铝挤压成型介绍（工艺、模具、优缺点和应用等）

导读：

1)为什么我要去研究铝挤压？对于大多数工程师来说包括我自己，最熟悉注塑和冲压，而对铝或者铝挤压就知之甚少。但我们看到的一个趋势是，铝或者铝挤压在各行各业的应用越来越多，使用铝挤压可以起到一个意想不到的降本以及减重等作用。

2) 只有充分了解了铝挤压成型的工艺、模具、特点和应用等相关知识，我们才有能力去设计铝挤压件，才能确保铝挤压件的质量高、成本低，这是做好DFM最关键一点。

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铝挤压工艺的定义

铝挤压成型（或铝挤出成型）是对放在模具型腔（或挤压筒）内的铝坯料施加强大的压力，迫使铝坯料产生定向塑性变形，从挤压模具的模孔中挤出，从而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。

铝挤压的原理类似于挤牙膏。

如图所示为铝合金汽车防撞梁及其挤压模具。铝锭在压力作用下，被分成几股金属流，经过分流孔进入焊合室，在焊合室汇集，在高温、高压、高真空的环境下又重新被焊合，最后通过模芯和模孔之间的间隙流出，从而形成符合尺寸及性能要求的管材或空心型材，如果需要弯曲就在后部设备增加弯曲工具。

▲铝合金汽车防撞梁及挤压模具

铝挤压成型的视频

（请关注同名公众号同名文章）

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铝挤压模具

对于产品结构设计工程师来说，尽管我们并不会去设计铝挤压模具，但是了解最基本的挤压模具结构、及其如何成型不同的挤压件轮廓形状的机理，这有助于在挤压件设计时通过优化的设计以降低模具成本和提高挤压件生产效率。

2.1 什么是挤压模？

挤压模具基本上是厚的圆形钢盘，包含一个或多个开口以形成所需的轮廓。它们通常由H-13模具钢制成，并经过热处理，以承受热铝通过模具时的压力和热量。

虽然铝看起来是一种非常软的金属，但要将实心铝锭(坯料)推过一个薄的多孔铝挤压模具以形成所需的形状，需要很大的压力。

2.1 挤压模的分类

根据铝挤压件的截面形状，其对应的模具分为三类：实心模具、半空心模具和空心模具。其中，空心模具的结构最为复杂，易磨损断裂，成本也最高。

▲实心铝挤压模具

▲空心铝挤压模具

▲半空心铝挤压模具

2.3 挤压模的寿命

铝挤压件设计时导致的热量积聚和压力不均匀（例如薄壁、不均匀壁厚和突出的特征）是挤压模具寿命的最大杀手。

有经验的挤出模具工程师可以设计模具来控制热量和不均匀的压力，并降低挤出速度以延长模具的寿命，但最终模具必须更换。

在设计铝挤压件之前，产品结构设计工程师应该了解哪些设计特征会最显地影响模具加工成本。在可能的情况下，改变铝挤压件断面的设计、设定恰当的公差以及选择合适的铝合金材料可以节省铝挤压模具的加工成本。

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铝挤压工艺的优点

1）持久耐用

铝的抗腐性、耐腐蚀性和耐候性是其最显著的优点之一。铝不需要额外处理就能自然生锈和耐腐蚀。这是由于在其表面存在一层薄的、自然形成的氧化铝保护膜。通过阳极氧化，其抗腐蚀变得更强。

例如，在室外环境中，可以进行25微米的阳极氧化，既增强了耐腐蚀性、有提高了表面光洁度。另外，铝不需要维护，在大多数情况下可以不用担心会腐蚀。

2）轻便结实

铝的重量比钢轻33%以上，同时保留了大部分强度。大多数铝合金的抗拉强度范围约为70-700兆帕，而密度比钢小三分之二。

产品设计工程师不用担心铝挤压零件的强度，在建筑行业和汽车行业一样等均可以作为结构件使用，是其他金属材料的最佳替代品。为了轻量化和减少能耗，汽车行业正在大幅使用铝合金。

