一、民用建筑鋁型材的特點(diǎn)
 
    經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，促使民用建筑鋁合金鋁型材的品種和數(shù)量迅速增長。目前，世界各國建成了上千條民用建筑鋁型材生產(chǎn)線，其工藝裝備、生產(chǎn)工藝和模具的設(shè)計(jì)與制造均已基本定型，具有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的特點(diǎn)。

    (1)民用建筑鋁型材絕大多數(shù)采用6063－T5/T6鋁合金生產(chǎn)，這是因?yàn)?063鋁合金質(zhì)輕，有良好的塑性，工藝成形性能好，表面處理性能優(yōu)良?？梢杂盟a(chǎn)出輕巧、美觀、耐用的優(yōu)質(zhì)鋁型材。

    (2)世界上已研制出上萬種建筑鋁型材。其橫截面積范圍為0.1～100 cm²，外接圓直徑范圍為φ8～350 mm，腹板厚度范圍為0.6～15 mm。
    (3)鋁型材壁薄，絕大多數(shù)鋁型材的壁厚度為0.6～2 mm，形狀十分復(fù)雜，且斷面變化劇烈，相關(guān)尺寸精度要求高，技術(shù)難度大，大多數(shù)為超高精度薄壁鋁型材。
    (4)建筑鋁型材中的空心制品比例很大，空心鋁型材與實(shí)心鋁型材的比例大約為1:1，而且內(nèi)腔多為異型孔，有的常常為多孔異形薄壁空心制品。
    (5)一組建筑鋁型材需要組裝成不同的門窗系列或其他的建筑結(jié)構(gòu)，因此配合面多，裝配尺寸多，裝飾面多。為了減少鋁型材品種，要求鋁型材具有通用性和互換性，這就提高了鋁型材的精度要求和表面品質(zhì)要求。
     由于民用建筑鋁型材具有上述特點(diǎn)，加大了模具設(shè)計(jì)與制造的難度。

二、民用建筑鋁型材模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)

    民用建筑鋁型材模具的設(shè)計(jì)除了遵循普通模具的設(shè)計(jì)原則以外，還有如下特點(diǎn)：     
(1)擠壓機(jī)(擠壓筒)的最佳比壓范圍為350～700 Mpa；    
(2)擠壓系數(shù)的最佳范圍為30～80；
    (3)最佳比壓和擠壓系數(shù)可通過擠壓機(jī)、擠壓筒、擠壓工藝參數(shù)、鑄錠長度以及?？卓讛?shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2．1  模具種類及其結(jié)構(gòu)特征
    擠壓民用建筑鋁型材的模具可分為平面模和空心模兩大類?？招哪Ｓ挚煞譃槠矫娣至鹘M合模、星形組合模、舌型模，其中平面分流組合模最為常用，占95%以上。
    平面模用于擠壓實(shí)心鋁型材，模子可以做得很薄，在14.7MN以下的中小型擠壓機(jī)上使用的模子可以薄到20～25 mm，15.7～34.3MN擠壓機(jī)用的模子可以取30 mm左右厚。薄模易加工制造，便于修模和拋光工作帶表面。為了保證模子強(qiáng)度和產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性，要增加模墊的厚度或數(shù)目。
    平面分流組合模用于擠壓空心鋁型材，因需經(jīng)二次變形，故所需擠壓力較大，易造成悶車。用這種模具擠壓空心鋁型材，成品率較高，模具易加工制造，生產(chǎn)操作簡便，能生產(chǎn)各種高精度、高光潔表面的、形狀復(fù)雜的薄壁空心鋁型材和多孔空心鋁型材，但在擠壓中或擠壓完畢時(shí)修模和清理殘料較困難。
    星形組合模適用于外形尺寸較大的空心鋁型材，擠壓力較分流模的小，鋁型材成品率較高，殘料清理也較容易，但模子加工較困難。
    舌型模殘料較長，鋁型材成品率低，模具加工難度介于兩者之間，但擠壓阻力較小，且在擠壓中或擠壓結(jié)束時(shí)殘料容易清理干凈，修模方便，故多用于需要較高擠壓力的品質(zhì)要求較高的薄壁空心鋁型材或硬合金軍工鋁材，表4—3—5列出了3種空心鋁型材模的優(yōu)缺點(diǎn)。

