铝门窗型材结构设计应注意的几个问题
铝是地壳中含量最丰富的金属元素,约占8.3%，是可再生资源。特别是6XXX系合金质量轻，可塑性好，装饰性丰富，可做阳极氧化、电泳、粉未喷涂、氟碳漆喷涂等表面处理，是理想的建筑门窗型材之一.门窗做为建筑的外围构件既要满足它的功能性,同时还要体现它对建筑的装饰功能.所以门窗型材的截面设计包含内容较多,本文就门窗型材截面设计时应考虑的因素做简要说明.
门窗的基本功能是通风和采光,同时还要承受外界的风压和雨雪侵袭以及使用中开启、关闭力和自身重力。门窗在使用过程中是否安全，主要看它的承受风压的能力。同时其水密、气密性能、保温和隔音性能除了与密封材料结构、材质有关外，还要考虑五金件槽口适配性、挤压工艺的可行性，建筑内外的装饰性、组装的合理性、自身的安全性和经济性等内容。这些内容侧重点不同，但是相辅相成，缺一不可。下面主要从型材设计时：对五金槽口、力学性、工艺性、组装性注意事项做些交流。
1.铝门窗五金件槽口设计：
五金件是门窗的心脏，与型材的适配性尤其重要，铝合金平开门窗常用的五金槽口有：平槽、C型槽和U型槽。
1. 平槽
2. C槽
3. U槽
1.1 平槽主要外开窗和外悬窗，五金件主要是滑撑，其框和扇装配尺寸一般在16.5--17.5mm之间。
1.2 C型槽口基本宽度为15 / 20毫米，由于在形状象字母“C”俗称为C槽。主要用于铝全金门窗，由于C槽是依靠不锈钢顶丝和不锈钢衬板与五金槽口夹紧来保障五金件的安装牢固。不锈钢顶丝受力后会在型材表面产生约0.5—1.0mm的局部变形使不锈钢钉与铝型材紧密的结合在一起确保合页在受力后不产生位移。
在槽口设计时， 有几个关健尺寸需注意：
1.2.1 图1所示的X,Y尺寸，X尺寸一般在：10.5—12mm之间，从五金件设计的搭配关系看，此尺寸大于12.5mm防误器的操作不灵活或不起作用。Y尺寸一般大于或等于10mm,如果小于9mm，防误器无法安装。
图1
1.2.2图2所示，c槽20mm尺寸一般公差在：20+0.3mm,3+0.2/-0.1，为了保证五金件和传动杆在窗扇的c槽中灵活滑动，传动杆经过表面处理后的最大尺寸：19.7x2.7mm。开口处的尺寸15mm一般公差在：15+0.3mm。窗扇和窗框相距在X轴的尺寸A是安装五金件的空间尺寸，一般控制在11.5—12mm之间。
图2
1.2.3图3所示，窗扇的凸缘尺寸I最大为22mm,由此尺寸确定窗扇和窗框之间的搭接量为:5.5—6.0mm,窗扇通过五金件上部的拉杆和上下的合页固定在窗框型材的内表面,因此在窗扇和窗框X轴方向有合页通道空间尺寸：E，一般在3.5—5.0mm,合页通道尺寸为3.5mm时，五金件承受窗扇的重量为90kg,为5mm时，五金件承受窗扇重量可达到130kg。
图3
1. 2.4, 图4所示，窗扇中部的隔热T形条禁止高出C槽表面线。
图4
1.2.5 图5所示，窗框型材B尺寸，用于安装锁块，为了使锁块的规格统一，将尺寸规范为两种槽口V0.1和V0.2，V0.1开口尺寸为12—14mm,适用于厚度较大的型材断面，V.02开口尺寸为9.7---11.5mm适用厚度较小的型材断面。
图5.
2. U型槽口基本宽度：12.2 / 16.2mm,在欧洲是针对塑料门窗和木门窗的专用槽口。由于U槽五金价格比C槽五金价格低30—40%，所以就有厂家把塑钢窗的五金槽口移植到铝合金门窗上，就出现了现在的铝门窗用U槽口。
2.1 U型槽口五金件采用自攻螺钉连接方式安装，当自攻螺钉承受由门窗开关所产生的纵向剪切力时，由于自攻钉的硬度大于铝合金型材，自攻钉就会破坏铝合金型材，造成安装钉孔扩大，长期使用五金件的螺钉连接就会出现脱扣。
2.2 U型槽五金的材质为钢，当五金通过钢制自攻钉连接到铝型材上，当受到雨水和潮湿空气侵蚀时会发生明显的电化反应影响螺钉的连接强度，破坏门窗的防水构造。出于安全考虑不赞成铝合金门窗使用U槽五金。
3.铝门窗型材设计的力学性
3.1 型材设计应参照的标准：
1主要受力杆件：立面内承受并传递门窗自身重力及水平风载荷等作用力的中横框、中竖框、扇挺等主型材，以及组合门窗拼樘框型材。 (GB T8478-2008)
2主型材：组成门窗框、扇杆件系统的基本构架，在其上装配开启扇或玻璃、辅型材、附件的门窗框和扇挺型材，以及组合门窗拼樘框型材。 (GB T8478-2008)
3辅型材：门窗框、扇杆件系统中，镶嵌或固定于主型材杆件上，起到传力或某种功能作用的附加型材(如玻璃压条、批水条等)。 (GB T8478-2008)
4 型材壁厚要求：(GB T8478-2008)
外门窗框、扇、拼樘框等主要受力杆件所用主型材壁厚应经设计计算或试验确定。主型材截面主要受力部位基材最小实测壁厚，外门不应低于2.0mm；外窗不应低于1.4mm。
基材：指表面未经处理的铝合金建筑型材。(GB 5237.1-2008)
除压条、压盖、扣板等需要弹性装配的型材之外，型材最小公称壁厚应不小于1.2mm。 (GB 5237.1-2008)
5 .铝合金门窗工程用铝合金牌号一般为：6063、6060、6061等6系合金，其供货状态、化学成份、力学性能、尺寸允许偏差应符合国家标准：《铝合金建筑型材 第1部分：基材》GB/T5237.1规定。型材截面尺寸允许偏差可选用普通级或高精级，有配合要求的选用高精级或超高级。
3.2.型材的力学设计主要针对门窗的受风荷载的部位，一般门窗的主要受力部位为框梃、中挺，在受力分析时应选择竖梃和横梃作为校核依据。
3.3 在型材设计过程中应按等强度设计，对于型材作用集中的部位必须考虑加固或加强的可能性。
3.4型材截面设计还要结合实际使用条件，如型材连接、五金安装、成品安装等确定局部强度。
4.型材设计经济性
4.1在型材外轮廓尺寸、惯性矩一定的条件下,型材断面的设计应优先考虑降低材料成本.
