鋁型材截面設(shè)計(jì)技巧解決擠壓生產(chǎn)難題
2024-03-05
云南安全培訓(xùn)網(wǎng)
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鋁合金型材之所以在生活及生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，是由于大家對(duì)其低密度、抗腐蝕性、優(yōu)導(dǎo)電率、非鐵磁性、可成形、可回收等優(yōu)點(diǎn)的充分認(rèn)可。我國(guó)鋁型材工業(yè)從無(wú)到有，從小到大，直至發(fā)展成為鋁型材生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量雄踞世界第一。但隨著市場(chǎng)對(duì)鋁型材產(chǎn)品的要求不斷提高，使鋁型材生產(chǎn)向復(fù)雜化、高精化、大型化等方向發(fā)展，隨之帶來(lái)的一系列生產(chǎn)難題。
鋁型材的生產(chǎn)大都采用擠壓方式，在生產(chǎn)時(shí)除了要考慮擠壓機(jī)的性能、模具的設(shè)計(jì)、鋁棒的成分、熱處理等工藝方面因素外，還要考慮型材的截面設(shè)計(jì)。最佳的型材截面設(shè)計(jì)不僅可以從源頭上降低工藝難度，還能提高產(chǎn)品的質(zhì)量、使用效果，并降低成本，縮短交貨期。論文通過(guò)生產(chǎn)中的實(shí)際案例，總結(jié)鋁型材截面設(shè)計(jì)常用的幾點(diǎn)技巧。鋁型材擠壓是將加熱鋁棒裝入擠壓筒中，通過(guò)擠壓機(jī)施加壓力，使其從給定形狀和尺寸的�？字袛D出，產(chǎn)生塑性變形而獲得所要求的產(chǎn)品的加工方法。由于金屬在變形過(guò)程中受鋁棒溫度、擠壓速度、變形量、模具等種種因素的影響，金屬流出的均勻性較難控制，給模具設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的難度。為了保證模具的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)裂紋、塌陷、崩角等情況，在型材截面設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)：大懸臂、小開(kāi)口、小孔、多孔、不對(duì)稱、薄壁、壁厚不均勻等截面形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要滿足其使用、裝飾等性能，由此設(shè)計(jì)得到的截面可用，但非最佳方案。因?yàn)楫?dāng)設(shè)計(jì)人員缺乏擠壓工藝知識(shí)、不了解相關(guān)的工藝設(shè)備時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)工藝要求過(guò)高、過(guò)嚴(yán)，造成合格率降低、成本升高，甚至連現(xiàn)有工藝也生產(chǎn)不出來(lái)。因此，鋁型材斷面設(shè)計(jì)的原則是：在滿足其功能設(shè)計(jì)的前提下盡可能用最簡(jiǎn)單的工藝完成。鋁型材界面設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)技巧收口是型材生產(chǎn)常見(jiàn)的缺陷之一，產(chǎn)生原因主要有以下三點(diǎn)：（1）型材截面開(kāi)口較深的型材，在擠壓出來(lái)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)收口。（3）某些結(jié)構(gòu)的注膠型材，在注完膠以后由于膠體的收縮也會(huì)產(chǎn)生收口。如果上述收口不嚴(yán)重，可以通過(guò)模具設(shè)計(jì)控制流速來(lái)避免收口；但如果幾種因素疊加，模具設(shè)計(jì)及相關(guān)工藝無(wú)法解決收口時(shí)，可以在截面設(shè)計(jì)時(shí)給予預(yù)先補(bǔ)償，即預(yù)開(kāi)口。欲開(kāi)口補(bǔ)償量的多少要根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)及以往收口的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，而此時(shí)的開(kāi)模圖（預(yù)開(kāi)口）與成品圖的設(shè)計(jì)是不同的（圖 1）。隨著鋁型材大型化的發(fā)展，很多型材的截面設(shè)計(jì)越來(lái)越大，這意味著需要大擠壓機(jī)、大模具、大鋁棒等等一系列的設(shè)備與之配套，生產(chǎn)成本急劇上升。對(duì)于一些可以通過(guò)拼接來(lái)達(dá)到的大尺寸截面，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其拆分為若干小型材，不僅可以降低成本，其平面度、彎曲度、精度更易保證（圖 2）。型材截面在設(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)遇到對(duì)平面度的要求，小跨度的型材由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好易于保證平面度。大跨度的型材由于剛擠完后，型材會(huì)因自身重力作用下垂，中間彎曲應(yīng)力最大下凹最嚴(yán)重，還會(huì)因壁板部分長(zhǎng)極易產(chǎn)生波浪使平面間歇惡化。