什麼是鋁擠型？
鋁擠型是一種塑性變形方法，將預熱至350-500℃的鋁合金坯料放入擠壓機的容器中。施加壓力，迫使坯料從模具的開口（模具）流出，使鋁坯發生定向塑性變形。此工藝可生產具有所需橫截面形狀、尺寸和特定機械性能的零件或半成品。
擠壓的過程就像擠牙膏一樣。
在此過程中，鋁合金發生塑性流動和截面重塑：
- 坯料內部的金屬顆粒沿著模腔方向移動。
- 穀粒被拉長並重新排列。
- 透過變形強化可以提高材料的機械性質。
對於複雜的空心型材，例如圖中所示的汽車防撞梁，鋁坯在壓力作用下被分成多股金屬流。這些金屬流透過孔洞匯聚到焊接室。它們在高溫、高壓和高真空條件下進行二次焊接，最終從芯軸和模具開口之間的間隙流出。這樣就形成了符合所需尺寸和性能的管狀或中空型材。如果需要彎曲，則在下游設備中添加彎曲工具。
擠壓模具
身為產品結構設計工程師，雖然我們不直接設計鋁擠型模具，但了解最基本的模具結構及其形成不同擠壓型材的機制至關重要。這些知識有助於優化設計，降低模具成本，提高擠壓件的生產效率。
什麼是擠出模具？
擠壓模具本質上是一個厚實的圓形鋼盤，上面有一個或多個開口，用於形成所需的型材。它們通常由H13工具鋼製成，並經過熱處理，以承受熱鋁通過模具時的壓力和高溫。雖然鋁是一種相對較軟的金屬，但要將實心鋁錠（鋁坯）擠壓通過薄而多孔的鋁擠壓模具，形成所需的形狀，仍然需要相當大的壓力。
模具分類
根據鋁擠壓件的橫截面形狀，相應的模具分為3種類型：
- 實心模具
- 半空心模具
- 空心模具
其中，空心模結構最複雜，容易磨損斷裂，成本最高。
鋁擠型材料
適用於擠壓成型的鋁合金材料包括2XXX、6XXX和7XXX系列。其中，6XXX系列因其性價比高而應用最為廣泛。
5XXX系列鋁材：主要為5052型鋁材。這類鋁材具有優異的耐腐蝕性，但強度較低。它們適用於低應力、高耐腐蝕性的應用，常見於建築業。
6XXX系列鋁合金：主要包括6061、6063、6005和6082。它們含有鎂和矽元素，具有良好的擠壓性能。經T6熱處理後，強度適中，成本較低。此系列鋁合金是新能源汽車（NEV）中最常用的擠壓材料。
範例 1 ：馬達外殼採用 6061 鋁合金擠壓成型，形成複雜的橫截面，並整合冷卻通道。 6061 鋁合金還具有更好的散熱性能（導熱係數為 201 W/m·K）。
7XXX系列鋁合金：主要指7075鋁合金。它們具有極高的強度。由於需要更高的壓力和更精密的模具，擠壓成型難度較高。它們適用於對強度要求極高的零件，例如圖中所示的汽車用鋁合金擠壓件。
鋁擠型的優點
尺寸精度高
不同的鋁合金生產製程會產生不同程度的精度。對於真空壓鑄結構件，由於熱處理引起的收縮和變形，尺寸偏差通常較大，有時可達1-3毫米。相較之下，鋁擠壓製程通常能獲得更高的截面尺寸精度，尺寸更穩定，也更容易控制。
憑藉高精度的模具加工和改質技術，汽車用鋁擠壓型材能夠完全滿足眾多汽車產品的尺寸精度要求。僅擠壓型材截面形狀的尺寸精度通常就能滿足產品設計要求，尺寸精度可控制在1mm以內。因此，就尺寸精度而言，鋁擠型是一種成熟、優越且具競爭力的製程。
減少生產步驟
由於鋁擠壓型材可以具有複雜多樣的橫截面，且壁厚設計具有很高的自由度，因此擠壓成型的毛坯件可以達到很高的尺寸精度。這最大限度地減少了設計零件的數量以及從擠壓坯料到最終成品的製造步驟。這些零件只需經過切割、鑽孔、沖壓、機械加工和彎曲等工序即可交付使用。如果需要調整機械性能，還可以添加熱處理過程。
