[業務]汽車剎車盤模具設計汽車剎車盤金屬型鑄造模具的設計緒論隨著我國鑄造業的不斷發展壯大，鑄造模具的設計與制造也愈來愈受到人們的關注。文章分析認為模具設計與制造專業(鑄造模具方向)發展前景良好對這個專業的人才需求量也在不斷增加。但同學不能因為這個就對自己將來的就業定位很高，我們應該時時關注我們專業的各方面信息以備知道行業的技能需求從而隨時提高自己的技能水平.本文立足于分析我國鑄造模具行業的現狀，針對問題提出對策，展望未來。模具作為一種特殊的機械產品，模具行業作為一種特殊的機械行業，不能像其它機械行業,機械產品那樣，所研發制造的機械產品生產出來零部件或機械產品本省僅靠設計人員的理論設計就能基本保證最終所要達到的所需的功能和使用要求，也就是說，對于其它的大多數機械產品，如果加工過程能夠完完全全全或盡可能到達設計的精度和要求，最終的產品和當初的設計目的是不會有太大的偏差，即完善的設計在加工條件的保證下就可以生產出完美的產品，同時，這類產品的設計理論依據經過幾十年甚至在一些老牌資本主義國家上百年的不斷研究與實際生產的互不發展下已經變得很成熟，很完善，很實用了，比如各種機床設備，動力設備等。模具產品則不一樣，由于無論是注塑、壓鑄類的高溫流動成型還是常溫下沖壓類的塑性成型，盡管長的也有幾十年研究與應用歷史，由于基礎理論和數學模型很不完善，不準確，也有還是存在很大的不確定性，特別是在我們國內，大多數還是要靠現場調試經驗來支持，來盡可能使模具產品做到完善，生產出來的達到用戶用戶要求，所以在設計階段，大多數目前只能做的工作，在整個模具制造過程和質量體系環節保證種，只能充當“粗加工環節”～～也就是通常所說的模具的好壞最終要靠靠鉗工手藝，不同廠家模具產品最終的顛峰對決，可能就是模具鉗工的一種技藝比武吧，而在這行里設計人員和前期的各序加工人員只能是給顛峰對決做配角。鑄造模具是指為了獲得零件的結構外形，預先用其他輕易成型的材料做成零件的結構外形，然后再在砂型中放入模具，于是砂型中就形成了一個和零件結構尺寸一樣的空腔，再在該空腔中澆注流動性液體，該液體冷卻凝固之后就能形成和模具外形結構完全一樣的零件了。1鑄造模具的歷史:中國鑄造模具工業發展到今天，經歷了一個艱辛的歷程，直到1976年仍處在落后狀態。自1977年以來，由于我國機械、電子、輕工、儀表、交通等工業部門的蓬勃發展，對鑄造模具的需求在數量上越來越多，質量要求越來越高，供貨期越來越短。因此，引起了我國有關部門對鑄造模具工業的高度重視，將模具列為“六五”和“七五”規劃重點科研攻關項目，派人出國學習考察，引進國外鑄造模具先進技術，制定有關鑄造模具國家標準。通過這一系列措施，使得鑄造模具工業有了很大發展，并在某些技術方面有所突破。第二汽車制造廠采用新技術、新材料為日本五十鈴廠制造了高質量的大型鑄造模具，贏得了良好的國際信譽。2模具設計與制造(鑄造模具方向)發展前景分析:1.市場需求汽車工業是我國國民經濟五大支柱產業之一，汽車工業重點是發展零部件，經濟型轎車和重型汽車，汽車模具作為發展重點，已在汽車工業產業政策中得到了明確。預計到2005年，我國汽車總需求量約為300萬輛，因此，汽車模具市場巨大。汽車基本車型在2000年約140種，2005年將達到170種，另有更新車型和改裝車型430種。一個型號的汽車所需模具幾千副，其中鑄造模具數百套。隨著我國進入世貿組織的臨近，汽車行業將進入新一輪換型改造時期，特別是中、重、輕、轎型汽車，將以快節奏更新換代來迎接國際汽車市場的挑戰。挑戰與機遇同在，進入世貿不僅僅是對我們汽車的挑戰，與其密切相關的模具制造業首當其沖。由此不難看出，鑄造金屬模具、精密壓鑄模具在未來鑄造模具行業的發展趨勢中，將扮演先鋒角色。2(技術要進一步完善當前，我國工業生產的特點是產品品種多，更新快，市場仍處買方市場態勢。這種情況下，用戶對產品包括模具制造的要求是“工期短、精度高、質量好、價格低”。用戶對鑄造模具產品的苛刻，正是對廠家日益完善的壓力。確實是對鑄造模具生產企業一個完整體系的考驗。