汽车刹车盘模具设计.docx

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汽车刹车盘模具设计

汽车刹车盘金属型铸造模具的设计

绪论

随着我国铸造业的不断发展壮大，铸造模具的设计与制造也愈来愈受到人们的关注。

文章分析认为模具设计与制造专业（铸造模具方向）发展前景良好对这个专业的人才需求量也在不断增加。

但同学不能因为这个就对自己将来的就业定位很高，我们应该时时关注我们专业的各方面信息以备知道行业的技能需求从而随时提高自己的技能水平.本文立足于分析我国铸造模具行业的现状，针对问题提出对策，展望未来。

模具作为一种特殊的机械产品，模具行业作为一种特殊的机械行业，不能像其它机械行业＆机械产品那样，所研发制造的机械产品生产出来零部件或机械产品本省仅靠设计人员的理论设计就能基本保证最终所要达到的所需的功能和使用要求，也就是说，对于其它的大多数机械产品，如果加工过程能够完完全全全或尽可能到达设计的精度和要求，最终的产品和当初的设计目的是不会有太大的偏差，即完善的设计在加工条件的保证下就可以生产出完美的产品，同时，这类产品的设计理论依据经过几十年甚至在一些老牌资本主义国家上百年的不断研究与实际生产的互不发展下已经变得很成熟，很完善，很实用了，比如各种机床设备，动力设备等。

模具产品则不一样，由于无论是注塑、压铸类的高温流动成型还是常温下冲压类的塑性成型，尽管长的也有几十年研究与应用历史，由于基础理论和数学模型很不完善，不准确，也有还是存在很大的不确定性，特别是在我们国内，大多数还是要靠现场调试经验来支持，来尽可能使模具产品做到完善，生产出来的达到用户用户要求，所以在设计阶段，大多数目前只能做的工作，在整个模具制造过程和质量体系环节保证种，只能充当“粗加工环节”！

！

也就是通常所说的模具的好坏最终要靠靠钳工手艺，不同厂家模具产品最终的颠峰对决，可能就是模具钳工的一种技艺比武吧，而在这行里设计人员和前期的各序加工人员只能是给颠峰对决做配角。

铸造模具是指为了获得零件的结构外形，预先用其他轻易成型的材料做成零件的结构外形，然后再在砂型中放入模具，于是砂型中就形成了一个和零件结构尺寸一样的空腔，再在该空腔中浇注流动性液体，该液体冷却凝固之后就能形成和模具外形结构完全一样的零件了。

1铸造模具的历史：

中国铸造模具工业发展到今天，经历了一个艰辛的历程，直到1976年仍处在落后状态。

自1977年以来，由于我国机械、电子、轻工、仪表、交通等工业部门的蓬勃发展，对铸造模具的需求在数量上越来越多，质量要求越来越高，供货期越来越短。

因此，引起了我国有关部门对铸造模具工业的高度重视，将模具列为“六五”和“七五”规划重点科研攻关项目，派人出国学习考察，引进国外铸造模具先进技术，制定有关铸造模具国家标准。

通过这一系列措施，使得铸造模具工业有了很大发展，并在某些技术方面有所突破。

第二汽车制造厂采用新技术、新材料为日本五十铃厂制造了高质量的大型铸造模具，赢得了良好的国际信誉。

2模具设计与制造（铸造模具方向）发展前景分析：

1.市场需求

汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车工业重点是发展零部件，经济型轿车和重型汽车，汽车模具作为发展重点，已在汽车工业产业政策中得到了明确。