表4—3—5  3種空心鋁型材模具的比較表

模子種類	擠壓工藝性	產(chǎn)品品質(zhì) (成品率)	模子加 工難度	清理金屬和修模	適用范圍
平面分流組合模 星形組合模 舌型模	一般 中等 良好	良好 良好 不好	易 難 中等	難 中等 易	所有空心制品 外形尺寸大的空心鋁型材 硬合金高質(zhì)薄壁空心鋁型材

    2)?？自谀Ｗ悠矫嫔系牟贾迷瓌t
(1)應(yīng)考慮鋁型材擠出?？讜r(shí)在出料臺(tái)上的穩(wěn)定性，以防扭彎鋁型材。    
(2)裝飾面不要與出料臺(tái)直接接觸，以防劃傷表面。
    (3)應(yīng)考慮到靠近擠壓筒中心的金屬比靠近邊緣的金屬流動(dòng)較快，所以鋁型材的薄壁部分應(yīng)盡可能靠近擠壓筒中心。
    (4)對(duì)于槽形鋁型材，其模孔布置時(shí)應(yīng)避免金屬流動(dòng)快慢不均而造成的舌頭偏斜，引起鋁型材壁厚不均。
    (5)模孔最大外接圓與模子外徑間的關(guān)系，見表4—3—6和表4—3—7。

3)分流孔的形狀及其在模子平面上的布置

    模子入料腔的數(shù)目、形狀、大小及其在模子平面上的排列，對(duì)金屬流動(dòng)影響極大，應(yīng)根據(jù)擠壓筒的大小、產(chǎn)品形狀、擠壓產(chǎn)品的根數(shù)及其排列位置來確定人料腔的形狀和數(shù)目。模腔的設(shè)計(jì)應(yīng)保證?？捉饘倭鲃?dòng)的均勻性，在保證模子強(qiáng)度的條件下，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)得大一些。分流孔的設(shè)計(jì)與布置見第3．5．3節(jié)。
4)模孔加工尺寸的確定 

?？淄庑纬叽?A₀+ A₀ (1.01%～l.02%) 

式中 A₀——鋁型材外形的名義尺寸。
     ?？妆诤癯叽?S₀+ S₀(1.01%～l.02%)+C
式中 S₀——鋁型材壁厚名義尺寸；
     C——經(jīng)驗(yàn)修正值。   
5)?？坠ぷ鲙У拇_定原則和方法
    工作帶厚薄是調(diào)整金屬流動(dòng)速度的關(guān)鍵因素，工作帶設(shè)計(jì)不當(dāng)，鋁型材各部分流出?？椎乃俣染筒痪鶆?，擠壓出的制品就會(huì)產(chǎn)生扭擰、彎曲、平面間隙大等缺陷。為了合理給定工作帶，應(yīng)考慮影響工作帶長度的兩個(gè)主要因素。
    第一，?？着帕形恢脤?duì)金屬流動(dòng)的影響，擠壓時(shí)金屬的流動(dòng)特性是靠近擠壓筒中心部位的金屬流動(dòng)快，遠(yuǎn)離中心的逐漸減慢。為此，如要使金屬流動(dòng)均勻，必須把中心部位的?？坠ぷ鲙ё龅煤褚恍h(yuǎn)離中心處逐漸減薄。模孔工作帶變化數(shù)值與擠壓筒直徑有關(guān)。
    第二，鋁型材壁厚對(duì)金屬流速的影響。鋁型材壁厚越大即?？壮叽缭酱?，則金屬流動(dòng)就越快，因此，為了調(diào)整流速，此處的工作帶就應(yīng)做得厚一些。
    根據(jù)上述兩個(gè)因素，模孔工作帶可按如下公式計(jì)算：

 L=t·Kl·K2             (4－3－15)

式中  L——工作帶長度/mm；         
t——鋁型材厚度名義尺寸/mm；
      K_l——模子材質(zhì)強(qiáng)度系數(shù)(≈1．5～2．0)；    
K₂——?？孜恢昧魉俨钪取?
    (1)平面模?？坠ぷ鲙чL度的確定方法
①設(shè)計(jì)工作帶長度時(shí)，以整個(gè)鋁型材最難擠出(成形)部分為基準(zhǔn)點(diǎn)，取該處工作帶長度為成品厚度的l.5～2倍。以圖4—3—39中的鋁型材為例，該鋁型材的壁厚為t，由于其寬度較大，兩端部出料較難(見虛線部分)，故以此處作為設(shè)計(jì)工作帶的基準(zhǔn)點(diǎn)，取L=(1.5～2)t。