(1)CAD,CAM,CAE一體化當前多數鑄造模具廠家依然采用老辦法，設計、編程、工藝、加工、檢查都是相對獨立分開，獨立考核、獨立核算，而拉開大幕看市場，這方面，部分國企模具廠落伍了。一些中小模具廠采取的是一條龍作業方式，從設計到編程直到加工出產品甚至售后服務均由一人或幾個人完成，生產傳遞環節少，出現問題易察覺，因而成本低、質量好、周期短。象一汽鑄造模具廠這樣規模的企業本來就有CAD,CAM技術條件，如果打破傳統機制的束縛，這個問題便迎刃而解。如果CAD,CAM一體化加工能夠提高普及率，我國鑄造模具生產能力將有一個飛躍。(2)模具標準件的應用在模具設計上，很多模具廠家都采用標準化組合設計，因而設計周期短，而我們目前全部產品都是從開頭設計，包括每個環節。因而，使用模具標準件不但能縮短模具制造周期，而且能提高模具質量和降低模具制造成本。因此標準件的應用必將日漸廣泛。模具標準件的開發利用，將使我國鑄造模具生產大為簡化。(3)應用反求工程開發鑄造模具制造范圍一般而言，反求工程是指對難以用CAD建立數據模型，而只能通過對實物進行數據掃描、測量的方法采集數據，在CAM軟件系統中建立數學模型，最后生成NC程序，控制數控加工中心進行模具制造的過程。一汽鑄造模具廠應用反求工程較成功地完成了對缸蓋進、排氣道熱芯盒模具的制造，探索了按一般的設備和加工技術對沒有尺寸和技術標準的模具無法加工成功經驗。既縮短了模具制造周期，又提高了產品質量。反求工程在模具制造業上應值得推廣應用。可以擴展產品加工范圍。隨著科技技術的飛速發展模具設計與制造(鑄造模具方向)專業人才的需求日益增加。因此該學科具有良好的發展前景但是同時也要求我們更好的學好計算機技術。國內研究現狀刊內學者和生產廠家對汽車剎車盤研究較多的有無石棉半金屬剎車盤和鑄鐵剎車盤兩種。(1)無石棉半金屬剎車盤的制作工藝有熱壓法和冷壓法兩種。文獻”糾于1994年報道了華中爽等人用熱壓法制作剎車盤。原料為醛樹臘、丁苯橡膠、鋼纖維、摩擦性能好的調節劑及其它填料。壓制的模具溫度為180,190"C。1997年文獻。1報道了有關無石棉半金屬剎車盤的研究情況。半金屬剎車盤由粘合劑、鋼纖維和填料三大部分熱壓而成。吉林大學韓英淳等人研制了碳纖維復合材料汽車用無石棉剎車盤。原料為碳纖維、粘結劑、摩擦性能調節劑(HT200鑄鐵粉、固體潤滑劑、摩擦劑)等。原料按比例配好后進行混料、熱壓成形、熱處理、據圖紙磨削加工。1998年徐仁泉等人研究了冷壓剎車盤的摩擦磨損性能。原料為鋼纖維、聚酰胺酯等。其制工藝包括原料混合一冷壓一預磨一熱處理一磨平一表面焦化處理等幾個步驟。用自制冷壓剎車片在桑塔納轎車上進行了行車試驗。結果表明:行車50000km時磨損厚度為5mm，制動性能和表面狀況良好。2002年文獻”朝報道了郝華偉等人關于盤式剎車片冷壓配方及工藝的研究。材料為石棉纖維、有機粘結劑、鋼棉、填充劑。混好的物科用單片模在24(5,34(3MPa下壓制，靜壓lmin出模。結果表明，沖擊強度3(2dJ,cm2，硬度30HBS。(2)有關鑄鐵剎車盤的研究比較多。從1986年開始，李云堂等人“礎研究了鐵基粉末冶金剎車盤。實驗工藝為69,還原鐵粉、11,石墨粉、1,SiO:粉以及少量銅粉、二硫化鉬粉、鉛粉在混料機中混合1(5,25時，另加入粘結劑、潤滑劑、硬脂酸鋅在500噸液壓機上壓成毛坯，經105041080。C、2(5小時燒結，再據圖紙機加工。技術要求為:動摩擦系數90(28，抗壓強度?150MPa，抗拉強度?50MPa，表面硬度35,65HBS，金相組織為珠光體+鐵素體+滲碳體、游離石墨。1994年山東九陽集團公司“”為美國福特公司制造了灰鑄鐵剎車盤，材質HT250,采用砂型鑄造，熱芯盒，覆膜砂，鑄件性能達到抗拉強度280,3IOMPa，硬度190,2IOHBS。據文獻2000年報道，西安交通大學陳躍、沈百令等人研究了鑄究院沈陽鑄造研究所碩士。