塑鋼型材結構對門窗五金設計的影響

孫繼超 王式泉 陳博

【摘要】在系統(tǒng)門窗越來越被大家接受的今天，門窗的研發(fā)逐漸被門窗廠家重視。門窗的生產(chǎn)由以往的簡單拼湊逐漸發(fā)展為各個元素的系統(tǒng)配合。作為門窗“靈魂”的五金，重要程度凸顯，它與門窗的適配性直接影響到門窗的啟閉功能和整體性能。本文主要討論未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材結構對五金設計和安裝的影響，論證在門窗五金研發(fā)過程中深入研究型材結構的必要性。

【關鍵詞】塑鋼；U槽；門窗五金；系統(tǒng)門窗；抗剪切力

塑鋼門窗早在20世紀五十年代末已經(jīng)在德國出現(xiàn)，我國從1983年才開始引進，在20世紀90年代末開始普及應用。因為單純用聚氯乙烯（PVC）型材加工的門窗強度不夠，通常在型腔內(nèi)添加增強型鋼（俗稱鋼襯）以增強門窗的強度，因此型材內(nèi)部添加鋼襯制作的塑料門窗通常被稱為塑鋼門窗。隨著塑鋼門窗的廣泛使用，用于制作塑鋼門窗的PVC型材習慣上被稱作塑鋼型材。

與鋁合金型材不同，塑鋼型材為了提升強度，除了使用根據(jù)型腔尺寸專門設計的增強型鋼之外還會在腔體內(nèi)部多個位置設計內(nèi)筋，內(nèi)筋的設計不僅提升了型材強度，甚至還會影響到五金的安裝效果。另外，塑鋼型材的材質(zhì)特點決定了五金的安裝不能像鋁合金型材那樣采用穿槽式，而是采用自攻釘螺接的方式，也正是因為如此，五金的設計應該考慮到安裝時是否能與增強型鋼有效連接，在沒有增強型鋼的部位也要盡可能與內(nèi)筋連接以提升安裝強度。因為自攻螺釘抗剪切能力相對較弱，五金設計時還應結合型材結構特點盡量減小五金使用過程中對自攻螺釘造成的剪切力。

下面我們就門窗五金在與塑鋼型材適配過程中的一些常見問題分析探討一下型材結構對門窗五金設計的影響。

1. 框上五金件用于提升安裝強度的結構設計

安裝于邊框的五金件，通常都是實現(xiàn)扇啟閉功能的關鍵部件，承受載荷的能力與精確的安裝位置都非常重要。歐標塑鋼平開門窗五金的框上件安裝主要是以寬度4mm的“鎖座定位槽”作為橫向定位，就拿普通的平開鎖座來說，鎖座的安裝大都是將自攻釘打入槽口位置，如圖1所示。根據(jù)塑鋼型材的結構特點，此處腔體內(nèi)無增強型鋼，鎖座的固定僅通過單層PVC型材壁進行連接，盡管該部位型材內(nèi)壁會設計專門的“螺釘定位結構”，但是仍不足以確保鎖座的持久穩(wěn)固，并且目前市場上普通的平開鎖座基本都是由一顆自攻釘連接，天長日久的啟閉操作和風壓影響，勢必會因鎖座的松動影響門窗的密封性能、抗風壓性能甚至安全性。在日常頻繁的外力作用下怎樣才能更好地確保五金功能完好呢？ 我們先從鎖座在使用過程中的受力情況進行分析。

大多數(shù)五金廠家的鎖座背面都會專門設計用于安裝的凸臺結構，當鎖座安裝之后，型材槽口的卡接可以大大提升鎖座承受載荷的能力，為了驗證該凸臺的作用，我們來看一下有凸臺和沒有凸臺的鎖座在經(jīng)受同等大小的門窗風壓時的變形量（位移）有限元分析（圖3、圖4），對比后我們發(fā)現(xiàn)凸臺結構的增加不僅對鎖座起到了有效的固定作用，而且也減小了自攻釘?shù)氖芰Γ蟠筇岣吡随i座安裝的穩(wěn)定性。

盡管凸臺結構卡接型材對鎖座有很好的固定作用，但是對于圖2中所示的三個方向的力，型材所起的固定作用卻很有限。我們知道鎖座的功能是與鎖點配合實現(xiàn)扇的啟閉，在這個過程中鎖座與鎖點摩擦產(chǎn)生的沿槽口方向的力F2、F3會對自攻釘產(chǎn)生較大剪切力，頻繁的受力很容易使自攻釘松動而導致鎖座的竄動。分解到F1方向的力更加不能忽視，它造成的影響是安裝質(zhì)量好壞的關鍵，甚至會影響到其他兩個方向的受力。為此有些五金廠家設計鎖座時刻意增加了螺釘孔數(shù)量，通過增加自攻釘數(shù)量并實現(xiàn)與增強型鋼的有效連接來提升鎖座安裝強度，但是受安裝空間、材料成本和產(chǎn)品設計風格等因素的影響，大多數(shù)五金廠家還是采用單螺釘安裝的鎖座，因此對于這種結構的鎖座，需要在結構設計、安裝工藝、輔料選用等方面進行改善和加強。

