一、民用建筑铝型材的特点
经济的发展和人民生活水平的提高，促使民用建筑铝合金铝型材的品种和数量迅速增长。目前，世界各国建成了上千条民用建筑铝型材生产线，其工艺装备、生产工艺和模具的设计与制造均已基本定型，具有标准化、系列化的特点。
(1)民用建筑铝型材绝大多数采用6063－T5/T6铝合金生产，这是因为6063铝合金质轻，有良好的塑性，工艺成形性能好，表面处理性能优良。可以用它生产出轻巧、美观、耐用的优质铝型材。
(2)世界上已研制出上万种建筑铝型材。其横截面积范围为0.1～100 cm2，外接圆直径范围为φ8～350 mm，腹板厚度范围为0.6～15 mm。
(3)铝型材壁薄，绝大多数铝型材的壁厚度为0.6～2 mm，形状十分复杂，且断面变化剧烈，相关尺寸精度要求高，技术难度大，大多数为超高精度薄壁铝型材。
(4)建筑铝型材中的空心制品比例很大，空心铝型材与实心铝型材的比例大约为1:1，而且内腔多为异型孔，有的常常为多孔异形薄壁空心制品。
(5)一组建筑铝型材需要组装成不同的门窗系列或其他的建筑结构，因此配合面多，装配尺寸多，装饰面多。为了减少铝型材品种，要求铝型材具有通用性和互换性，这就提高了铝型材的精度要求和表面品质要求。
由于民用建筑铝型材具有上述特点，加大了模具设计与制造的难度。
二、民用建筑铝型材模具设计难点
民用建筑铝型材模具的设计除了遵循普通模具的设计原则以外，还有如下特点：
(1)挤压机(挤压筒)的最佳比压范围为350～700 Mpa；
(2)挤压系数的最佳范围为30～80；
(3)最佳比压和挤压系数可通过挤压机、挤压筒、挤压工艺参数、铸锭长度以及模孔孔数来进行调节。
2．1 模具种类及其结构特征
挤压民用建筑铝型材的模具可分为平面模和空心模两大类。空心模又可分为平面分流组合模、星形组合模、舌型模，其中平面分流组合模最为常用，占95%以上。
平面模用于挤压实心铝型材，模子可以做得很薄，在14.7MN以下的中小型挤压机上使用的模子可以薄到20～25 mm，15.7～34.3MN挤压机用的模子可以取30 mm左右厚。薄模易加工制造，便于修模和抛光工作带表面。为了保证模子强度和产品尺寸稳定性，要增加模垫的厚度或数目。
平面分流组合模用于挤压空心铝型材，因需经二次变形，故所需挤压力较大，易造成闷车。用这种模具挤压空心铝型材，成品率较高，模具易加工制造，生产操作简便，能生产各种高精度、高光洁表面的、形状复杂的薄壁空心铝型材和多孔空心铝型材，但在挤压中或挤压完毕时修模和清理残料较困难。
星形组合模适用于外形尺寸较大的空心铝型材，挤压力较分流模的小，铝型材成品率较高，残料清理也较容易，但模子加工较困难。
舌型模残料较长，铝型材成品率低，模具加工难度介于两者之间，但挤压阻力较小，且在挤压中或挤压结束时残料容易清理干净，修模方便，故多用于需要较高挤压力的品质要求较高的薄壁空心铝型材或硬合金军工铝材，表4—3—5列出了3种空心铝型材模的优缺点。
表4—3—5 3种空心铝型材模具的比较表
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模子种类 |
挤压工艺性 |
产品品质 (成品率) |
模子加 工难度 |
清理金属和修模 |
适用范围 |
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平面分流组合模 星形组合模 舌型模 |
一般 中等 良好 |
良好 良好 不好 |
易 难 中等 |
难 中等 易 |
所有空心制品 外形尺寸大的空心铝型材 硬合金高质薄壁空心铝型材 |
2)模孔在模子平面上的布置原则
(1)应考虑铝型材挤出模孔时在出料台上的稳定性，以防扭弯铝型材。
(2)装饰面不要与出料台直接接触，以防划伤表面。
(3)应考虑到靠近挤压筒中心的金属比靠近边缘的金属流动较快，所以铝型材的薄壁部分应尽可能靠近挤压筒中心。
(4)对于槽形铝型材，其模孔布置时应避免金属流动快慢不均而造成的舌头偏斜，引起铝型材壁厚不均。
(5)模孔最大外接圆与模子外径间的关系，见表4—3—6和表4—3—7。
3)分流孔的形状及其在模子平面上的布置