4.2根据型材的使用功能,在保证性能的前提下,合理减少玻璃槽口的壁厚 .利用斜角，降低打胶难度，增加胶的粘结面积，提升玻璃与型材粘结强度。
4.3 在断面设计时,充分了解装配关系和生产工艺,提高组装效益,降低生产难度.降低门窗的生产综合成本。
原设计
优化后 优化后对比。
5 铝型材设计的组装性
型材截面设计要充分考虑其组装的可能性，型材实际尺寸与理论设计尺寸之间总会有差异，准确判断并运用这些差异是保障型材装配的关键。
5.1:根据配合方式减小配合接触面，以保证配合顺畅。
5.2分析型材的弹性变形，结合使用长度、配合方式以及表面处理方式，预留合理的配合间隙 。
6 铝型材设计的工艺性
首先要符合挤压、生产工艺。 考虑型材外形、腔体结构是否对模具寿命影响， 要确保后续加工便利(钻孔是不是有台阶，薄壁盲孔是不是有加厚等等)。
6.1、挤压比合理 挤压比为30-80时型材质量和生产条件最佳。型材性能要求越高挤压比越大同时生产难度越大。
注：挤压比=盛锭筒断面积/型材断面积。
6.2、避免大尺寸平板结构
在设计大尺寸平板结构型材时，要考虑由于自重作用使中间部位产生凹陷，或因平板截面过大导致平面度恶化，因此，可以中间位置设计加强筋以保证平面度及型材成形度。
6.3、避免型材壁厚急剧变化
从经济性方面考虑， 减小壁厚对节约原材料、降低成本是很重要的一个方面，但是，随着局部壁厚的减薄，型材表面容易产生骨影、分色条纹缺陷，同时平面度、扭拧度、弯曲度都会恶化，因此，在设计型材截面时我们可以考虑以斜面过渡。
表面会产生阴影、分色条纹缺陷
6.4、型材结构合理
应尽量避免由于型材结构原因造成的模具悬壁梁过大，否则会导致模具设计制造困难、使用寿命缩短，从而造成型材成本增加。通常悬壁梁舌比应≤3(高倍≥5难做)。
注：舌比是通孔型材空心部份面积与开口部份尺寸的平方的比值
6.5、铝型材毛条口或胶条口钉位壁厚合理
当铝型材截面外接圆≤150mm，胶条、毛条槽口钉位壁厚X≥1.0mm：当型材截面外接圆≥150mm，槽口钉位壁厚X≥1.2mm。
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6.6 避免表面处理后型材无法装配
在型材断面设计前，须确定后续的表面处理方式，因为表面处理工艺直接影响尺寸的变化,喷粉/漆会使产品开口变小，内腔变窄，而氧化则相反;所以在设计时要考虑材料留出余量。
6.7 螺丝孔设计合理
1:螺丝孔内径D大于3mm，以确保模具强度，模具芯头不易损坏
2:螺丝孔开口A按60度设计，以保证模具强度
3:螺丝孔壁厚T1与相连接部位壁厚T均匀，以保证表面质量
4:螺丝孔应紧贴型材内壁，尽量避免悬空或拉筋
6.8、尺寸公差要符合标准
公差制定要充分考虑现场实际生产能力，因铝挤型是在热压状况下成型出模的，产品的公差相对胶件，五金件要大。一般门窗、幕墙型材按GB5237.1高精级控制，一般工业型材按GB/T14846高精级控制，特殊装配位置可按超高精级控制。
6.9 合理型材工艺圆角
1:挤压型材做不到绝对的尖角，设计上的尖角棱线铝型材会有R0.2左右的圆角，经后续的抛光，氧化，喷漆等工艺，圆角会达到R0.3左右.所以，型材最小圆角按R0.3设计。
2:型材腔体内拐角处最好不要设计成直角或锐角，因为型材上凸起的拐角，反映在模具上是凹槽，凹下的缺口使得模具容易磨损坏，所以在拐角处尽可以增大尖角倒圆半径。
门窗型材截面设计，不仅要对门窗生产工艺，加工设备、相关标准、五金装配尺寸有深入的了解，还要兼顾构件的力学性，型材间的装配关系，同时还要熟悉铝合金型材生产工艺和模具技术，对技术人员的综合素质要求较高。门窗美化着我们生活环境，是造福后代的行业，值得我们去不断学习。现阶段，随着各地门窗标准的提高，对门窗性能提出了更高的要求，只有引入标准化和系统化，结合新工艺、新材料不断创新，才能生产出符合客户需求的高品质的门窗产品，满足当今建筑绿色、环保的要求。
