一、民用建筑鋁型材的特點
 
    經濟的發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線，其工藝裝備、生產工藝和模具的設計與制造均已基本定型，具有標準化、系列化的特點。

    (1)民用建筑鋁型材絕大多數采用6063－T5/T6鋁合金生產，這是因為6063鋁合金質輕，有良好的塑性，工藝成形性能好，表面處理性能優良?？梢杂盟a出輕巧、美觀、耐用的優質鋁型材。

    (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，絕大多數鋁型材的壁厚度為0.6～2 mm，形狀十分復雜，且斷面變化劇烈，相關尺寸精度要求高，技術難度大，大多數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，空心鋁型材與實心鋁型材的比例大約為1:1，而且內腔多為異型孔，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構，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要求。
     由于民用建筑鋁型材具有上述特點，加大了模具設計與制造的難度。

二、民用建筑鋁型材模具設計難點

    民用建筑鋁型材模具的設計除了遵循普通模具的設計原則以外，還有如下特點：     
(1)擠壓機(擠壓筒)的最佳比壓范圍為350～700 Mpa；    
(2)擠壓系數的最佳范圍為30～80；
    (3)最佳比壓和擠壓系數可通過擠壓機、擠壓筒、擠壓工藝參數、鑄錠長度以及模孔孔數來進行調節。
2．1  模具種類及其結構特征
    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。
    平面模用于擠壓實心鋁型材，模子可以做得很薄，在14.7MN以下的中小型擠壓機上使用的模子可以薄到20～25 mm，15.7～34.3MN擠壓機用的模子可以取30 mm左右厚。薄模易加工制造，便于修模和拋光工作帶表面。為了保證模子強度和產品尺寸穩定性，要增加模墊的厚度或數目。
    平面分流組合模用于擠壓空心鋁型材，因需經二次變形，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，生產操作簡便，能生產各種高精度、高光潔表面的、形狀復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束時殘料容易清理干凈，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缺點。

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	產品品質 (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 硬合金高質薄壁空心鋁型材

    2)模孔在模子平面上的布置原則
(1)應考慮鋁型材擠出?？讜r在出料臺上的穩定性，以防扭彎鋁型材。    
(2)裝飾面不要與出料臺直接接觸，以防劃傷表面。
    (3)應考慮到靠近擠壓筒中心的金屬比靠近邊緣的金屬流動較快，所以鋁型材的薄壁部分應盡可能靠近擠壓筒中心。
    (4)對于槽形鋁型材，其模孔布置時應避免金屬流動快慢不均而造成的舌頭偏斜，引起鋁型材壁厚不均。
    (5)?？鬃畲笸饨訄A與模子外徑間的關系，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

    模子入料腔的數目、形狀、大小及其在模子平面上的排列，對金屬流動影響極大，應根據擠壓筒的大小、產品形狀、擠壓產品的根數及其排列位置來確定人料腔的形狀和數目。模腔的設計應保證模孔金屬流動的均勻性，在保證模子強度的條件下，應盡量設計得大一些。分流孔的設計與布置見第3．5．3節。
4)?？准庸こ叽绲拇_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——經驗修正值。   
5)模孔工作帶的確定原則和方法
    工作帶厚薄是調整金屬流動速度的關鍵因素，工作帶設計不當，鋁型材各部分流出?？椎乃俣染筒痪鶆?，擠壓出的制品就會產生扭擰、彎曲、平面間隙大等缺陷。為了合理給定工作帶，應考慮影響工作帶長度的兩個主要因素。
    第一，?？着帕形恢脤饘倭鲃拥挠绊?，擠壓時金屬的流動特性是靠近擠壓筒中心部位的金屬流動快，遠離中心的逐漸減慢。為此，如要使金屬流動均勻，必須把中心部位的?？坠ぷ鲙ё龅煤褚恍h離中心處逐漸減薄。模孔工作帶變化數值與擠壓筒直徑有關。
    第二，鋁型材壁厚對金屬流速的影響。鋁型材壁厚越大即?？壮叽缭酱?，則金屬流動就越快，因此，為了調整流速，此處的工作帶就應做得厚一些。
    根據上述兩個因素，?？坠ぷ鲙Э砂慈缦鹿接嬎悖?/p>