预计到2005年，我国汽车总需求量约为300万辆，因此，汽车模具市场巨大。

汽车基本车型在2000年约140种，2005年将达到170种，另有更新车型和改装车型430种。

一个型号的汽车所需模具几千副，其中铸造模具数百套。

随着我国进入世贸组织的临近，汽车行业将进入新一轮换型改造时期，特别是中、重、轻、轿型汽车，将以快节奏更新换代来迎接国际汽车市场的挑战。

挑战与机遇同在，进入世贸不仅仅是对我们汽车的挑战，与其密切相关的模具制造业首当其冲。

由此不难看出，铸造金属模具、精密压铸模具在未来铸造模具行业的发展趋势中，将扮演先锋角色。

2．技术要进一步完善

当前，我国工业生产的特点是产品品种多，更新快，市场仍处买方市场态势。

这种情况下，用户对产品包括模具制造的要求是“工期短、精度高、质量好、价格低”。

用户对铸造模具产品的苛刻，正是对厂家日益完善的压力。

确实是对铸造模具生产企业一个完整体系的考验。

（1）CAD／CAM／CAE一体化

当前多数铸造模具厂家依然采用老办法，设计、编程、工艺、加工、检查都是相对独立分开，独立考核、独立核算，而拉开大幕看市场，这方面，部分国企模具厂落伍了。

一些中小模具厂采取的是一条龙作业方式，从设计到编程直到加工出产品甚至售后服务均由一人或几个人完成，生产传递环节少，出现问题易察觉，因而成本低、质量好、周期短。

象一汽铸造模具厂这样规模的企业本来就有CAD／CAM技术条件，如果打破传统机制的束缚，这个问题便迎刃而解。

如果CAD／CAM一体化加工能够提高普及率，我国铸造模具生产能力将有一个飞跃。

（2）模具标准件的应用

在模具设计上，很多模具厂家都采用标准化组合设计，因而设计周期短，而我们目前全部产品都是从开头设计，包括每个环节。

因而，使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。

因此标准件的应用必将日渐广泛。

模具标准件的开发利用，将使我国铸造模具生产大为简化。

（3）应用反求工程开发铸造模具制造范围

一般而言，反求工程是指对难以用CAD建立数据模型，而只能通过对实物进行数据扫描、测量的方法采集数据，在CAM软件系统中建立数学模型，最后生成NC程序，控制数控加工中心进行模具制造的过程。

一汽铸造模具厂应用反求工程较成功地完成了对缸盖进、排气道热芯盒模具的制造，探索了按一般的设备和加工技术对没有尺寸和技术标准的模具无法加工成功经验。

既缩短了模具制造周期，又提高了产品质量。

反求工程在模具制造业上应值得推广应用。

可以扩展产品加工范围。

随着科技技术的飞速发展模具设计与制造（铸造模具方向）专业人才的需求日益增加。

因此该学科具有良好的发展前景但是同时也要求我们更好的学好计算机技术。

国内研究现状

刊内学者和生产厂家对汽车刹车盘研究较多的有无石棉半金属

刹车盘和铸铁刹车盘两种。

（1）无石棉半金属刹车盘的制作工艺有热压法和冷压法两种。

文献”纠于1994年报道了华中爽等人用热压法制作刹车盘。

原料为醛

树腊、丁苯橡胶、钢纤维、摩擦性能好的调节剂及其它填料。

压制的

模具温度为180～190"C。

1997年文献。

1报道了有关无石棉半金属刹车盘的研究情况。

半金属刹车盘由粘合剂、钢纤维和填料三大部分热压而成。

吉林大学韩英淳等人研制了碳纤维复合材料汽车用无石棉刹车盘。

原料为碳纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂（HT200铸铁粉、固体润滑剂、摩擦剂）等。

