成分、熱處理(li)等(deng)工(gong)藝方面(mian)因素外，還要(yao)考慮型(xing)(xing)材的(de)(de)截(jie)面(mian)設(she)計。更(geng)佳 的(de)(de)型(xing)(xing)材截(jie)面(mian)設(she)計不僅可以從(cong)源頭上降低工(gong)藝難(nan)度，還能提高產品(pin)的(de)(de)質(zhi)量、使用(yong)效果，并(bing)降低成本，縮短交貨(huo)期(qi)。論文通過(guo)生產中的(de)(de)實際案例，總結鋁型(xing)(xing)材截(jie)面(mian)設(she)計常用(yong)的(de)(de)幾點(dian)技巧。



2：鋁型材截面設計原則


鋁型材擠(ji)(ji)壓(ya)是(shi)將加(jia)熱鋁棒裝(zhuang)入擠(ji)(ji)壓(ya)筒(tong)中，通過(guo)(guo)擠(ji)(ji)壓(ya)機施加(jia)壓(ya)力(li)，使(shi)其從給(gei)定形狀和尺寸(cun)的(de)模孔中擠(ji)(ji)出(chu)(chu)，產生(sheng)塑性變形而獲(huo)得(de)所要求的(de)產品的(de)加(jia)工(gong)方法。由(you)于金(jin)屬(shu)在(zai)變形過(guo)(guo)程中受鋁棒溫度、擠(ji)(ji)壓(ya)速度、變形量、模具等種種因(yin)(yin)素的(de)影響(xiang)，金(jin)屬(shu)流出(chu)(chu)的(de)均勻性較難(nan)控(kong)制，給(gei)模具設(she)計(ji)帶來了(le)(le)一定的(de)難(nan)度。為(wei)了(le)(le)保證模具的(de)強度，避免出(chu)(chu)現裂紋、塌陷、崩角等情況，在(zai)型材截(jie)(jie)面(mian)(mian)設(she)計(ji)中應(ying)盡(jin)量避免出(chu)(chu)現：大懸(xuan)臂、小開(kai)口(kou)、小孔、多(duo)孔、不(bu)對(dui)稱(cheng)、薄壁、壁厚(hou)不(bu)均勻等截(jie)(jie)面(mian)(mian)形狀。在(zai)設(she)計(ji)時，首先要滿足其使(shi)用(yong)、裝(zhuang)飾(shi)等性能，由(you)此(ci)設(she)計(ji)得(de)到的(de)截(jie)(jie)面(mian)(mian)可用(yong)，但非更佳(jia) 方案。因(yin)(yin)為(wei)當設(she)計(ji)人員缺乏擠(ji)(ji)壓(ya)工(gong)藝(yi)知識、不(bu)了(le)(le)解相(xiang)關的(de)工(gong)藝(yi)設(she)備時，就(jiu)會出(chu)(chu)現生(sheng)產工(gong)藝(yi)要求過(guo)(guo)高、過(guo)(guo)嚴，造成(cheng)合(he)格率降低、成(cheng)本升高，甚至連現有(you)工(gong)藝(yi)也生(sheng)產不(bu)出(chu)(chu)來。因(yin)(yin)此(ci)，鋁型材斷面(mian)(mian)設(she)計(ji)的(de)原則是(shi)：在(zai)滿足其功能設(she)計(ji)的(de)前提下盡(jin)可能用(yong)最簡單的(de)工(gong)藝(yi)完(wan)成(cheng)。


3：鋁型材界面設計的幾點技巧


2.1 誤差補(bu)償

收口(kou)是型材生產常(chang)見(jian)的缺陷之一，產生原因主要(yao)有以下三點：

（1）型(xing)材(cai)截(jie)面開口(kou)較深的型(xing)材(cai)，在擠壓出來時往往會(hui)出現收口。

（2）型材(cai)的拉伸(shen)校直會使收口加(jia)劇(ju)。

（3）某些結(jie)構的注膠(jiao)型(xing)材，在注完膠(jiao)以后(hou)由(you)于膠(jiao)體的收縮也會產生收口。

如果上述收(shou)口(kou)不(bu)嚴重(zhong)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)模(mo)(mo)具設(she)計(ji)控制流速來(lai)避(bi)免收(shou)口(kou)；但如果幾種因素(su)疊(die)加，模(mo)(mo)具設(she)計(ji)及相關工(gong)藝無法解決收(shou)口(kou)時(shi)，可(ke)以(yi)在截面(mian)設(she)計(ji)時(shi)給予(yu)預(yu)(yu)先補償(chang)，即預(yu)(yu)開(kai)口(kou)。欲開(kai)口(kou)補償(chang)量的多(duo)少(shao)要根據(ju)其具體結構及以(yi)往收(shou)口(kou)的經驗進行選擇，而(er)此時(shi)的開(kai)模(mo)(mo)圖（預(yu)(yu)開(kai)口(kou)）與(yu)成(cheng)品圖的設(she)計(ji)是不同的。

