铝挤压件的设计看上去非常简单，没有什么难度。
“就那么一个简单的断面，能有什么高深的学问在那里？！”
这可能是绝大多数工程师对铝挤压件设计的看法。
这样看法的背后，是缺乏DFM思维方式：不考虑铝挤压件的质量、成本和生产效率等，把所有的责任都丢给铝挤压供应商。
我曾经也有这种看法，但是当我把全网络的铝挤压件相关知识学习了一遍之后，我不再这么想了。
适用于挤压成型的铝合金材料包括2XXX系列、6XXX系列和7XXX系列等，其中6XXX系列是应用最为广泛。
2.1 挤压件的尺寸大小
挤压件尺寸大小的测量方法是其外接圆直径(CCD)——完全包围挤压断面的最小圆的直径。轮廓的外切圆将决定它可以在多大的压力下被挤压。
大多数普通挤压件的直径小于8英寸（203.2mm），但少数挤出机能够生产出具有更大直径的挤压件，有些高达18英寸（457.2mm）。 当然，这就需要更大的模具，因此需要更大的挤压压力。而大型模具成本更高，生产时间更长。
2.2 尽量减小挤压件尺寸
大的挤压件要求更大的模具、更大的挤压机。而离挤压件模具中心越远，金属的流动越慢。
3.1 铝挤压的断面形状分类
铝挤压的断面形状分为三大类：
实体断面：产品成本低，模具成本低；
半中空断面：模具易磨损和断裂，产品成本和模具成本高
中空断面：产品成本和模具成本高，多孔产品模具成本最高
3.2 避免非对称和不平衡的断面
非对称和不平衡的断面形状增加挤压生产的复杂程度，同时容易发生质量问题：尺寸精度很难保证、平整度很难保证、零件在中心发生翘曲、生产效率低、大批量生产时模具易磨损。
▲非对称和不平衡的断面
如果铝挤压件的断面形状越不对称或不平衡，越难保证直线度、角度以及其它尺寸精度。
尽管不对称和不平衡的形状可以生产，但是在挤压加工时，金属不太容易流入狭窄和不规则的区域，于是容易产生变形或其它质量问题。
另外，即使可以挤压出非对称和不平衡的的形状，那么由于挤压速度较慢（需要以较慢的速度推动金属通过模具以避免断裂），模具加工成本和生产成本较高也就不足为奇了。
挤压件断面中侧边和通道的数量越多，精度也就越低，成本也就越高。
3.3 断面形状越简单越好
有的产品设计工程师通常在一个铝挤压件中设计过多的特征，虽然铝挤压件的独特优势就是在断面中加入孔、槽或螺钉凸台，但它会导致非常复杂的模具设计、或者根本不可挤压，生产成本非常高。
当挤压件的断面过于复杂时，可以考虑使用两个或多个零件进行挤压。
3.4 多孔中空断面优化为单孔中空断面
通过把多孔中空断面优化为单孔中空断面，可以简化模具结构和成本。
3.5 中空断面优化为半中空断面
通过把中空断面优化为半中空断面，可以简化模具结构和成本。
3.6 半中空断面优化为实体断面
通过把半中空断面优化为实体断面，可以简化模具结构和成本。
3.7 避免多孔的断面形状
多孔的端面，可以通过设计优化，以降低模具成本和加工生产难度。
3.8 使用多孔中空断面
规则是用来打破的，尽管多孔中空断面存在着模具复杂，加工困难等问题。但是有些时候，使用多孔中空断面是一个更好的选择。
4.1 壁厚大小
挤压件的壁厚大小与材料、形状及其外接圆直径(CCD)有关。
4.2 均匀的零件壁厚
为了确保断面形状的完整性并避免变形，挤出的材料应以均匀的速度离开模具。
与非对称形状一样，不均匀壁厚的挤压件可能难以生产，因为在壁厚的区域热铝在压力作用下快速通过，而在壁厚较薄的区域热铝缓慢地通过。
如果壁厚较薄的区域没有充分填充，整个断面可能在挤压过程中变形和扭曲。因此，需要尽量保证均匀的零件壁厚。
▲均匀零件壁厚
▲超级不均匀的零件壁厚
