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铝型材断面设计原则
内容来源:http://www.apas.net.cn    作者:武将    发布日期:2019-09-05 08:37    阅读次数:1426 次 点击收藏

用挤压的方法生产铝型材是一种节约金属、生产效率较高的方法,但是,它受到许多因素的影响,在铝型材断面设计时要考虑到挤压的可能性,下面讨论一下型材断面设计的几个主要因素;


(1)断面大小

型材断面大小用外接圆来衡量,外接圆越大,所需要的挤压力就越大;一般来说,每台挤压机上能挤出的最大外接圆的铝型材不是固定不变的,它与挤压筒直径有关,如20MN挤压机上的挤压筒直径一般为φ170~200mm,最大的可为φ220mm,挤压铝型材的最大外接圆一般比挤压筒直径小25~50mm,挤压空心铝型材时则应更小一些;但用宽展挤压时,型材的最大外接圆可比挤压筒大15%~36%


(2)断面形状的复杂性

根据铝型材的断面形状可分成三大类,即实心型材、半空心型材及空心型材,如下图所示:


铝型材断面分类图

①:实心铝型材,即一般的角形、槽形等型材;

②:半空心型材,根据断面形状又可分为三级;

1)半空心型材Ⅰ级,空间部分和将空间部分围起来的型材壁厚,从开口处中心线看是左右对称的;

2)半空心型材Ⅱ级,从开口部分中心线看左右是不对称的;

3)半空心型材Ⅲ级,从开口部分看是左右对称的与不对称的两个半空心型材;

③:空心铝型材根据断面形状也可分为三级;

1)空心型材Ⅰ级,空心部分是圆的,直径较小,断面形状是对称的,或内径较小,外形是不对称的;

2)空心型材Ⅱ级,除Ⅰ级以外的,外接圆不大于φ130mm,只有一个空心部分,而且空心部分是非圆形的;

3)空心型材Ⅲ级,除Ⅰ、Ⅱ级以外所有的空心型材,壁厚是均匀的,其空心断面是完整或多孔的,即圆形、正方形、长方形、六角形、椭圆形、梯形等;


但上述三个级别没有包括某些专门用途的空心铝型材;

除了断面复杂性之外,还要考虑其形状因素;形状因素就是铝型材断面周长与单位质量之比(或周长与断面面积之比),即:




F0—形状因素;

S 型材断面周长;

W—型材的单位质量;

A—型材断面面积;


综合上述,如以C表示铝型材外接圆直径,那么SC/A就是一个反映挤压难易程度的指数,指数值越大,则型材就越难以挤压;


(3)挤压系数

为使挤压系数具有一定的变形量,同时又不至于难挤压,合理的选择挤压系数是很重要的,一般来说,纯铝的挤压系数可达300,3063铝合金可达200,硬铝可为20~60。有时可用变形率来表示;


Ε—变形率;

A1—铸锭断面面积(挤压筒断面面积);

A2—挤压铝型材断面面积;

通常认为Ε在95%以上是经济合理的;


(4)铝型材壁厚

某一特定铝型材壁厚最小值取决于型材的外接圆直径的大小、合金成分和形状因素等;壁厚与合金的挤压难易程度有关;如6063铝合金壁厚取为1mm时,则6061铝合金就应取为1.5mm左右,而7075铝合金则应取为2.0~2.5mm


壁厚选择除与铝合金有关外,还与外接圆直径、断面形状等有关,铝型材的外接圆尺寸或宽度尺寸越大,设计的厚度也应越大,一般情况下铝型材的宽厚比(B/t)以小于30为宜;当B/t50时,就比较难以挤压,当B/t100时,属特别难以挤压成形的型材,需要采取一些特殊的技术措施,才能保证铝型材质量和使挤压过程得以顺利进行;断面形状对挤压难易程度的影响见下图:

铝型材挤压难易程度排列表

难以挤压的断面,要求有较大的的壁厚、较小的宽度比和较小的挤压系数;


(5)包围空间面积的设计

在铝型材的断面形状方面,凡有三方被包围,一面开口的部分,称为空间面积,这个空间从模子方面来看是悬臂梁,当悬臂梁细而深时,模子破损率就越大,甚至很难挤压出来,即使能挤压出来,也很难挤压出合格的铝型材制品;如下表所示:


美国铝型材断面形状与挤压难易程度的分级
开口部分深度/mm
1级
2级
3级
合金A
合金B
合金A
合金B
合金A
合金B
0.76~1.27
1
1
1
0.75
1
0.5
1.27~1.6
2.0
1.5
1.5
1.0
1.125
1.75
1.6~3.18
2.5
2.0
2.0
1.5
1.5
1.125
3.18~6.35
3.0
2.5
2.5
2.0
1.875
1.5
12.7~25.4
3.5
2.75
3.0
2.5
2.25
1.875
25.4~38.1
4.0
3.0
3.5
2.5
3.0
2.25
38.1~63.3
3.5
2.75
3.0
2.0
2.25
1.5
38.1~63.5
3.0
2.0
2.0
1.5
1.5
1.125
63.5以上
2.25
2.0
2.0
1.5
1.5
1.125

F/C²或E+F/C²公式计算,哪个数值大取哪个,然后与表中的数值对照,比表上数值大的定为半空心型材,小的则定为实心型材;


(6)直角间的圆角半径

凸出的直角上的过度半径是很重要的,半径过小时,模子上会发生应力集中,而凹形的直角则在模孔入口处易于磨损,因此,应尽量避免尖角;像6063一类挤压性能良好的合金,其最小圆角半径可取R=0.4mm,其他合金应取0.6mm以上;


7)铝型材的断面尺寸公差

断面尺寸公差应根据铝型材的加工余量、使用条件、型材挤压的难以程度、合金牌号和形状的部位来确定,一般来说,在有关的技术标准中或在用户提供的图纸中规定;对某些挤压难度大的铝型材,可改变形状,或增大工艺余量、尺寸公差,以减小挤压的难度,挤压出近似要求的铝型材挤压制品,然后整形或加工到使用形状与尺寸;


8)其他的设计要素

铝合金型材的种类很多,在设计时除了要考虑共同的设计要素外,还要考虑各自的特殊设计要素;例如:对长度有要求的铝型材,必须考虑形位公差;阶段变断面型材要求大头部分与型材部分的断面比例控制在一定范围内,目前这个比例已达到10左右,此比例越大,挤压难度就越大;又如对整体带筋壁板型材的宽厚比、立筋的对称性及空心型材对合金成分的选择等都有严格的要求,在设计型材时必须仔细计算和评估;

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