2.2 拆(chai)大(da)變小

隨(sui)著(zhu)鋁型(xing)材(cai)大(da)型(xing)化的發展，很多型(xing)材(cai)的截(jie)面(mian)設(she)(she)計(ji)越來越大(da)，這意(yi)味著(zhu)需要大(da)擠壓機、大(da)模具、大(da)鋁棒等等一(yi)系列的設(she)(she)備(bei)與之配套，生(sheng)產成本急劇上升(sheng)。對于一(yi)些可(ke)以通過拼(pin)接(jie)來達到的大(da)尺寸截(jie)面(mian)，設(she)(she)計(ji)時應將其拆分(fen)為若干小(xiao)型(xing)材(cai)，不僅可(ke)以降低(di)成本，其平(ping)面(mian)度(du)、彎曲(qu)度(du)、精度(du)更易保(bao)證（圖 2）。

2.3 保平加筋

型(xing)材截(jie)面(mian)在設計(ji)時常常會遇到(dao)對平面(mian)度的要求，小(xiao)跨度(du)(du)的型材(cai)由(you)于其結(jie)構強(qiang)度(du)(du)好易(yi)于保證平(ping)面(mian)度(du)(du)。大跨(kua)度(du)(du)的型材(cai)由(you)于剛擠(ji)完后，型材(cai)會因自身重力作用下(xia)垂(chui)，中間(jian)彎曲(qu)應(ying)力更大 下(xia)凹最嚴重，還會因壁板部(bu)分長極易(yi)產生(sheng)波浪使平(ping)面(mian)間(jian)歇惡化。因此在截面(mian)設(she)計時應(ying)避免(mian)大尺寸平(ping)板結(jie)構，必要時可在中間(jian)部(bu)位設(she)置加強(qiang)筋以改善其平(ping)面(mian)度(du)(du)。（圖(tu)3）

2.4 二(er)次加工

在型材(cai)生產過程(cheng)中，有(you)的截面很(hen)難通過擠壓(ya)加工完(wan)成，即使可以加(jia)工生產成本也會(hui)過高，此(ci)時可以考慮另外的(de)加(jia)工方法。

案例一：型(xing)材截面上直(zhi)徑小(xiao)于 4mm孔(kong)，會使(shi)模具強度不足(zu)，容易損壞，并且加工困難(nan)，建議去掉小孔(kong)，改用鉆孔(kong)的(de)方案。

案例二(er)：普通 U 型槽(cao)的生產難度(du)不大，但是(shi)如果槽(cao)深和槽(cao)寬超過了 100mm，或槽(cao)寬與槽(cao)深比不合(he)理，生產時同樣(yang)會遇到(dao)模具強(qiang)度(du)不足，開口(kou)不易保證等問題(ti)。在(zai)型材(cai)截(jie)面設計時可考(kao)慮將開口(kou)封閉，使原來強(qiang)度(du)不足的(de)實心模變(bian)成穩(wen)固(gu)的(de)分流模，且擠壓時也(ye)不存在(zai)開口(kou)變(bian)形的(de)問題(ti)，形狀更(geng)易保證。另外，設計時可在(zai)開口(kou)兩端的(de)連接處做一些(xie)細節處理，

如：設置(zhi) V 形標記(ji)、小凹(ao)槽等(deng)，方(fang)便(bian)最(zui)后機加工時容(rong)易去除掉（圖 4）。

2.5 外繁內(nei)簡

鋁(lv)型(xing)材(cai)擠壓模(mo)具(ju)根據截面(mian)是(shi)(shi)否帶有腔(qiang)體，可分(fen)為實心模(mo)和分(fen)流(liu)模(mo)，實心模(mo)的加(jia)工相(xiang)對(dui)簡(jian)單，分(fen)流(liu)模(mo)因(yin)涉及到型(xing)腔(qiang)、芯頭(tou)等加(jia)工相(xiang)對(dui)復(fu)雜(za)，因(yin)此在型(xing)材(cai)截面(mian)設計時也要(yao)充分(fen)給予考慮，即截面(mian)的外輪(lun)廓可以設計得復(fu)雜(za)一些，盡量將溝(gou)槽、螺(luo)孔等放在外圍，而內部盡量簡(jian)單，精度要(yao)求也不(bu)能過高(gao)。這樣不(bu)管是(shi)(shi)模(mo)具(ju)加(jia)工，還是(shi)(shi)維修都會簡(jian)單很多，成品(pin)率也會提高(gao)。

2.6 預留余量(liang)

鋁型材在擠壓完成后根據客戶的需(xu)求有不同(tong)的(de)表面(mian)處(chu)理方法，其(qi)中陽極氧化、電泳方法(fa)由于膜(mo)層(ceng)薄，對尺寸影響(xiang)不大。若采用粉(fen)末噴涂的表(biao)面處(chu)理方法(fa)，在拐角和溝槽(cao)中容易(yi)積粉(fen)，其單(dan)層(ceng)厚度可(ke)達到 100滋m，如(ru)(ru)果該(gai)處(chu)為裝配位(wei)置，例如(ru)(ru)滑條，那么將意味著有 4 層(ceng)噴(pen)涂層(ceng)，厚(hou)度達 400滋m，將(jiang)導(dao)致無(wu)法裝配，影響使用(yong)。