4.3 允许非均匀零件壁厚的设计
尽管均匀壁厚、形状尺寸对称、以及没有狭长特征的挤压件容易生产，生产成本低。
但是，非均匀壁厚在某些特定场合也具有一定的优势，例如增加零部件的局部强度等。只是需要明白，这会增加零件的成本。
有些时候，因为设计要求，允许存在不均匀的零件壁厚，但是零件成本会较高。
4.4 多孔中空断面中间处的壁厚
多孔中空断面中间处的壁厚较厚比较好，如果壁厚较薄，不利于填充，成本高。
5.1 避免锋利的尖角
挤压件外部锋利的尖角很难充电成型，需要添加圆角。
5.2 壁厚变化处通过圆角过渡
在壁厚变化的地方，通过圆角过渡。
5.3 壁与壁连接处圆角过渡
壁与壁的连接处，如果是尖角，那么在背面表面处容易出现挤压条纹，需要添加圆角使得其光滑过渡。
6.1 挤压的公差标准
在设计铝挤压件时，需要了解铝挤压工艺所能达到的制程能力，即铝挤压件尺寸所能达到的公差精度标准。
这些公差标准可以在美铝协会的Aluminum standards and data中可以找到，包括平面度、直线度等。
6.2 理解不同结构其尺寸精度的差异性
需要特别注意的是：不同形状、不同结构的挤压件其尺寸精度存在差异；即使是同一挤压件，其不同位置的尺寸精度也存在不同。
在产品设计时，需要考虑到这一特点，然后进行针对性的设计。
一个比较典型的例子是，实体断面的所能达到的尺寸精度比中空断面或半中空断面开口处所能达到的尺寸精度高。
6.3 避免严格的公差要求
公差标准中的公差适用于绝大多数的应用场合。有些时候，为了某些功能、外观、装配和可靠性等要求，可能需要要求更严格的公差。
而更严格的公差，则需要更精密的模具加工精度、更慢的挤出速率，有时不良率还会增加。
所以，严格的铝挤压件公差会增加产品成本。
因此，在设定公差时，避免严格的公差要求，仅仅时在不得已的情况下针对于产品功能、外观、装配和可靠性等有有关的尺寸设定精密公差，而其它区域则应当放大公差要求。
6.4 通过料带来提供尺寸精度
如图所示的半中空断面挤压件其底部开口之间的间隙如果要求精密的公差要求，则可以在产品设计时在开口处增加一料带，料带随同挤压件一同挤出。而料带与挤压件的连接处材料非常薄，可以通过后加工的方式进行去除。
通过这种方式可以保证开口处间隙的精度，不过显然会增加成本。
7.1 螺丝孔的设计
挤压件中可以设计螺丝孔。设计螺丝孔时，避免使用中空的断面设计，以简化模具结构和成本。
7.2 筋的设计
添加筋，以避免翘曲变形和保证尺寸精度。
7.3 合理设计鳍的高度与间隙的比值
对于类似散热片的结构，需要合理设计鳍的高度与间隙的比值，以减少挤出难度。
鳍的高度与间隙的比值过高时，一旦超过4:1的比例，推动金属通过间隙所需的压力变大，超过模具所能承受的强度极限，容易造成模具断裂和损坏、同时零件尺寸精度很难保证、鳍变形和生产效率低等。
例如，对于绝大多数的铝散热器来说，鳍的高度与间隙的比值一般都会比较高，这通常会产生以下问题：因为底部填充比鳍快，这容易导致表面变得波浪状很难保证尺寸精度。对模具的额外压力导致模具断裂为了减少模具破损，生产必须运行得太慢，导致成本和生产时间增加。
▲铝散热器
7.4 考虑外观不良
考虑到可能存在的外观不良，可以在对应表面处预先设计一些装饰特征。
作者简介：钟元，著有书籍《面向成本的产品设计：降本设计之道》和《面向制造和装配的产品设计指南》
只顾埋头画图、不抬头看路的工程师，
和一边画图、一边思考的工程师，
注定是截然不同的职场命运。
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