因此在截面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免大尺寸平板結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可在中間部位設(shè)置加強(qiáng)筋以改善其平面度。（圖3）在型材生產(chǎn)過(guò)程中，有的截面很難通過(guò)擠壓加工完成，即使可以加工生產(chǎn)成本也會(huì)過(guò)高，此時(shí)可以考慮另外的加工方法。案例一：型材截面上直徑小于 4mm孔，會(huì)使模具強(qiáng)度不足，容易損壞，并且加工困難，建議去掉小孔，改用鉆孔的方案。案例二：普通 U 型槽的生產(chǎn)難度不大，但是如果槽深和槽寬超過(guò)了 100mm，或槽寬與槽深比不合理，生產(chǎn)時(shí)同樣會(huì)遇到模具強(qiáng)度不足，開(kāi)口不易保證等問(wèn)題。在型材截面設(shè)計(jì)時(shí)可考慮將開(kāi)口封閉，使原來(lái)強(qiáng)度不足的實(shí)心模變成穩(wěn)固的分流模，且擠壓時(shí)也不存在開(kāi)口變形的問(wèn)題，形狀更易保證。另外，設(shè)計(jì)時(shí)可在開(kāi)口兩端的連接處做一些細(xì)節(jié)處理，如：設(shè)置 V 形標(biāo)記、小凹槽等，方便最后機(jī)加工時(shí)容易去除掉（圖 4）。鋁型材擠壓模具根據(jù)截面是否帶有腔體，可分為實(shí)心模和分流模，實(shí)心模的加工相對(duì)簡(jiǎn)單，分流模因涉及到型腔、芯頭等加工相對(duì)復(fù)雜，因此在型材截面設(shè)計(jì)時(shí)也要充分給予考慮，即截面的外輪廓可以設(shè)計(jì)得復(fù)雜一些，盡量將溝槽、螺孔等放在外圍，而內(nèi)部盡量簡(jiǎn)單，精度要求也不能過(guò)高。這樣不管是模具加工，還是維修都會(huì)簡(jiǎn)單很多，成品率也會(huì)提高。鋁型材在擠壓完成后根據(jù)客戶的需求有不同的表面處理方法，其中陽(yáng)極氧化、電泳方法由于膜層薄，對(duì)尺寸影響不大。若采用粉末噴涂的表面處理方法，在拐角和溝槽中容易積粉，其單層厚度可達(dá)到 100滋m，如果該處為裝配位置，例如滑條，那么將意味著有 4 層噴涂層，厚度達(dá) 400滋m，將導(dǎo)致無(wú)法裝配，影響使用。另外，隨著擠壓次數(shù)增加，模具磨損，型材槽孔尺寸將會(huì)越來(lái)越小，而滑條尺寸越擠越大，更給裝配帶來(lái)困難�；谝陨显�，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)具體情況預(yù)留的適當(dāng)余量，保證裝配。截面設(shè)計(jì)先出裝配圖再出型材產(chǎn)品圖，裝配圖的正確并不意味型材產(chǎn)品圖完美，有的設(shè)計(jì)者忽略了尺寸及公差標(biāo)注的重要性。尺寸標(biāo)注的位置一般為需要保證的尺寸，如：裝配位置、開(kāi)口、槽深、槽寬等，并且容易測(cè)量檢驗(yàn)。一般尺寸公差可根據(jù)國(guó)標(biāo)選擇相應(yīng)的精度等級(jí)，而一些重要裝配尺寸則需要在圖中標(biāo)明具體公差數(shù)值，公差標(biāo)注過(guò)大會(huì)使裝配難度增加，過(guò)小又會(huì)使生產(chǎn)成本增加，合理的公差范圍需要設(shè)計(jì)者日常的經(jīng)驗(yàn)積累。細(xì)節(jié)決定成敗，對(duì)于型材截面設(shè)計(jì)也是如此，小小的改變不僅可以保護(hù)模具、控制流速、還能改善表面質(zhì)量、提高成品率。常用的技巧之一倒圓角，擠壓型材做不到絕對(duì)的尖角，因?yàn)榫�切割的細(xì)銅絲也是有直徑的，但是拐角處流速慢、摩擦大、應(yīng)力集中，常會(huì)出現(xiàn)擠壓痕明顯、尺寸不易控制、模具易崩角等情況。因此，在不影響其使用的前提下要盡可能加大倒圓半徑。即便小擠壓機(jī)生產(chǎn)，型材壁厚也最好不低于 0.8mm，截面各部分壁厚也不能相差太大，差別不大于 4 倍。設(shè)計(jì)時(shí)可在壁厚突變處用斜線或圓弧過(guò)渡，以保證出料形狀規(guī)整及修模方便。另外，薄壁型材的彈性較好，對(duì)于一些扣板、壓條等可取 1mm 左右壁厚。設(shè)計(jì)中細(xì)節(jié)的調(diào)整還有很多應(yīng)用，例如：調(diào)整角度、改變方向、縮短懸臂、增加間隙、對(duì)稱性好、調(diào)整公差等，具體的方法就不一一列舉。總之，型材截面設(shè)計(jì)需要不斷的總結(jié)創(chuàng)新，充分考慮與模具設(shè)計(jì)制造、生產(chǎn)工藝之間的關(guān)系。作為一名設(shè)計(jì)人員，為使型材生產(chǎn)獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有因素，包括用戶需求、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量、成本等，力爭(zhēng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能夠一次獲得成功。而這些需要平時(shí)跟蹤產(chǎn)品生產(chǎn)，整理積累第一手的資料，才能對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果產(chǎn)生預(yù)判，提前糾正。
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