鎖座在使用過程中分解到F1方向的力所造成的影響基本上只能依靠自攻釘?shù)逆i緊來避免。我們知道該部位型材腔體內(nèi)無鋼襯，想通過螺釘與鋼襯連接來提升強度是行不通的，不過該部位型材內(nèi)部通常會設計內(nèi)筋，如果能使自攻釘打透腔體內(nèi)筋也可明顯提升鎖座安裝強度，那么安裝鎖座時采用多長的自攻釘才能打穿型材內(nèi)筋呢？JG/T176-2015 《塑料門窗及型材功能結構尺寸》中對塑鋼門窗型材腔體內(nèi)筋位置做了規(guī)定，在這里我們著重關注一下鎖座定位槽處的內(nèi)筋位置要求，該標準規(guī)定內(nèi)筋中心到鎖座定位槽口的尺寸為平開窗15～18.5mm、平開門18.5～24.5mm，如圖5、圖6所示。我們知道塑鋼鎖座的高度通常為8mm，去除自攻釘尖部的尺寸約5mm，由此我們可以通過計算得知平開窗和平開門安裝鎖座理想的自攻釘長度，分別為不小于31.5mm和不小于37.5mm，滿足這個尺寸的自攻釘才能打穿腔體內(nèi)筋，最大限度地提升鎖座的安裝強度。

提到型材內(nèi)筋我們稍微延伸一下，對于該部位型材內(nèi)筋的設計，其實更重要作用是增加型材的強度。這一作用單從型材結構上來看可能并不明顯，但是對于某些五金的安裝卻意義重大。下面我們以普通的平開門三維鉸鏈為例進行一下分析（圖7），平開門鉸鏈可以說承載了整個門扇的重量，并且在門扇啟閉過程中，鉸鏈的受力狀況是一個變化的過程，尤其是在門扇開啟到90°左右時，框型材極有可能在門扇強大的重力作用下發(fā)生局部變形，而此時腔體內(nèi)筋的支撐作用可以有效提升型材抗變形的能力。可以說一條看似不起眼的內(nèi)筋不僅改善了五金的安裝強度，而且大大提升了整個門窗的性能。

我們回到剛才的論述，在門窗啟閉過程中，怎樣才能減小F2、F3這兩個力造成的鎖座松動呢？根據(jù)試驗和市場應用情況來看，在背面卡接部位側面增加凸筋結構對于防止鎖座縱向竄動非常有效，如圖8所示。增加凸筋結構后的卡接部分寬度會略大于槽口尺寸（一般過盈約0.3mm），當自攻釘打入時凸筋部分會在力的作用下嵌入槽口的型材內(nèi)，另外因鎖座卡接部分存在拔模斜度的緣故，在自攻釘打入的過程中凸筋嵌入型材的程度是逐漸加深的，直至鎖座安裝到位。在鎖座的設計過程中，凸筋形狀和高度可根據(jù)卡接需求或者試驗數(shù)據(jù)進行調(diào)整；數(shù)量不能低于兩條，沿槽口方向對稱放置以避免造成安裝不正的現(xiàn)象；另外需要注意的是鎖座卡入槽口的部分只可單面設計凸筋，另一側光面用于鎖座橫向的定位，如圖9所示。類似的結構不僅在塑鋼框上五金件的設計中用到，在扇上件甚至鋁合金門窗五金的設計中都可以應用。

另外值得一提的是，在門窗五金設計中還有一種方式可以減小鎖點與鎖座之間的摩擦力，那就是在鎖點的圓柱結構基礎上增加轉套，將鎖點與鎖座的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大家都知道滾動摩擦比滑動摩擦的阻力要小得多。不過此種方式與凸筋結構相比會有一定的材料和人工成本增加。

2. 扇上五金件用于提升安裝強度的結構設計

下面我們以扇上件為例對該凸筋結構做進一步的說明，圖10為塑鋼中間鉸鏈扇上件，安裝于U槽內(nèi)的固定座側面也設計了凸筋，以防止其縱向竄動并減小該部位自攻釘?shù)募羟辛Α５巧刃筒呐c框型材五金件的安裝要求有所不同，槽口結構也有較大差異（見圖11）。U槽五金件均為居中安裝，因此該固定座應在卡入部分的兩側都設計凸筋，以確保卡入過程中兩側受力均衡；另外扇型材的U槽尺寸比框槽口大得多，且安裝于U槽的五金件（如平開鉸鏈）大多要承受較大的力，因此凸筋的過盈量尺寸設計應比鎖座大一些，通常在0.5mm左右為宜。

相對于框槽口而言，扇型材U槽的尺寸不僅寬度較大而且深度也比較大。對于五金件的安裝來說，槽口深度越大就意味著在五金件使用過程中自攻釘受力的力臂越長，也就說明在同等力的作用下自攻釘斷裂失效的可能性越大。因此針對U槽五金件自攻釘力臂較長的特點，應在產(chǎn)品設計過程中著重考慮。圖12為平開上鉸鏈扇上件局部的安裝示意圖，根據(jù)U槽標準尺寸和五金件的尺寸可以計算出自攻釘力臂部分的長度超過9mm，這對于自攻釘來說已經(jīng)很大了。