圖4—3—39 實(shí)心鋁型材工作帶基準(zhǔn)選取示意圖

②與基準(zhǔn)點(diǎn)相鄰部位的工作帶長度比基準(zhǔn)點(diǎn)工作帶長1 mm，見圖4—3—39。    
③鋁型材厚度相同部位，如其距離擠壓筒中心的距離相等，工作帶的長度應(yīng)相等。    
④由模子中心算起，每遠(yuǎn)離中心10 mm則其工作帶應(yīng)相應(yīng)減少，參看圖4—3—40及表4—3—8示出的數(shù)值。

圖4—3—40 工作帶長度與距中心的關(guān)系示意圖
(a)——金屬流速圖；(b)——工作帶長度的變化 

表4—3—8 鋁型材厚度及離中心距離與工作帶長度對(duì)應(yīng)關(guān)系

鋁型材厚度/mm	離中心每相距l0mm工作帶增減數(shù)值/mm
1.2 1.5 2.0 2.5 3.0	0.2 0.23 0.30 0.35 0.40

⑤其他情況相同時(shí)，工作帶的長度與該處的厚度成正比。例如：t1=1 mm處工作帶長L1，=2 mm，t2=1.5 mm處的工作帶長度L2為3 mm。

⑥鋁型材螺孔處，工作帶應(yīng)增加1 mm，(圖4—3—41(a))，鋁型材兩邊交接處有圓弧R的地方，工作帶應(yīng)增大1 mm(圖4—3—41(b))。
    ⑦鋁型材?？椎亩瞬浚蛉媸茏?，金屬流速較慢，故此處的工作帶應(yīng)減少l mm，見圖4—3—42的圓圈處。

圖4—3—41 工作帶長度增加示意圖   
(a)——螺絲孔處增加l mm；
(b)——圓弧處增加1 mm

  (2)分流組合模?？坠ぷ鲙чL度的確定方法①橋底人料困難處工作帶長度為鋁型材厚度之兩倍，即L=2t?？拷肓峡谔幍哪？?，因金 屬流動(dòng)較好，工作帶應(yīng)為2t+1 mm。                   
    ②鋁型材空心部分工作帶長度與通位長度L有關(guān)，見圖4—3—43。 
當(dāng)L=15～20 mm時(shí)，工作帶長度為2t + 1 + 0.5 mm；  
L=21～30 mm時(shí)，工作帶長度為2t + 1 + 1 mm； 
L=30 mm以上時(shí)，按上述比例增加。  

圖4—3—42?？锥瞬抗ぷ鲙чL度變化示意圖 
    (虛線圓圈處工作帶長度應(yīng)減少)

圖4—3—43分流組合模空心部位的工作帶示意圖
1——入料孔；2——工作帶長等于2t；   
 3——工作帶長等于2t+1

③與空心部分(通心部分)相接的實(shí)心?？撞糠值墓ぷ鲙?，與分流孔的大小、形狀和分布有關(guān)，橋底及入料不直接流人的模孔工作帶取3倍厚度加l mm，即L=3t+1 mm，入料直接流人的?？坠ぷ鲙『穸鹊?～5倍，即L=(4～5)t。
    6)調(diào)整金屬流速的特殊方法
    (1)導(dǎo)流法。在模子工作端面上做一個(gè)深度15～20 mm的凹兜，將金屬導(dǎo)入?？撞⒂煤侠碓O(shè)計(jì)導(dǎo)流孔的大小和形狀來調(diào)節(jié)金屬的流速。如對(duì)于槽形鋁型材，常見的兩種缺陷就可用導(dǎo)流法來解決，如圖4—3—44所示。
    (2)促流法。在模子工作端面做成各種不同的促流角，來調(diào)整金屬的流速，如壁厚變化的楔形鋁型材，在窄孔處促流角做得大一些，在寬孔處促流角做得小一些，但最大促流角不得大于45°，如圖4—3—45所示。
    (3)阻礙法。在模子工作帶端面根據(jù)鋁型材壁厚設(shè)計(jì)成不同的阻礙角，來調(diào)節(jié)金屬流速。在擠壓空心鋁型材時(shí)容易出現(xiàn)凸起和凹下缺陷，可用如圖4—3—46所示方法來修正。凸起缺陷削去A處，凹下缺陷削去B處。調(diào)節(jié)方法是消除陽模障礙。 

