鋁擠壓件的設(shè)計(jì)看上去非常簡單，沒有什么難度。

　　“就那么一個(gè)簡單的斷面，能有什么高深的學(xué)問在那里？”

　　這可能是絕大多數(shù)工程師對鋁擠壓件設(shè)計(jì)的看法。

　　這樣看法的背后，是缺乏DFM思維方式：不考慮鋁擠壓件的質(zhì)量、成本和生產(chǎn)效率等，把所有的責(zé)任都丟給鋁擠壓供應(yīng)商。

　　我曾經(jīng)也有這種看法，但是當(dāng)我把**絡(luò)的鋁擠壓件相關(guān)知識學(xué)習(xí)了一遍之后，我不再這么想了。

　　適用于擠壓成型的鋁合金材料包括2XXX系列、6XXX系列和7XXX系列等，其中6XXX系列是應(yīng)用*為廣泛。

　　2.1 擠壓件的尺寸大小

　　擠壓件尺寸大小的測量方法是其外接圓直徑(CCD)——完全包圍擠壓斷面的*小圓的直徑。輪廓的外切圓將決定它可以在多大的壓力下被擠壓。

　　大多數(shù)普通擠壓件的直徑小于8英寸（203.2mm），但少數(shù)擠出機(jī)能夠生產(chǎn)出具有更大直徑的擠壓件，有些高達(dá)18英寸（457.2mm）。 當(dāng)然，這就需要更大的模具，因此需要更大的擠壓壓力。而大型模具成本更高，生產(chǎn)時(shí)間更長。

　　2.2 盡量減小擠壓件尺寸

　　大的擠壓件要求更大的模具、更大的擠壓機(jī)。而離擠壓件模具中心越遠(yuǎn)，金屬的流動(dòng)越慢。

　　3.1 鋁擠壓的斷面形狀分類

　　鋁擠壓的斷面形狀分為三大類：

　　實(shí)體斷面：產(chǎn)品成本低，模具成本低；

　　半中空斷面：模具易磨損和斷裂，產(chǎn)品成本和模具成本高

　　中空斷面：產(chǎn)品成本和模具成本高，多孔產(chǎn)品模具成本*高

　　3.2 避免非對稱和不平衡的斷面

　　非對稱和不平衡的斷面形狀增加擠壓生產(chǎn)的復(fù)雜程度，同時(shí)容易發(fā)生質(zhì)量問題：尺寸精度很難保證、平整度很難保證、零件在中心發(fā)生翹曲、生產(chǎn)效率低、大批量生產(chǎn)時(shí)模具易磨損。

　　▲非對稱和不平衡的斷面

　　如果鋁擠壓件的斷面形狀越不對稱或不平衡，越難保證直線度、角度以及其它尺寸精度。

　　盡管不對稱和不平衡的形狀可以生產(chǎn)，但是在擠壓加工時(shí)，金屬不太容易流入狹窄和不規(guī)則的區(qū)域，于是容易產(chǎn)生變形或其它質(zhì)量問題。

　　另外，即使可以擠壓出非對稱和不平衡的的形狀，那么由于擠壓速度較慢（需要以較慢的速度推動(dòng)金屬通過模具以避免斷裂），模具加工成本和生產(chǎn)成本較高也就不足為奇了。

　　擠壓件斷面中側(cè)邊和通道的數(shù)量越多，精度也就越低，成本也就越高。

　　3.3 斷面形狀越簡單越好

　　有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師通常在一個(gè)鋁擠壓件中設(shè)計(jì)過多的特征，雖然鋁擠壓件的獨(dú)特優(yōu)勢就是在斷面中加入孔、槽或螺釘凸臺(tái)，但它會(huì)導(dǎo)致非常復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)、或者根本不可擠壓，生產(chǎn)成本非常高。

　　當(dāng)擠壓件的斷面過于復(fù)雜時(shí)，可以考慮使用兩個(gè)或多個(gè)零件進(jìn)行擠壓。

　　3.4 多孔中空斷面優(yōu)化為單孔中空斷面

　　通過把多孔中空斷面優(yōu)化為單孔中空斷面，可以簡化模具結(jié)構(gòu)和成本。

　　3.5 中空斷面優(yōu)化為半中空斷面

　　通過把中空斷面優(yōu)化為半中空斷面，可以簡化模具結(jié)構(gòu)和成本。

　　3.6 半中空斷面優(yōu)化為實(shí)體斷面

　　通過把半中空斷面優(yōu)化為實(shí)體斷面，可以簡化模具結(jié)構(gòu)和成本。

　　3.7 避免多孔的斷面形狀

　　多孔的端面，可以通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，以降低模具成本和加工生產(chǎn)難度。

　　3.8 使用多孔中空斷面

　　規(guī)則是用來打破的，盡管多孔中空斷面存在著模具復(fù)雜，加工困難等問題。但是有些時(shí)候，使用多孔中空斷面是一個(gè)更好的選擇。

　　4.1 壁厚大小

　　擠壓件的壁厚大小與材料、形狀及其外接圓直徑(CCD)有關(guān)。

　　4.2 均勻的零件壁厚

　　為了確保斷面形狀的完整性并避免變形，擠出的材料應(yīng)以均勻的速度離開模具。

　　與非對稱形狀一樣，不均勻壁厚的擠壓件可能難以生產(chǎn)，因?yàn)樵诒诤竦膮^(qū)域熱鋁在壓力作用下快速通過，而在壁厚較薄的區(qū)域熱鋁緩慢地通過。