模子入料腔的数目、形状、大小及其在模子平面上的排列，对金属流动影响极大，应根据挤压筒的大小、产品形状、挤压产品的根数及其排列位置来确定人料腔的形状和数目。模腔的设计应保证模孔金属流动的均匀性，在保证模子强度的条件下，应尽量设计得大一些。分流孔的设计与布置见第3．5．3节。
4)模孔加工尺寸的确定
模孔外形尺寸=A0+ A0 (1.01%～l.02%)
式中 A0——铝型材外形的名义尺寸。
模孔壁厚尺寸=S0+ S0(1.01%～l.02%)+C
式中 S0——铝型材壁厚名义尺寸；
C——经验修正值。
5)模孔工作带的确定原则和方法
工作带厚薄是调整金属流动速度的关键因素，工作带设计不当，铝型材各部分流出模孔的速度就不均匀，挤压出的制品就会产生扭拧、弯曲、平面间隙大等缺陷。为了合理给定工作带，应考虑影响工作带长度的两个主要因素。
第一，模孔排列位置对金属流动的影响，挤压时金属的流动特性是靠近挤压筒中心部位的金属流动快，远离中心的逐渐减慢。为此，如要使金属流动均匀，必须把中心部位的模孔工作带做得厚一些，远离中心处逐渐减薄。模孔工作带变化数值与挤压筒直径有关。
第二，铝型材壁厚对金属流速的影响。铝型材壁厚越大即模孔尺寸越大，则金属流动就越快，因此，为了调整流速，此处的工作带就应做得厚一些。
根据上述两个因素，模孔工作带可按如下公式计算：
L=t·Kl·K2 (4－3－15)
式中 L——工作带长度/mm；
t——铝型材厚度名义尺寸/mm；
Kl——模子材质强度系数(≈1．5～2．0)；
K2——模孔位置流速差之比。
(1)平面模模孔工作带长度的确定方法
①设计工作带长度时，以整个铝型材最难挤出(成形)部分为基准点，取该处工作带长度为成品厚度的l.5～2倍。以图4—3—39中的铝型材为例，该铝型材的壁厚为t，由于其宽度较大，两端部出料较难(见虚线部分)，故以此处作为设计工作带的基准点，取L=(1.5～2)t。
图4—3—39 实心铝型材工作带基准选取示意图
②与基准点相邻部位的工作带长度比基准点工作带长1 mm，见图4—3—39。③铝型材厚度相同部位，如其距离挤压筒中心的距离相等，工作带的长度应相等。
④由模子中心算起，每远离中心10 mm则其工作带应相应减少，参看图4—3—40及表4—3—8示出的数值。
图4—3—40 工作带长度与距中心的关系示意图
(a)——金属流速图；(b)——工作带长度的变化
表4—3—8 铝型材厚度及离中心距离与工作带长度对应关系
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铝型材厚度/mm |
离中心每相距l0mm工作带增减数值/mm |
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1.2 1.5 2.0 2.5 3.0 |
0.2 0.23 0.30 0.35 0.40 |
⑤其他情况相同时，工作带的长度与该处的厚度成正比。例如：t1=1 mm处工作带长L1，=2 mm，t2=1.5 mm处的工作带长度L2为3 mm。
⑥铝型材螺孔处，工作带应增加1 mm，(图4—3—41(a))，铝型材两边交接处有圆弧R的地方，工作带应增大1 mm(图4—3—41(b))。
⑦铝型材模孔的端部，因三面受阻，金属流速较慢，故此处的工作带应减少l mm，见图4—3—42的圆圈处。
图4—3—41 工作带长度增加示意图
(a)——螺丝孔处增加l mm；
(b)——圆弧处增加1 mm
(2)分流组合模模孔工作带长度的确定方法①桥底人料困难处工作带长度为铝型材厚度之两倍，即L=2t。靠近入料口处的模孔，因金 属流动较好，工作带应为2t+1 mm。
②铝型材空心部分工作带长度与通位长度L有关，见图4—3—43。
当L=15～20 mm时，工作带长度为2t + 1 + 0.5 mm；
L=21～30 mm时，工作带长度为2t + 1 + 1 mm；
L=30 mm以上时，按上述比例增加。
图4—3—42模孔端部工作带长度变化示意图
(虚线圆圈处工作带长度应减少)
图4—3—43分流组合模空心部位的工作带示意图
1——入料孔；2——工作带长等于2t；
3——工作带长等于2t+1