圖4-3-44用導(dǎo)流法來調(diào)整金屬流速示意圖
(a)——標(biāo)準(zhǔn)槽鋁型材；(b)——凸起缺陷；(c)——凹下缺陷；(d)——導(dǎo)流模 

圖4—3—45用促流法調(diào)整金屬流速示意圖

圖4—3—46用阻礙法調(diào)整金屬流速示意圖

    7)空刀的設(shè)計(jì)
(1)對(duì)于一般鋁型材模來說，空刀部位尺寸比?？壮叽绱?mm(單邊l.5 mm)，對(duì)于小規(guī)格或薄壁鋁型材，為了協(xié)調(diào)相關(guān)位置或?yàn)榱嗽龃竽Ｗ拥膹?qiáng)度，空刀尺寸可減小到單邊0.5～1 mm。 
(2)為了防止鋁型材與模壁相擦，空刀部分可采用3°～5°的錐形出口。
(3)鋁型材的螺絲孔及毛條坑位后的空刀應(yīng)適當(dāng)減短。    
(4)易堵模的鋁型材，空刀部分應(yīng)做成錐形。
    (5)為保證鋁型材能順利通過?？?，模子空刀部分、模墊、模支承墊的尺寸一般按如下原則確定：
    模子空刀尺寸=?？壮叽?(1～3)mm；
模墊尺寸=?？壮叽?(6～12)mm；
模支承墊尺寸=?？壮叽?(10～20)mm。

    8)模子厚度的設(shè)計(jì)
    對(duì)于民用建筑鋁型材，平面模的厚度一般取25～30 mm，分流組合模的厚度由強(qiáng)度校核確定，一般而論取80～185 mm，導(dǎo)流模的厚度一般取l5～25 mm。
    9)模子強(qiáng)度的校核
    由于民用建筑鋁型材品種繁多，形狀復(fù)雜而且多系薄壁鋁型材或空心鋁型材，這給模具的結(jié)構(gòu)選擇和強(qiáng)度校核帶來了一定的困難。為簡化起見，將民用建筑鋁型材模歸納為平面模和分流組合模來進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(1)平面模進(jìn)行強(qiáng)度校核的主要有槽形模、雙孔帶板模和半空心鋁型材模。一般情況下可用下述公式來計(jì)算： 

（4－3－16）

式中 n——安全系數(shù)；
P——擠壓機(jī)的最大比壓；
B、B₁——模子和模墊危險(xiǎn)斷面的寬度；    
H、H₁——模子和模墊的厚度；
F——模子受壓面積；
[σ_b]、[σ_b’]——模子和模墊材料的許用強(qiáng)度。
以一個(gè)半空心鋁型材為例計(jì)算強(qiáng)度。擠壓機(jī)為17.6MN，擠壓筒的比壓P=760 MPa，[σ_b]=[σ_b’]=1150 MPa，H=38.1,H=38.1mm，H_l63.5 mm，B=9 mm，B_l12-(2×3.5)=5 mm。 

所以，基本上是安全的。
(2)分流組合模的強(qiáng)度校核一般按下面公式計(jì)算：

（4－3－17）

式中 b、h——分別為分流組合模上模的橋?qū)捄蜆蚝瘢?nbsp;   
[σ_b]——模具材料的許用強(qiáng)度；
      P——擠壓筒最大比壓；    
F——模子受壓面積。
以一個(gè)平面分流模為例計(jì)算強(qiáng)度。擠壓機(jī)能力為17.6MN，擠壓筒比壓P=760 MPa，[σ_b]=1150 MPa，b=30 mm，h=40 mm。

    10)模具的裝配方式
    日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社設(shè)計(jì)制造的l6MN擠壓最常用的模具裝配方式見圖4—3—47和圖4—3—48。
11)模具的材料及硬度  
民用建筑鋁型材模具常用的材料及使用硬度如下：模子，材料3Cr2W8V，HRC為48～52；材料4CrMoSiVl，HRC為46～50。
   模墊及其他模具組件，材料5CrNiM0、5CrNiW等，HRC=40～45。受力較大的模墊，應(yīng)采用4Cr5MoSiVl鋼，熱處理后HRC為46～50。 

圖4—3—47實(shí)心模具裝配圖 
 1——模子；2——模墊；3——模套；4——模座；5——模后座；6——定位銷

 圖4—3-48分流組合模裝配圖
1——陽模；2——陰模；3——模套4——模座；5——模后座；6——定位銷