　　如果壁厚較薄的區(qū)域沒有充分填充，整個(gè)斷面可能在擠壓過程中變形和扭曲。因此，需要盡量保證均勻的零件壁厚。

　　▲均勻零件壁厚

　　▲超級不均勻的零件壁厚

　　4.3 允許非均勻零件壁厚的設(shè)計(jì)

　　盡管均勻壁厚、形狀尺寸對稱、以及沒有狹長特征的擠壓件容易生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低。

　　但是，非均勻壁厚在某些特定場合也具有一定的優(yōu)勢，例如增加零部件的局部強(qiáng)度等。只是需要明白，這會(huì)增加零件的成本。

　　有些時(shí)候，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求，允許存在不均勻的零件壁厚，但是零件成本會(huì)較高。

　　4.4 多孔中空斷面中間處的壁厚

　　多孔中空斷面中間處的壁厚較厚比較好，如果壁厚較薄，不利于填充，成本高。

　　5.1 避免鋒利的尖角

　　擠壓件外部鋒利的尖角很難充電成型，需要添加圓角。

　　5.2 壁厚變化處通過圓角過渡

　　在壁厚變化的地方，通過圓角過渡。

　　5.3 壁與壁連接處圓角過渡

　　壁與壁的連接處，如果是尖角，那么在背面表面處容易出現(xiàn)擠壓條紋，需要添加圓角使得其光滑過渡。

　　6.1 擠壓的公差標(biāo)準(zhǔn)

　　在設(shè)計(jì)鋁擠壓件時(shí)，需要了解鋁擠壓工藝所能達(dá)到的制程能力，即鋁擠壓件尺寸所能達(dá)到的公差精度標(biāo)準(zhǔn)。

　　這些公差標(biāo)準(zhǔn)可以在美鋁協(xié)會(huì)的Aluminum standards and data中可以找到，包括平面度、直線度等。

　　6.2 理解不同結(jié)構(gòu)其尺寸精度的差異性

　　需要特別注意的是：不同形狀、不同結(jié)構(gòu)的擠壓件其尺寸精度存在差異；即使是同一擠壓件，其不同位置的尺寸精度也存在不同。

　　在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到這一特點(diǎn)，然后進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。

　　一個(gè)比較典型的例子是，實(shí)體斷面的所能達(dá)到的尺寸精度比中空斷面或半中空斷面開口處所能達(dá)到的尺寸精度高。

　　6.3 避免嚴(yán)格的公差要求

　　公差標(biāo)準(zhǔn)中的公差適用于絕大多數(shù)的應(yīng)用場合。有些時(shí)候，為了某些功能、外觀、裝配和可靠性等要求，可能需要要求更嚴(yán)格的公差。

　　而更嚴(yán)格的公差，則需要更精密的模具加工精度、更慢的擠出速率，有時(shí)不良率還會(huì)增加。

　　所以，嚴(yán)格的鋁擠壓件公差會(huì)增加產(chǎn)品成本。

　　因此，在設(shè)定公差時(shí)，避免嚴(yán)格的公差要求，僅僅時(shí)在不得已的情況下針對于產(chǎn)品功能、外觀、裝配和可靠性等有有關(guān)的尺寸設(shè)定精密公差，而其它區(qū)域則應(yīng)當(dāng)放大公差要求。

　　6.4 通過料帶來提供尺寸精度

　　如圖所示的半中空斷面擠壓件其底部開口之間的間隙如果要求精密的公差要求，則可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)在開口處增加一料帶，料帶隨同擠壓件一同擠出。而料帶與擠壓件的連接處材料非常薄，可以通過后加工的方式進(jìn)行去除。

　　通過這種方式可以保證開口處間隙的精度，不過顯然會(huì)增加成本。

　　7.1 螺絲孔的設(shè)計(jì)

　　擠壓件中可以設(shè)計(jì)螺絲孔。設(shè)計(jì)螺絲孔時(shí)，避免使用中空的斷面設(shè)計(jì)，以簡化模具結(jié)構(gòu)和成本。

　　7.2 筋的設(shè)計(jì)

　　添加筋，以避免翹曲變形和保證尺寸精度。

　　7.3 合理設(shè)計(jì)鰭的高度與間隙的比值

　　對于類似散熱片的結(jié)構(gòu)，需要合理設(shè)計(jì)鰭的高度與間隙的比值，以減少擠出難度。

　　鰭的高度與間隙的比值過高時(shí)，一旦超過4:1的比例，推動(dòng)金屬通過間隙所需的壓力變大，超過模具所能承受的強(qiáng)度極限，容易造成模具斷裂和損壞、同時(shí)零件尺寸精度很難保證、鰭變形和生產(chǎn)效率低等。

　　例如，對于絕大多數(shù)的鋁散熱器來說，鰭的高度與間隙的比值一般都會(huì)比較高，這通常會(huì)產(chǎn)生以下問題：因?yàn)榈撞刻畛浔撒捒?，這容易導(dǎo)致表面變得波浪狀很難保證尺寸精度。對模具的額外壓力導(dǎo)致模具斷裂為了減少模具破損，生產(chǎn)必須運(yùn)行得太慢，導(dǎo)致成本和生產(chǎn)時(shí)間增加。

　　▲鋁散熱器

　　7.4 考慮外觀不良

　　考慮到可能存在的外觀不良，可以在對應(yīng)表面處預(yù)先設(shè)計(jì)一些裝飾特征。

　　作者簡介：鐘元，著有書籍《面向成本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)：降本設(shè)計(jì)之道》和《面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)指南》

　　只顧埋頭畫圖、不抬頭看路的工程師，

　　和一邊畫圖、一邊思考的工程師，

　　注定是截然不同的職場命運(yùn)。

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