優異的導熱性
鋁材廣泛應用於汽車的冷卻和加熱系統中，用於熱傳遞。與其他大多數金屬材料相比，鋁合金具有更高的單位重量導熱係數。例如，電動驅動橋控制器中的散熱器、車輛前端的冷卻模組以及空調系統的冷凍水管道等都採用了鋁材。
鋁擠型材可製成中空形狀（管材），以避免或降低液體洩漏的風險。馬達外殼的冷卻水通道、水管接頭和電池組的冷卻水管均採用鋁擠型材。此外，對於有電磁相容性 (EMC) 要求的領域，無縫鋁型材可提供出色的屏蔽性能。
連接和組裝簡便
鋁合金零件可採用多種連接方式，例如焊接、摩擦攪拌焊接 (FSW)、機械連接（包括 FDS 和 SPR）、黏接、嵌入和卡扣連接。這些方法均適用於將鋁型材與其他材料連接。對於組裝而言，使用螺栓固定與其他零件提供了豐富靈活的選擇。
生產週期短
鋁擠型在較短的開發週期中具有顯著優勢，無論是小批量生產的「測試車」和軟模具零件，還是大批量生產的硬模具零件。
- 對於簡單的鋁擠型材，從開模到零件生產的週期僅需 1 至 2 週。
- 即使對於一些橫斷面複雜的大型汽車鋁擠壓型材，如馬達外殼和門檻梁，開模週期也僅需約 4 週。
- 相比之下，鑄造和沖壓零件的模具開啟週期通常為 4 至 16 週。
- 儘管快速原型製作可以通過… 3D印刷 金屬粉末燒結製程雖然單件生產週期較短，但成本較高。有時，它們無法滿足零件數量或性能要求。
低晶片成本
一套鋁型材擠壓模具的成本從幾千美元到幾萬美元不等。與鑄造和沖壓模具所需的數十萬甚至數百萬美元相比，這要便宜得多。對於原始設備製造商 (OEM) 而言，採用擠壓件可以節省大量的一次性投資成本，降低後續設計變更的成本，並提高設計的靈活性。
鋁擠型的挑戰
模具設計與製造
對於截面複雜的模具，必須精確計算金屬流動速率，以避免局部流動過快（導致開裂，例如在薄壁區域）或過慢（導致填充不足）。模具加工精度需要達到0.01毫米，這會導致成本高。
尺寸精度
由於材料的熱脹冷縮以及擠壓速度的波動，零件容易出現尺寸偏差（例如，直線度誤差超過0.5mm/m）。這就需要透過拉伸和矯直進行校正，並進行後續加工。
表面質量
可能出現刮痕、殘留氧化皮和氣泡等缺陷。必須嚴格控製坯料表面品質和模具表面光滑度（粗糙度）（Ra小於0.8µm）。
大型零件的擠壓成型
諸如新能源汽車電池組外殼（長度超過 2 公尺）之類的零件需要大噸位擠壓機（超過 5000 噸），並且由於金屬流動不均勻而容易變形。
鋁擠型件的設計特點
擠壓件尺寸
擠壓件的尺寸是透過外接圓直徑（CCD）來評估。如圖所示，目標是盡可能減少CCD。
避免不對稱結構
橫斷面應對稱且簡單。不對稱和不平衡的橫截面形狀會增加擠壓生產的複雜性，並且容易出現品質問題：
- 難以保證尺寸精度。
- 難以確保平整度。
- 零件中心發生變形。
- 生產效率低。
- 模具在大規模生產過程中容易磨損。
室壁厚度
擠壓件的壁厚與材料、形狀及其外接圓直徑（CCD）有關。擠壓件的形狀也會影響壁厚設計。如圖所示（紅色代表管狀結構，藍色代表非管狀結構）[圖示CCD與最佳壁厚的關係，最適合的壁厚隨著CCD的增加而增加。
匹配
與其他零件（例如電池模組）的組裝公差應為0.1毫米。這可以防止因擠壓尺寸波動而導致的組裝困難。同時，部件的厚度尺寸公差應符合性能要求，並保留一定的設計裕量。
