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浙江理工大學本科畢業(yè)論文 摘要 粉末冶金是一種不需要將材料融化的冶金方法，是冶金和材料科學的一個分 支。而隨著經濟的發(fā)展，粉末冶金工藝具有生產效率高、質量穩(wěn)定、成本低以及 可加工復雜形狀工件等一系列優(yōu)點，使其在現代工業(yè)中的地位也越來越高。相應 的，粉末冶金模具作為現代高速成型技術在工藝裝備中起到越來越大的作用。特 別是在汽車行業(yè)中應用的比例越來越重,是現代汽車行業(yè)發(fā)展的重要支柱之一, 現代工業(yè)發(fā)展的一個方向. 本次設計了一套汽車剎車片的壓制模。本課題主要是查找剎車片的壓坯到模 具模架的選擇準則，了解各個零件的具體要求。從對零件壓坯的尺寸，密度，質 量和高度等計算，來確定陰模與模沖的類型，再通過對壓機的選擇設計所需要的 模具，頂出方式的選擇,加熱方式的選擇,加熱元件規(guī)格的計算與選擇，對模具的 材料進行選擇,強度校核,粗糙度的確定,最后畫出零件圖和裝配圖。 關鍵字：粉末冶金；壓制成形；剎車片模具 汽車剎車片模具設計 Abstract Powder metallurgy is a branch of metallurgy and materials science who is an undesirable  material  melting metallurgy  method.With  the  development  of economy,Because of powder metallurgy process with high efficiency, stable quality, low cost and can be processed with complicated shapes advantages,so that it’s position in modern industry are more and more important. Accordingly, powder metallurgy die as a modern high-speed molding technology play an increasingly important tole in the process equipment.Especially in the automotive industry, an increasing proportion of re-application,is one of the important pillars of the modern automobile industry and also is a direction of Modern industrial development. This design is a press die of brake pads.The project must basis on part’s size, density, height and mass to design the mild’s stamping type.Then basis on press machine to choice mold’s type. Then I choice the best way for pushing-out and boiling. Next step are Selecting the material of the mold and Strength check. The last way, I must determine the roughness and draw the parts and assembly drawings finally. Key Words:Powder metallurgy; stamping shape; Brake pads mold 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 目  錄 摘要 Abstract 第 1 章 緒論.................................................................................................................. 1 1.1 粉末冶金概述.................................................................................................................... 1 1.2 模具工業(yè)在現代工業(yè)國民經濟中的地位........................................................................ 4 1.3 粉末冶金模具的現狀....................................................................................................... 4 第 2 章 粉末冶金模具設計的原則.............................................................................. 5 2.1 通用粉末成形壓機的選擇原則....................................................................................... 5 2.2 壓坯的選用原則............................................................................................................... 5 2.3 壓制成形模具設計準則.................................................................................................... 6 第 3 章 模具的設計和材料選擇.................................................................................. 6 3.1 壓坯的要求和壓制方式的選擇........................................................................................ 6 3.1.1 壓制方式的選擇.................................................................................................... 9 3.1.2 頂出方式的決定.................................................................................................. 11 3.1.3 加熱管的排布方案與選擇.................................................................................. 12 3.2 陰模的設計..................................................................................................................... 13 3.3 上下模沖的設計............................................................................................................. 13 3.3.1 下模沖長度的設計.............................................................................................. 13 3.3.2 上模沖的設計...................................................................................................... 14 3.4 其它模架零件的設計..................................................................................................... 14 3.5 連接方式的設計............................................................................................................. 15 3.5.1 上下模座與固定板之間的連接.......................................................................... 15 3.5.2 下模座與陰模固定板之間的連接...................................................................... 15 3.6 陰模材料的選擇.............................................................................................................. 15 3.7 模沖材料的選擇............................................................................................................. 16 3.8 模架的材料選擇............................................................................................................. 