▲铝挤出在奥迪A8车身中的应用（蓝色为铝挤出件）

3）导热性能好

铝的导热性能与铜极为相似，但重量却要轻得多。

铝是一种极好的导热体，铝挤压的轮廓设计可以最大化导热表面积和形成热通道。典型例子是电脑CPU散热器，铝用来CPU中带走热量。

4）外观时髦

挤压铝可以喷漆、电镀、抛光、以及阳极氧化，这给工程师提供了比其他材料更广泛的外观选择。

5）应用范围广

基本上任何断面形状均可以通过铝挤压成型，因此铝挤压的应用范围非常广，工程师可以设计不同的断面，以满足不同应用环境的要求。

6）容易二次加工

铝挤压件可以很容易地成型、切割、钻孔、加工、冲压、弯曲和焊接，以适应特定的目的。

7）模具加工周期短、费用低

铝挤压的模具简单，加工周期短、费用低。这是AEC关于铝挤压和其他工艺的对比，仅供参考。

▲资料来源：AEC

8）吸收冲击和变形

在建筑中，铝挤压件可以抵抗天气和建筑运动造成的变形。在交通运输工具中，可以吸收冲击能量。铝挤压件在负载下保持强度和灵活性，并从冲击中回弹。

▲铝挤出用于汽车中，可以吸收冲击能量

9）环保

铝是一种环保的材料、易于回收。

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铝挤压工艺的应用

铝是未来的金属，它不仅环保、重量轻、自然耐腐蚀、强度高，同时导热导电性能好。

铝协会AA和铝挤压机理会AEC报告称，铝挤压件在美国的使用已经连续第六年增长，现在占北美铝市场总量的近四分之一(22%)。

虽然建筑行业继续主导铝挤压的使用，但随着越来越多的工程师和设计师在使用铝挤压时了解到几乎无限的设计可能性，行业使用已经扩大。

以下是铝占据中心位置的七个行业:

1）航空和航天工业

铝从一开始就是航空航天市场的重要组成部分——莱特兄弟最初的型号在发动机中使用铝零件来减轻重量。今天，铝占现代飞机的75-80%，由于其重量轻但耐用的特点，经常被选择用于结构和发动机。铝也是许多航天器的主要部件之一。

2）运输行业

在比强度至关重要的运输行业，铝挤压件是汽车、轮船、卡车、铁路和地铁车辆的发动机缸体、变速器壳体、面板、车顶纵梁和底盘以及车辆车身和零部件的理想选择。

运输业是铝挤压件的第二大用户，并且在不断增长。从福特到奥迪再到梅赛德斯-奔驰，汽车工程师和设计师们一直在寻找用铝替代钢部件的方法，以提高燃油效率和性能。电动汽车也在广泛使用铝。

3）建筑产品行业

与钢不同，铝可以被挤压成复杂的设计，并被制造成符合严格的建筑产品规格，这有助于推动其在许多住宅和商业建筑产品中的应用。从窗户、门、中庭和天窗，到坡道、阳台和各种屋顶设计，建筑师们正在转向铝来建造绿色、可持续的建筑，这些建筑将经得起时间的考验。

4）消费品行业

自从铝挤压件首次被引入洗衣机和烘干机，它已经彻底改变了家用电器市场，使空调系统和冰箱比以往任何时候都更节能。如今，我们的许多日常用品，包括健身和运动器材以及家具，都采用了铝挤压件。

5）电子工业

今天，铝挤压件被用于许多电器和电子设备。鉴于其独特的导电性和导热性，定制铝型材通常用于电机外壳、高散热散热器和内部框架。在某些情况下，完整的产品外壳是用铝设计的，这可以在许多笔记本电脑、苹果iPhone和iPad以及高清电视上找到。

6）照明行业

由于铝的导热性，工程师能够设计出完整的挤压式发光二极管灯具，这些灯具可以传递和散热，从而实现最佳的热效率。此外，挤压模具相对便宜，铝挤压件易于切割、成型、弯曲、加工和阳极氧化或喷漆，因此非常适合高效照明。根据铝挤压机理会AEC分析，“铝挤压件在所有市场领域用于发光二极管灯具/外壳的增长潜力几乎是无限的……”

7）太阳能行业

谈到太阳能，正确安装和安装太阳能板对质量和性能至关重要。作为钢的一种经济有效的替代品，铝挤压件提供了抵抗自然因素(如雪和风)所需的强度，而不会增加重量，使其成为屋顶安装面板和建筑集成光伏(BIPV)系统的理想选择。

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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》