原料按比例配好后进行混料、热压成形、热处理、据图纸磨削加工。

1998年徐仁泉等人研究了冷压刹车盘的摩擦磨损性能。

原料为钢纤维、聚酰胺酯等。

其制工艺包括原料混合一冷压一预磨一热处理一磨平一表面焦化处理等几个步骤。

用自制冷压刹车片在桑塔纳轿车上进行了行车试验。

结果表明：

行车50000km时磨损厚度为5mm，制动性能和表面状况良好。

2002年文献”朝报道了郝华伟等人关于盘式刹车片冷压配方及工艺的研究。

材料为石棉纤维、有机粘结剂、钢棉、填充剂。

混好的物科用单片模在24．5～34．3MPa下压制，静压lmin出模。

结果表明，冲击强度3．2dJ／cm2，硬度30HBS。

（2）有关铸铁刹车盘的研究比较多。

从1986年开始，李云堂等

人“础研究了铁基粉末冶金刹车盘。

实验工艺为69％还原铁粉、11％石墨粉、1％SiO：

粉以及少量铜粉、二硫化钼粉、铅粉在混料机中混合1．5～25时，另加入粘结剂、润滑剂、硬脂酸锌在500吨液压机上压成毛坯，经105041080。

C、2．5小时烧结，再据图纸机加工。

技术要求为：

动摩擦系数90．28，抗压强度≥150MPa，抗拉强度≥50MPa，表面硬度35～65HBS，金相组织为珠光体+铁素体+渗碳体、游离石墨。

1994年山东九阳集团公司“”为美国福特公司制造了灰铸铁刹车盘，材质HT250,采用砂型铸造，热芯盒，覆膜砂，铸件性能达到抗拉强度280～3IOMPa，硬度190～2IOHBS。

据文献2000年报道，西安交通大学陈跃、沈百令等人研究了铸究院沈阳铸造研究所硕士。

刹车盘浇注模具设计过程一般有如下几个阶段：

首先由用户提供零件的产品图；然后根据铸件的生产条件确定铸造工艺方案及要求；由此可以得到铸造工艺图，这是模具设计及验收的根本依据；再根据铸造工艺及制芯设备的要求，设计能满足生产要求的母模、芯盒、模板、砂箱等。

应该说明的是，上述设计阶段并非完全独立，而是相互联系的。

1．1汽车刹车盘产品三维造型

三维产品造型就是根据汽车刹车盘零件的二维工程图纸（如图2．1所示）用Unigraphics软件进行建模，形成零件的兰维实体。

图刹车片零件图

UG—CAD建模所用的模块是UG-MODELING模块的建模方法主要有实体建模和自由曲面建模等。

根据刹车盘零件的结构特点，本文选择利用UG—CAD建模功能中的实体建模法进行建模。

实体建模主要包括基于特征建模、基于约束建模、参数化建模、复合建模等具体建模方法，其中复合建模法是基于特征建模、基于约束建模、参数化建模这3种建模技术的选择性组合运用。

一般来说，复合建模法应用广泛。

汽车刹车盘零件建模时选择的就是组合了基于特征建模、基于约束建模、参数化建模模3种建模法的复合建模法。

汽车刹车盘产品三维建模过程如下。

1）根据二维设计图纸，明确刹车盘零件的形状、结构特征。

2）选择形成毛坯的“成形特征”功能。

在UG中，

毛坯由“成形特征”功能形成。

“成形特征”包括为简

单的解析形状零件直接提供现成毛坯的“体素特征”功能和为复杂的非解析形状零件提供形成毛坯方法的“扫描特征”功能两类。

由于刹车盘结构比较简单，可以选用“体索特征”提供的简单解析形状块、柱等直接作毛坯。

3）对毛坯图进行粗加工。

用“向毛坯添加材料”方法中的“凸台”