剎車盤澆注模具設計過程一般有如下幾個階段:首先由用戶提供零件的產品圖;然后根據鑄件的生產條件確定鑄造工藝方案及要求;由此可以得到鑄造工藝圖，這是模具設計及驗收的根本依據;再根據鑄造工藝及制芯設備的要求，設計能滿足生產要求的母模、芯盒、模板、砂箱等。應該說明的是，上述設計階段并非完全獨立，而是相互聯系的。1(1汽車剎車盤產品三維造型三維產品造型就是根據汽車剎車盤零件的二維工程圖紙(如圖2(1所示)用Unigraphics軟件進行建模，形成零件的蘭維實體。圖2.1剎車片零件圖UG—CAD建模所用的模塊是UG-MODELING模塊的建模方法主要有實體建模和自由曲面建模等。根據剎車盤零件的結構特點，本文選擇利用UG—CAD建模功能中的實體建模法進行建模。實體建模主要包括基于特征建模、基于約束建模、參數化建模、復合建模等具體建模方法，其中復合建模法是基于特征建模、基于約束建模、參數化建模這3種建模技術的選擇性組合運用。一般來說，復合建模法應用廣泛。汽車剎車盤零件建模時選擇的就是組合了基于特征建模、基于約束建模、參數化建模模3種建模法的復合建模法。汽車剎車盤產品三維建模過程如下。1)根據二維設計圖紙，明確剎車盤零件的形狀、結構特征。2)選擇形成毛坯的“成形特征”功能。在UG中，毛坯由“成形特征”功能形成。“成形特征”包括為簡單的解析形狀零件直接提供現成毛坯的“體素特征”功能和為復雜的非解析形狀零件提供形成毛坯方法的“掃描特征”功能兩類。由于剎車盤結構比較簡單，可以選用“體索特征”提供的簡單解析形狀塊、柱等直接作毛坯。3)對毛坯圖進行粗加工。用“向毛坯添加材料”方法中的“凸臺”功能形成零件中的各種凸臺，用“向毛坯減去材料”方法中的“孔”功能和“鍵槽”功能形成零件的各種孔和槽。4)在租加工的基礎上，運用“特征操作”進行精加工，形成三維模型。此處用到的功能主要有“布爾運算”中的“并”和“差”(，邊緣操作中的“邊倒圓”，“面倒圓”，“邊倒角”等。同時還要用到參考特征中的“基準軸”、“基準面”以及陣列特征)等功能。通過利用如上各種功用，形成剎車盤零件產品的三維模型，如圖2(2所示。圖2.2剎車片產品三維造型1(2.1鑄造工藝鑄造工藝要求，包括增加加工余量和收縮率，生成分型面、起模斜度以及鑄造圓角。處理鑄造工藝要求時，應將加工余量的增加放在收縮率的增加之前。為了便于修改鑄造工藝，加工余量不在產品三維造型過程中考慮。汽車剎車盤的鑄造工藝如圖2(3所示。圖2.3鑄造工藝圖(1)分型面:分型面是鑄件造型時必須首先考慮的問題，只有在確定了分型面以后，才能處理不同起模方向的立面的起模斜度。對于如圖2(2、2(3所示的剎車盤零件來說，是簡單的平面分型，處理起來比較容易，文中確定的分型面如圖2(3所示。分型面完成后，即可全面進行起模斜度和圓角特征的處理。(2)加工余量:剎車盤零件輪廓最大尺寸為m276minx45.2ram，考慮到鑄件的變形、收縮等因索，為了保證機械加工后產品的規格尺寸，根據GB,T6414-1999的規定，在每個加工面上要求的機械加工余量等級為F，要求的機械加工余量值為2(5m，同時鑄件的一般公差為CT8。(3)起模斜度:為了起模方便(且不破壞鑄型，鑄件中平行于起模方向的平面必須附加一定的起模斜度以有利于鑄件脫模。剎車盤鑄件分型面設計完成后，就可以沿起模方向加起模斜度。本文設計中鑄件型腔內壁起模斜度一般采用2度，鑄件外表面采用1度。(4)鑄造圓角:根據工藝要求，非加工面圓角2(5mm，加工面圓角1(2mm。完成以上幾個步驟之后，利用autoCAD2008創建剎車盤鑄件的二維工程圖(如圖2(4所示)，作為后續機械加工的參考以及鑄件尺寸檢驗的標準。圖2.4鑄件尺寸檢驗的標準圖(5)收縮率:剎車盤鑄件材質為鑄鐵HT250;取其鑄件收縮率為1,隨“，即要求模具型腔的尺寸要比產品圖紙尺1.0l倍。在uG中，處理收縮率時，一般是利用“縮放”(Scale)來實現的。“縮放”(Scale)既可以對不同方向使用同一比例，也可以根據要求對不同的方向施加不同的縮放比例，本文中采用的是前者。添加完收縮率之后，鑄件造型就全部完成了。