 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——模子材質強度系數(≈1．5～2．0)；    
K₂——?？孜恢昧魉俨钪?。
    (1)平面模模孔工作帶長度的確定方法
①設計工作帶長度時，以整個鋁型材最難擠出(成形)部分為基準點，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)，故以此處作為設計工作帶的基準點，取L=(1.5～2)t。

圖4—3—39 實心鋁型材工作帶基準選取示意圖

②與基準點相鄰部位的工作帶長度比基準點工作帶長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，工作帶的長度應相等。    
④由模子中心算起，每遠離中心10 mm則其工作帶應相應減少，參看圖4—3—40及表4—3—8示出的數值。

圖4—3—40 工作帶長度與距中心的關系示意圖
(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應關系

鋁型材厚度/mm	離中心每相距l0mm工作帶增減數值/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，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，工作帶應增大1 mm(圖4—3—41(b))。
    ⑦鋁型材模孔的端部，因三面受阻，金屬流速較慢，故此處的工作帶應減少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)分流組合模模孔工作帶長度的確定方法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。靠近入料口處的?？?，因金 屬流動較好，工作帶應為2t+1 mm。                   
    ②鋁型材空心部分工作帶長度與通位長度L有關，見圖4—3—43。 
當L=15～20 mm時，工作帶長度為2t + 1 + 0.5 mm；  
L=21～30 mm時，工作帶長度為2t + 1 + 1 mm； 
L=30 mm以上時，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減少)

圖4—3—43分流組合?？招牟课坏墓ぷ鲙疽鈭D
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)相接的實心?？撞糠值墓ぷ鲙?，與分流孔的大小、形狀和分布有關，橋底及入料不直接流人的?？坠ぷ鲙?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)調整金屬流速的特殊方法
    (1)導流法。在模子工作端面上做一個深度15～20 mm的凹兜，將金屬導入?？撞⒂煤侠碓O計導流孔的大小和形狀來調節金屬的流速。如對于槽形鋁型材，常見的兩種缺陷就可用導流法來解決，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鋁型材壁厚設計成不同的阻礙角，來調節金屬流速。在擠壓空心鋁型材時容易出現凸起和凹下缺陷，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。調節方法是消除陽模障礙。 

圖4-3-44用導流法來調整金屬流速示意圖
(a)——標準槽鋁型材；(b)——凸起缺陷；(c)——凹下缺陷；(d)——導流模 

圖4—3—45用促流法調整金屬流速示意圖

圖4—3—46用阻礙法調整金屬流速示意圖

    7)空刀的設計
(1)對于一般鋁型材模來說，空刀部位尺寸比模孔尺寸大3mm(單邊l.5 mm)，對于小規格或薄壁鋁型材，為了協調相關位置或為了增大模子的強度，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適當減短。    
(4)易堵模的鋁型材，空刀部分應做成錐形。
    (5)為保證鋁型材能順利通過?？祝Ｗ涌盏恫糠帧⒛|、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)模子厚度的設計
    對于民用建筑鋁型材，平面模的厚度一般取25～30 mm，分流組合模的厚度由強度校核確定，一般而論取80～185 mm，導流模的厚度一般取l5～25 mm。
    9)模子強度的校核
    由于民用建筑鋁型材品種繁多，形狀復雜而且多系薄壁鋁型材或空心鋁型材，這給模具的結構選擇和強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行強度校核。
(1)平面模進行強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算： 

（4－3－16）

式中 n——安全系數；
P——擠壓機的最大比壓；
B、B₁——模子和模墊危險斷面的寬度；    
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度。
以一個半空心鋁型材為例計算強度。擠壓機為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)分流組合模的強度校核一般按下面公式計算：

（4－3－17）

式中 b、h——分別為分流組合模上模的橋寬和橋厚；    
[σ_b]——模具材料的許用強度；
      P——擠壓筒最大比壓；    
F——模子受壓面積。
以一個平面分流模為例計算強度。擠壓機能力為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
    日本宇部興產株式會社設計制造的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，應采用4Cr5MoSiVl鋼，熱處理后HRC為46～50。 

圖4—3—47實心模具裝配圖 
 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