功能形成零件中的各种凸台，用“向毛坯减去材料”方法中的

“孔”功能和“键槽”功能形成零件的各种孔和槽。

4）在租加工的基础上，运用“特征操作”进行精加工，形成三维模型。

此处用到的功能主要有“布尔运算”中的“并”和“差”（，边缘操作中的“边

倒圆”，“面倒圆”，“边倒角”等。

同时还要用到参考特征中的“基准轴”、“基准面”以及阵列特征）等功能。

通过利用如上各种功用，形成刹车盘零件产品的三维模型，如图

2．2所示。

图刹车片产品三维造型

1．2.1铸造工艺

铸造工艺要求，包括增加加工余量和收缩率，生成分型面、起模斜度以及铸造圆角。

处理铸造工艺要求时，应将加工余量的增加放在收缩率的增加之前。

为了便于修改铸造工艺，加工余量不在产品三维造型过程中考虑。

汽车刹车盘的铸造工艺如图2．3所示。

（1）分型面：

分型面是铸件造型时必须首先考虑的问题，只有在确定了分型面以后，才能处理不同起模方向的立面的起模斜度。

对于

如图2．2、2．3所示的刹车盘零件来说，是简单的平面分型，处理起来比较容易，文中确定的分型面如图2．3所示。

分型面完成后，即可全面进行起模斜度和圆角特征的处理。

（2）加工余量：

刹车盘零件轮廓最大尺寸为ram，考

虑到铸件的变形、收缩等因索，为了保证机械加工后产品的规格尺寸，

根据GB／T6414-1999的规定，在每个加工面上要求的机械加工余量等级为F，要求的机械加工余量值为2．5m，同时铸件的一般公差为CT8。

（3）起模斜度：

为了起模方便．且不破坏铸型，铸件中平行于起

模方向的平面必须附加一定的起模斜度以有利于铸件脱模。

刹车盘铸

件分型面设计完成后，就可以沿起模方向加起模斜度。

本文设计中铸

件型腔内壁起模斜度一般采用2度，铸件外表面采用1度。

（4）铸造圆角：

根据工艺要求，非加工面圆角2．5mm，加工面圆

角1．2mm。

完成以上几个步骤之后，利用autoCAD2008创建刹车盘铸件的二维工程图（如图2．4所示），作为后续机械加工的参考以及铸件尺寸检验的标准。

（5）收缩率：

刹车盘铸件材质为铸铁HT250；取其铸件收缩率为1％随“，即要求模具型腔的尺寸要比产品图纸尺l倍。

在uG中，处理收缩率时，一般是利用“缩放”（Scale）来实现的。

“缩放”（Scale）既可以对不同方向使用同一比例，也可以根据要求对不同的方向施加不同的缩放比例，本文中采用的是前者。

添加完收缩率之后，铸件造型就全部完成了。

型砂的选择

高质量的型砂具有为铸造出高质量铸件所必备的各种性能。

我们选择湿型砂，根据铸件合金的种类，铸件的大小、厚薄、浇注温度、金属液压头、砂型紧实方法、紧实比压、起模方法、浇注系统的形状、位置和出气孔情况，以及砂型表面风干情况等的不同，对湿型砂性能提出不同的要去。

最主要的，即有直接影响铸件质量和造型工艺的湿型性能有水分、透气性、强度、紧实率、变形量、破碎指数、流动性、含泥量、有效粘土含量、颗粒组成、砂温、发气性、有效煤粉含量、灼烧减量、抗夹砂性、抗粘砂性等。

湿型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定比例组成的。

效仿第一汽车厂选用的型砂，对于灰铸铁中小件，型砂的性能W（水分）x100为4.0~4.8%，透气性＞70，湿压强度65~90kpa，旧砂为93.8，新砂为大林4.4，膨润土为建平九台1.1，煤粉为抚顺1.74。

1．3模具设计

汽车刹车盘铸件采用砂芯、砂型重力铸造。

模具采用灰铸铁HT250。

1．3．1砂芯造型

运用CAD画出砂芯的二维图。

如图2．5所示。

1．3．2浇注系统设计

根据工艺设计的原则，浇注系统应满足以下要求抽：

控制金属液流动的速度和方向，并保证充满型腔；有利于铸件温度的合理分布；

金属液在型腔中的流动应平稳、均匀，以避免夹带空气、产生金属氧

化物及冲刷铸型；浇注系统应具有除渣功能。

根据以上要求，刹车盘铸造时采用底注式浇注系统，且采用封闭一开放式设计：

阻流截面设在直浇道下端，阻流截面以上封闭，以下开放。

这种浇注系统既有利于挡渣，又使充型平稳。

（1）金属型浇注系统最小截面积阳“

金属型浇注系统最小截面积的计算公式如下：

F=G/ptu√2gHp

式中F一浇注系统中最小截面积，cm2

G～金属液的浇注重量，g

u一包括所有阻力损失的流量损耗系数

t一浇注时间，s

P一液态金属的密度，g／cm3

H广充填整个型腔的平均计算压头，cm

1）G值的确定

铸件的三维造型完成之后，根据铸件材质铸铁HT250材料的p=m3，由uG软件计算出铸件重量为kg，同时，浇注系统重量估计为铸件重量的30％，所以×1．3=（kg）。