圖13為自攻釘受剪切力的有限元分析結果，從模擬的數(shù)據(jù)和應力變化情況可以看出，力臂部分與螺接部分交界的位置是應力最集中的地方，也就是最有可能斷裂的部位。

解決自攻釘力臂過長也就是降低剪切力的有效方式就是盡量消除自攻釘受力部分與螺接部分之間的空間，那么怎樣消除這部分空間呢？目前五金廠家常用的方式就是增加釘孔深度。下圖為市場上比較常見的兩款塑鋼平開鉸鏈，其中圓形標出的部位就是用于減小自攻釘力臂、增強其抗剪切能力的結構。圖14采用了鉚接壓鑄件的方式，效果相對來說更好一些，但是材料成本和人工成本較高；圖15采用了連桿端部進行折彎成型的方式，外觀比較簡潔、成本也相對較低，但是效果要稍差一些。至于采用哪種方式更適合，要根據(jù)產(chǎn)品承重要求、成本要求和加工能力來決定。總之，平開鉸鏈尤其是上鉸鏈，增強自攻釘抗剪切能力是產(chǎn)品設計的重點，因為自攻釘抗剪切能力增強就意味著鉸鏈承重能力的提升。

3. 門窗五金件用于提升安裝效率的結構設計

門窗五金的研發(fā)不僅要使產(chǎn)品實現(xiàn)更多的功能、適配更多的窗型、滿足更高的性能要求，還應該提高用戶的安裝效率為用戶節(jié)省安裝時間。常規(guī)的歐標門窗五金大部分是安裝于扇上的，因此扇上五金件在安裝時需要扣合、聯(lián)動的部件也相對較多，安裝也就相對繁瑣。

下邊我們以塑鋼內(nèi)平開下懸五金系統(tǒng)中的核心部件傳動器為例進行分析。內(nèi)平開下懸傳動器基本都是兩端帶齒結構，不同規(guī)格的傳動器都會適用一定的窗高范圍，在實際使用時根據(jù)窗高計算實際所需長度并截除部分齒條，截取后的傳動器兩端的齒條部分分別與其他部件的齒槽扣合以實現(xiàn)聯(lián)動功能。傳動器的安裝精度要求較高，需要在齒輪方孔與型材執(zhí)手孔位置對齊的前提下完成上下齒槽的扣合， 在現(xiàn)場安裝過程中往往會出現(xiàn)操作者找準位置并扣合齒條后放手取安裝工具時傳動器脫落，或者按壓傳動器的手不經(jīng)意的活動導致安裝位置發(fā)生變化，使之前的工作前功盡棄。

為了解決這一問題，大部分廠家的內(nèi)平開下懸傳動器會視長度不同在背部鉚接一個或多個固定塊（見圖16），固定塊寬度設計與槽口有一定過盈量，安裝時卡入U槽內(nèi)；不同廠家傳動器固定塊的大小和形狀各異但功能類似，材質(zhì)大都為鋅合金，也有部分廠家采用硬質(zhì)塑料。因為該固定塊一般都會放置在螺釘孔位置，因此也會起到上文中所述的減小螺釘剪切力、防止五金件竄動的作用，但是更主要的作用是利用其寬度上的過盈使傳動器在安裝前能夠便于定位。有些廠家在此基礎上進一步改進將該結構設計為倒鉤（見圖17），并應用于大部分U槽安裝的五金件（見圖18），使五金件定位更便捷和牢固，有利于安裝人員在安裝螺釘之前進行相關準備工作甚至進行初步的五金調(diào)試，有效提高了五金安裝效率。

通過以上闡述我們發(fā)現(xiàn)，五金的設計與型材結構、安裝方式是相互關聯(lián)的，其中任何一項被忽略都會使最終的門窗產(chǎn)品大打折扣。五金的設計不能僅滿足于實現(xiàn)五金的基本啟閉功能，應結合型材材質(zhì)、結構和工藝的特點，設計出包含結構、工藝、性能、安裝、使用壽命等條件均滿足要求的一整套解決方案。

五金與型材的研發(fā)不應該是獨立進行的，他們之間的互相影響和密切聯(lián)系充分說明了系統(tǒng)開發(fā)的必要性。一直以來，很多傳統(tǒng)的門窗從業(yè)者認為“五金是為型材服務的”，這些思想導致了傳統(tǒng)門窗行業(yè)的落后和長期存在的各種問題。未來五金和型材的研發(fā)不應該是先設計再配置，而應該是同時進行研發(fā)，這樣才能更加適配、才能有效避免出現(xiàn)短板。我們之所以認為五金是門窗的“靈魂”，是因為有了量身打造的五金，門窗才能真正活起來。

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（作者單位：亞薩合萊國強（山東）五金科技有限公司）

【中圖分類號】TU532.65

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）12-0048-04