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铝全金型材断面的设计原则
艾普斯 丨 2017.08.17 丨 8547
铝合金型材断面的设计原则:
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,在型材断面设计时要考虑到挤压的可能性,以下讨论型材断面设计的几个主要因素。1.1断面大小
铝合金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,每对挤压机上能挤压出的最大外接圆的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? 170-200mm,最大的可为? 220mm,挤压型材的最大外接圆一般比挤压筒直径小25-50mm,挤压空心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%。
1.2铝合金型材断面形状的复杂性:
根据型材的断面形状可分成三大类,即实心型材、半空心型材及空心铝型材。(1)实心型材,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)空心型材根据断面形状也可分三级:
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?130mm,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=S/A=S/W
式中,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,则铝型材就越难以挤压。
1.3铝合金型材挤压系数
为使挤压型材具有一定的变形量,同时又不至于难挤压,合理地选择挤压系数是很重要的。一般来说,纯铝的挤压系数可达300,6063合金可达200,硬铝可为20-60。有时可用变形率来表示。ε=(A?-A?)/A?=(λ-1)/λ×100%
式中ε---变形率
A?---铸锭断面面积(挤压筒断面面积)
A?---挤压制品断面面积。
通常认为ε在95%以上才是经济合理的。
1.4铝型材壁厚
某一特定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合金壁厚取为1mm时,则6061合金就应取为1.5mm左右,而7075合金则应取为2.0-2.5mm。
壁厚选择除与合金有关,还与外接圆直径、断面形状等有关。型材的外接圆尺寸或宽度越大,设计的厚度也应越大,一般情况下型材的宽厚比(B/t)以小于30为宜;当B/t>50时,就比较难以挤压了,当B/t>100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,才能保证产品质量和使挤压过程得以顺利进行。难以挤压的断面,要求有较大的壁厚、较小的宽厚比和较小的挤压系数。
1.5包围空间面积的设计
在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,当悬臂细而深时,模子破损率就大,甚至很难挤压出来,即使能挤压出来,也很难挤压出合格型材。表3-7所示为美国的型材断面形状挤压难易程度的分级,如图所示,按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,小的则定为实心铝合金型材。表3-7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
0.76-1027 1 1 1 0.75 1 0.5
1.27-1.6 2.0 1.5 1.5 1.0 1.125 0.75
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
注:合金A:1060、1100、3003、5052、5154、5254、6061、6062、6082、6005、6063、6101、6251、6403、7004、7104、7005、7003等
合金B:2011、2014、2017、2117、2024、5083、5086、5454、5456、6066、7001、7075、7178、7079、8091等。
1.6铝合金型材直角间的圆角半径
凸出的直角上的过渡半径是很重要的,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。1.7型材的断面尺寸公差
断面尺寸公差应根据产品的加工余量、使用条件、铝型材挤压的难易程度、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用户提供的图纸中规定。对某些挤压难度大的型材,可改变形状,或增大工艺余量、尺寸公差,以减小挤压的难度,挤压出近似要求的挤压制品,然后整形或加工到使用形状与尺寸。