2）u值的确定

u值与浇注系统结构、浇注方式及合金性质等因素有关，在充型过程中，该值不稳定，根据经验查表确定u值取0．48。

3）t值的确定

浇注时间是金属型铸造的一个重要工艺参数，查表得铸铁小于250kg时，浇注时间t取4s到6s。

取t=6s

4）最小剩余压头高度（直浇道高度的确定，示意图2．8）

H。

=Ltga（2．3）

式中L一金属液的流程，即铸件最高最远点到直浇道中心线的水平

距离，mm

a一压力角（。

）

取L=250mm，a=10度，计算得H。

=45（mm）

直浇道最小高度：

H=H．+C=45+5（mm）（c为铸件高度）

5）平均静压头高度

浇注系统平均静压头高度计算如示意图2．9所示：

H。

=H—C／—50.2／（mm）

将以上数据代入公式（2．1）中计算得

浇注系统最小截面积F=（cm2）

（2）浇注系统浇口比的确定

直浇道（F直）、横浇道（F横）、内浇道（F内）的截面积比决定了浇注时金属液的流动状态和充型状态，对铸件的质量有重要影响。

在底注式工艺条件下，开放式浇注系统能有效避免紊流，充型平稳，铸件缺陷少，而且对型腔、型芯的冲刷轻，对铸件的质量最为有利。

金属型铸造宜采用封闭式浇注系统，浇口比F直：

F横：

F内，取2：

1．5：

1较为适宜。

所以，根据生产经验数据修正后浇注系统各浇道尺寸为：

F内=5.8（cm2）

F直=12（cm2），D直=40（mm）

F横=9（cm2）

修正后的浇口比为F直：

F横：

F内=2：

：

1

直浇道截面形状为圆形，最小截面直径为40mm，高度根据铸型确

定，并且设计单独的浇口杯，高出铸型主体50～80mm，以保证足够的静压头。

横浇道截面为梯形，长度为环绕铸件半周。

内浇道截面为扁平形，长度为20mm。

各浇道的形状及尺寸见下图。

1直浇道

2横浇道

3内浇道

图2.10直浇道、横浇道和内浇道

在直浇道两侧的横浇道处放置过滤片，过滤金属液中的浮渣，

以防止在铸件中产生夹渣缺陷。

（4）浇口杯

浇口杯外形及尺寸如图2．11。

图2.11浇口杯

1．3．3冒口设计

为了防止铸件产生缩孔、缩松等缺陷，在铸件位置最高、壁厚最

厚的地方设置腰形冒口，增强对铸件补缩作用。

为了使模具结构简单

并且增强保温效果，采用保温冒口套。

冒口尺寸根据热节处内切圆直

径（图2．13）计算如下：

冒口根部宽度D=I．2d=1．2X14．2=17（mm），‘式中，d一铸件缩孔可能产生处（即热节）内切圆直径（mm）。

冒口高度H=I．5D=1．5×17=26（mm）

从生产实际情况来看，冒口高度不应小于60mm，故将冒口高度调

整为65mm，长度为1／4圆周，对称安放在铸件直浇道两侧最远、最高处，如图2．14所示。

图2.14冒口

1.3.4芯盒的设计

1芯盒的类型为普通芯盒，选用铝合金铸造。

2芯盒结构设计壁厚和边缘尺寸参照相关手册。

不需要活块结构，定位采用8mm的标准件定位销，销子、销套用工具钢制造，工作部分淬火，以及M6的螺钉定位。

芯盒的装配图如附图。

-

1.3.5上下模

根据上面的工艺图，利用CAD画出上模和下模，将直浇道、横浇道、内浇道安放在下模上。

具体结构和尺寸如附图。

1.3.6模板和砂箱的选用

（1）模底板为水平分型面用模板中的普通式模板。

（2）模板和砂箱的定位采用直接定位法，定位销（套）直接安装在模底板上。

定位销和销套的配合精度为H10/d10。

定位销和销套的名义直径选用Φ20mm。

（3）砂箱选用通用小型铸钢砂箱（材质：

ZG35），长宽高分别为500x500x150mm，需要上砂箱和下砂箱一套。

简易手工造型砂箱，常用较厚的直箱壁，不设内外突缘，制造简便，容易落砂。