另外，隨著擠(ji)壓(ya)次數(shu)增(zeng)加，模具磨損，型材(cai)槽孔(kong)尺寸將會越(yue)來(lai)越(yue)小，而滑條尺寸越(yue)擠(ji)越(yue)大，更給裝配帶來(lai)困難。基(ji)于以(yi)上原因，設(she)計時需根據具體情(qing)況預留的適當余量，保證裝配。

2.7 公差(cha)標注

截面設計先(xian)出裝(zhuang)(zhuang)配圖(tu)再(zai)出型材(cai)產品圖(tu)，裝(zhuang)(zhuang)配圖(tu)的(de)(de)正(zheng)確并不意(yi)味型材(cai)產品圖(tu)完(wan)美(mei)，有的(de)(de)設計者忽略(lve)了尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)及公(gong)(gong)差標注的(de)(de)重(zhong)要性。尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)標注的(de)(de)位置一般(ban)為需(xu)要保(bao)證的(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)，如(ru)：裝(zhuang)(zhuang)配位置、開口(kou)、槽(cao)深、槽(cao)寬等，并且容易(yi)測(ce)量檢(jian)驗(yan)。一般(ban)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)公(gong)(gong)差可(ke)根據國標選(xuan)擇相(xiang)應的(de)(de)精度等級，而一些(xie)重(zhong)要裝(zhuang)(zhuang)配尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)則需(xu)要在圖(tu)中(zhong)標明具體公(gong)(gong)差數值，公(gong)(gong)差標注過大會使裝(zhuang)(zhuang)配難.

2.8 細節調整


細節決定(ding)成敗，對于(yu)型材截面設計也是如(ru)此，小(xiao)小(xiao)的改(gai)變不僅可以保護模(mo)具、控制(zhi)流速、還能改(gai)善表面質(zhi)量、提高成品率。常(chang)(chang)用(yong)的(de)(de)(de)(de)技巧(qiao)之一倒圓(yuan)角，擠(ji)(ji)壓型材(cai)做不到 的(de)(de)(de)(de)尖角，因為(wei)線(xian)切割的(de)(de)(de)(de)細(xi)銅絲也是(shi)有直(zhi)徑的(de)(de)(de)(de)，但是(shi)拐角處流速慢(man)、摩擦大、應力集中，常(chang)(chang)會出現擠(ji)(ji)壓痕明顯(xian)、尺寸不易控制(zhi)、模(mo)具易崩角等(deng)情況。因此，在(zai)不影響其使用(yong)的(de)(de)(de)(de)前提下要盡可能加(jia)大倒圓(yuan)半徑。
即(ji)便小擠壓機生產，型(xing)材(cai)壁厚也(ye)更好 不低于(yu) 0.8mm，截面各部(bu)分壁厚也(ye)不(bu)(bu)能相差太大，差別(bie)不(bu)(bu)大于 4 倍。設計時可在壁厚突變(bian)處用斜線或圓弧(hu)過渡，以保證出料形狀規整及修模方便。另外(wai)，薄壁型(xing)材的彈性較好，對于一些(xie)扣板(ban)、壓條等可取 1mm 左右壁厚。設計中(zhong)細節(jie)的調整還有很(hen)多(duo)應用(yong)，例如(ru)：調整角(jiao)度、改變方向(xiang)、縮(suo)短懸臂(bei)、增加間隙(xi)、對稱性好、調(diao)整公差等，具體的(de)方法就(jiu)不(bu)一一列舉。總之，型(xing)材截(jie)面設(she)計需(xu)要不(bu)斷的(de)總結創(chuang)新，充分(fen)考慮與模具設(she)計制(zhi)造、生產工藝(yi)之間的(de)關系(xi)。



3：結束語


作(zuo)為(wei)一(yi)名設計(ji)(ji)人員，為(wei)使(shi)型材生產(chan)(chan)(chan)獲得(de)更佳 的(de)經濟效益，在設計(ji)(ji)時就要(yao)(yao)考慮產(chan)(chan)(chan)品整個生命周期的(de)所有(you)因素，包括用戶(hu)需(xu)求、設計(ji)(ji)、生產(chan)(chan)(chan)制造、質量、成本等，力爭(zheng)產(chan)(chan)(chan)品開發能夠(gou)一(yi)次獲得(de)成功。而這些需(xu)要(yao)(yao)平時跟(gen)蹤產(chan)(chan)(chan)品生產(chan)(chan)(chan)，整理積累 手的(de)資料，才能對設計(ji)(ji)的(de)結果產(chan)(chan)(chan)生預判，提(ti)前糾正(zheng)。（來源(yuan)：全球鋁合作(zuo)伙伴(ban)）