③与空心部分(通心部分)相接的实心模孔部分的工作带，与分流孔的大小、形状和分布有关，桥底及入料不直接流人的模孔工作带取3倍厚度加l mm，即L=3t+1 mm，入料直接流人的模孔工作带取厚度的4～5倍，即L=(4～5)t。
6)调整金属流速的特殊方法
(1)导流法。在模子工作端面上做一个深度15～20 mm的凹兜，将金属导入模孔并用合理设计导流孔的大小和形状来调节金属的流速。如对于槽形铝型材，常见的两种缺陷就可用导流法来解决，如图4—3—44所示。
(2)促流法。在模子工作端面做成各种不同的促流角，来调整金属的流速，如壁厚变化的楔形铝型材，在窄孔处促流角做得大一些，在宽孔处促流角做得小一些，但最大促流角不得大于45°，如图4—3—45所示。
(3)阻碍法。在模子工作带端面根据铝型材壁厚设计成不同的阻碍角，来调节金属流速。在挤压空心铝型材时容易出现凸起和凹下缺陷，可用如图4—3—46所示方法来修正。凸起缺陷削去A处，凹下缺陷削去B处。调节方法是消除阳模障碍。
图4-3-44用导流法来调整金属流速示意图
(a)——标准槽铝型材；(b)——凸起缺陷；(c)——凹下缺陷；(d)——导流模
图4—3—45用促流法调整金属流速示意图
图4—3—46用阻碍法调整金属流速示意图
7)空刀的设计
(1)对于一般铝型材模来说，空刀部位尺寸比模孔尺寸大3mm(单边l.5 mm)，对于小规格或薄壁铝型材，为了协调相关位置或为了增大模子的强度，空刀尺寸可减小到单边0.5～1 mm。
(2)为了防止铝型材与模壁相擦，空刀部分可采用3°～5°的锥形出口。
(3)铝型材的螺丝孔及毛条坑位后的空刀应适当减短。
(4)易堵模的铝型材，空刀部分应做成锥形。
(5)为保证铝型材能顺利通过模孔，模子空刀部分、模垫、模支承垫的尺寸一般按如下原则确定：
模子空刀尺寸=模孔尺寸+(1～3)mm；
模垫尺寸=模孔尺寸+(6～12)mm；
模支承垫尺寸=模孔尺寸+(10～20)mm。
对于民用建筑铝型材，平面模的厚度一般取25～30 mm，分流组合模的厚度由强度校核确定，一般而论取80～185 mm，导流模的厚度一般取l5～25 mm。
9)模子强度的校核
由于民用建筑铝型材品种繁多，形状复杂而且多系薄壁铝型材或空心铝型材，这给模具的结构选择和强度校核带来了一定的困难。为简化起见，将民用建筑铝型材模归纳为平面模和分流组合模来进行强度校核。
(1)平面模进行强度校核的主要有槽形模、双孔带板模和半空心铝型材模。一般情况下可用下述公式来计算：
（4－3－16）
式中 n——安全系数；
P——挤压机的最大比压；
B、B1——模子和模垫危险断面的宽度；
H、H1——模子和模垫的厚度；
F——模子受压面积；
[σb]、[σb’]——模子和模垫材料的许用强度。
以一个半空心铝型材为例计算强度。挤压机为17.6MN，挤压筒的比压P=760 MPa，[σb]=[σb’]=1150 MPa，H=38.1,H=38.1mm，Hl63.5 mm，B=9 mm，Bl12-(2×3.5)=5 mm。
所以，基本上是安全的。
(2)分流组合模的强度校核一般按下面公式计算：
（4－3－17）
式中 b、h——分别为分流组合模上模的桥宽和桥厚；
[σb]——模具材料的许用强度；
P——挤压筒最大比压；
F——模子受压面积。
以一个平面分流模为例计算强度。挤压机能力为17.6MN，挤压筒比压P=760 MPa，[σb]=1150 MPa，b=30 mm，h=40 mm。
10)模具的装配方式
日本宇部兴产株式会社设计制造的l6MN挤压最常用的模具装配方式见图4—3—47和图4—3—48。
11)模具的材料及硬度
民用建筑铝型材模具常用的材料及使用硬度如下：模子，材料3Cr2W8V，HRC为48～52；材料4CrMoSiVl，HRC为46～50。
模垫及其他模具组件，材料5CrNiM0、5CrNiW等，HRC=40～45。受力较大的模垫，应采用4Cr5MoSiVl钢，热处理后HRC为46～50。
图4—3—47实心模具装配图
1——模子；2——模垫；3——模套；4——模座；5——模后座；6——定位销
图4—3-48分流组合模装配图
1——阳模；2——阴模；3——模套4——模座；5——模后座；6——定位销