1.2.1型砂的選擇高質量的型砂具有為鑄造出高質量鑄件所必備的各種性能。我們選擇濕型砂，根據鑄件合金的種類，鑄件的大小、厚薄、澆注溫度、金屬液壓頭、砂型緊實方法、緊實比壓、起模方法、澆注系統的形狀、位置和出氣孔情況，以及砂型表面風干情況等的不同，對濕型砂性能提出不同的要去。最主要的，即有直接影響鑄件質量和造型工藝的濕型性能有水分、透氣性、強度、緊實率、變形量、破碎指數、流動性、含泥量、有效粘土含量、顆粒組成、砂溫、發氣性、有效煤粉含量、灼燒減量、抗夾砂性、抗粘砂性等。濕型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定比例組成的。效仿第一汽車廠選用的型砂，對于灰鑄鐵中小件，型砂的性能W(水分)x100為4.0~4.8%，透氣性,70，濕壓強度65~90kpa，舊砂為93.8，新砂為大林4.4，膨潤土為建平九臺1.1，煤粉為撫順1.74。1(3模具設計汽車剎車盤鑄件采用砂芯、砂型重力鑄造。模具采用灰鑄鐵HT250。1(3(1砂芯造型運用CAD畫出砂芯的二維圖。如圖2(5所示。圖2.5砂芯1(3(2澆注系統設計根據工藝設計的原則，澆注系統應滿足以下要求抽:控制金屬液流動的速度和方向，并保證充滿型腔;有利于鑄件溫度的合理分布;金屬液在型腔中的流動應平穩、均勻，以避免夾帶空氣、產生金屬氧化物及沖刷鑄型;澆注系統應具有除渣功能。根據以上要求，剎車盤鑄造時采用底注式澆注系統，且采用封閉一開放式設計:阻流截面設在直澆道下端，阻流截面以上封閉，以下開放。這種澆注系統既有利于擋渣，又使充型平穩。(1)金屬型澆注系統最小截面積陽“金屬型澆注系統最小截面積的計算公式如下:F=G/ptu?2gHp式中F一澆注系統中最小截面積，cm2G,金屬液的澆注重量，gu一包括所有阻力損失的流量損耗系數t一澆注時間，sP一液態金屬的密度，g,cm3H廣充填整個型腔的平均計算壓頭，cm1)G值的確定鑄件的三維造型完成之后，根據鑄件材質鑄鐵HT250材料的p=7.3m3，由uG軟件計算出鑄件重量為9.35kg，同時，澆注系統重量估計為鑄件重量的30,，所以G=9.35×1(3=12.15(kg)。2)u值的確定u值與澆注系統結構、澆注方式及合金性質等因素有關，在充型過程中，該值不穩定，根據經驗查表確定u值取0(48。3)t值的確定澆注時間是金屬型鑄造的一個重要工藝參數，查表得鑄鐵小于250kg時，澆注時間t取4s到6s。取t=6s4)最小剩余壓頭高度(直澆道高度的確定，示意圖2(8)H。=Ltga(2(3)式中L一金屬液的流程，即鑄件最高最遠點到直澆道中心線的水平距離，mma一壓力角(。)取L=250mm，a=10度，計算得H。=45(mm)直澆道最小高度:H=H(+C=45+50.2=95.2(mm)(c為鑄件高度)5)平均靜壓頭高度澆注系統平均靜壓頭高度計算如示意圖2(9所示:H。=H—C,2=95.2—50.2,2=70.1(mm)將以上數據代入公式(2(1)中計算得澆注系統最小截面積F=5.8(cm2)(2)澆注系統澆口比的確定直澆道(F直)、橫澆道(F橫)、內澆道(F內)的截面積比決定了澆注時金屬液的流動狀態和充型狀態，對鑄件的質量有重要影響。在底注式工藝條件下，開放式澆注系統能有效避免紊流，充型平穩，鑄件缺陷少，而且對型腔、型芯的沖刷輕，對鑄件的質量最為有利。金屬型鑄造宜采用封閉式澆注系統，澆口比F直:F橫:F內，取2:1(5:1較為適宜。所以，根據生產經驗數據修正后澆注系統各澆道尺寸為:F內=5.8(cm2)F直=12(cm2)，D直=40(mm)F橫=9(cm2)修正后的澆口比為F直:F橫:F內=2:1.55:1直澆道截面形狀為圓形，最小截面直徑為40mm，高度根據鑄型確定，并且設計單獨的澆口杯，高出鑄型主體50,80mm，以保證足夠的靜壓頭。橫澆道截面為梯形，長度為環繞鑄件半周。內澆道截面為扁平形，長度為20mm。各澆道的形狀及尺寸見下圖2.10。1直澆道2橫澆道3內澆道圖2.10直