16 第 4 章 強度的校核.................................................................................................... 17 4.1 壓機的選擇..................................................................................................................... 17 4.2 模沖強度校核.................................................................................................................. 17 第 5 章 模具間的余量的計算................................................................................................ 18 5.1 下模沖的彈性變形余量................................................................................................. 18 5.2 陰模與下模沖的間隙..................................................................................................... 18 5.3 壓坯燒結率與回彈率的總收縮率計算......................................................................... 19 5.3.1 壓坯的回彈率...................................................................................................... 19 5.3.2 回彈率的影響因素............................................................................................. 20 5.3.3 燒結收縮率.......................................................................................................... 20 第 6 章 主要零件加工后應達到的要求..............................................................................21 6.1 陰模..................................................................................................................................21 6.2 模沖.................................................................................................................................22 6.3 其他零件.......................................................................................................................... 22 汽車剎車片模具設計 總結與展望.................................................................................................................................. 24 參考文獻.......................................................................................................................................27 致 謝........................................................................................................................................... 29 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 1.1 粉末冶金概述 粉末冶金是一門制造金屬粉末，以金屬粉末（包括混入有廢金屬粉末者）為原 料，用成形-燒結制造材料或制品的技術學科。廣義上，它也包括以氧化物、氮 化物、碳化物等非金屬化合物粉末為原料，用成形-燒結制造材料或制皮的技術。 這里所講的成形，系指賦予金屬粉末等原料粉末以所要求的金屬制品的形狀與 尺寸。 在制造粉末冶金零件的過程中，所用的成型模具是如何設計的。模具設計與所 使用的粉末原料的性能、使用的成形工藝與設備以及所制造的零件的材料性能、 形狀和尺寸大小等密切相關。 特別是 20 世紀 70 年代以來，鐵基粉末冶金零件的生產技術發(fā)展非?？?，一句 對所制造零件的技術性能要求，研發(fā)出了各種各樣的金屬粉末成形技術與設備， 除常規(guī)的單軸向剛性模具壓制工藝之外，還有粉末鍛造、注射成型、溫壓、熱壓、 冷等靜壓、熱等靜壓、擠壓、粉末軋制、粉漿澆注、噴射成形及無模成形等。其 中多種成型工藝都涉及到模具設計問題。 粉末冶金是一門古老的冶金技術。我國早在 2500 多年前的春秋末期，就已用 塊煉鐵（即海綿鐵）鍛造法制造鐵騎了。塊煉鐵是用木炭還原鐵礦制成海綿鐵， 這和現在還原鐵粉的生產工藝相似，故可稱之為早期的粉末鍛造技術。這項技術 后來由于煉鐵技術的興起而從歷史舞臺上消失。進入 18 世紀后，為制取金屬鉑， 粉末冶金重新煥發(fā)了青春。從而，使粉末冶金這么古老的冶金技術開始進入現代 科學技術發(fā)展的行列。 繼金屬鉑之后，在 19 世紀后期至 20 世紀初，用粉末冶金方法制取了具有劃時 代意義的鎢。之后粉末冶金方法制取了鉬、鈮等難熔金屬，從而為現代電子和電 光源工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎。 20 世紀初，繼難熔金屬之后，用粉末冶金技術陸續(xù)研制成功了硬質合金，多 孔性金屬含油軸承、鎢-鋼與鎢-鋼鎳復合材料等。 1 汽車剎車片模具設計 2003 年全球粉末貨運總量約為 88 萬噸，其中美國占 51%，歐洲 18%，日本 13%， 其他國家和地區(qū) 18%。汽車工業(yè)的發(fā)展推動了現代粉末冶金技術的進步。汽車制 造業(yè)現已經成為粉末冶金工業(yè)最大的用戶，20005 年歐洲生產的粉末冶金結構零 件 80%用于汽車制造，在日本為 90%，北美為 75%。一方面汽車的產量在不斷增 加，另一方面粉末冶金零件在單輛汽車上的用量也在不斷增加。北美平均每輛汽 車粉末冶金零件用量最高，為 19.5 公斤，歐洲平均為 9 公斤，日本平均為 8 公 斤。中國由于汽車工業(yè)的高速發(fā)展，擁有巨大的粉末冶金零部件市場前景，已經 成為眾多國際粉末冶金企業(yè)關注的焦點。 信息行業(yè)的發(fā)展也為粉末冶金工業(yè)提供了新的契機。日本電子行業(yè)用的粉末冶 金產品已經達到了每年 4.3 億美元，其中熱沉材料占 23%，發(fā)光和電極材料占 30%。 現代粉末冶金工業(yè)，除了通常所講的生產鐵粉、銅粉等金屬粉末和生產鐵基、 銅基粉末冶金制品等產業(yè)外，廣義的講，還應包括用粉末冶金技術制造的所有產 品門類的產業(yè)，諸如難熔金屬制品、硬質合金、金剛石-金屬制品、軟磁與硬磁 鐵氧體元件、技術陶瓷、電觸頭材料、多孔性金屬過濾器、金屬-石墨材料等產 業(yè)。現在用粉末冶金技術制造的材料或制品，大體上可以分為五類： 1）粉末冶金機械零件，其中包括燒結金屬自潤滑軸承、燒結金屬結構零件及 燒結金屬摩擦材料與制品等； 2）鐵氧體磁性材料，其中包括永磁鐵氧體材料、軟磁鐵氧體材料； 3）硬質合金材料與制品，其中包括工具材料、耐磨材料、耐高溫與耐腐蝕材 料； 4）難熔金屬或高熔點金屬材料與制品，諸如鎢、鉬、鉭、鈮； 5）精細陶瓷材料與制品。 粉末冶金機械零件是當前粉末冶金工業(yè)的主導性產品。廣泛使用的粉末冶金機 械零件材料有燒結鐵、燒結碳鋼、燒結低合金鋼、燒結合金鋼、燒結不銹鋼、燒 結鋁和燒結鋁和金、燒結同和燒結銅合金、燒結鎳合金等。 早期的粉末冶金機械零件主要是含油軸承與墊圈之類的制品，形狀簡單且力學 性能較低。近 40 年來，由于鋼鐵粉末、粉末成形壓機、模具、燒結爐等的不斷 改進，組合燒結、粉末鍛造、注射成形、溫壓及冷、熱等靜壓等工藝技術的相繼 開發(fā)，制造的粉末冶金結構零件形狀愈來愈復雜，材料的力學性能越來越高，像 2 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 汽車發(fā)動機中承受動態(tài)應力最高的連桿，現在不但可用粉末鍛造生產，甚至可用 一次壓制-燒結工藝制造。利用溫壓技術，用一次壓制-燒結就可以使鐵基粉末冶 金零件的材料密度達到 7.4g/cm3以上,從而使材料的力學性能顯著增高.因此,粉 末冶金機械零件的市場一直在不斷擴大。 1.2 模具工業(yè)在現代工業(yè)國民經濟中的地位 模具因其生產效率高、產品質量好、材料消耗低、操作簡單、生產過程易于實 現機械化與自動化、生產成本低而獲得廣泛的應用，利用模具可以加工出薄壁、 重量輕、剛性好、形狀復雜的零件；產品質量有模具保證，具有一模一樣的特點； 這是其它加工制造業(yè)所無法完成的；模具是現代工業(yè)，特別是汽車、摩托車、航 空、儀表、儀器、醫(yī)療器械、電子通信、兵器、家用電器、五金工具、日用品等 工業(yè)必不可少的工藝裝備。據資料統(tǒng)計，利用模具制造的零件數量，在飛機、汽 車、摩托車、拖拉機、電機、電器、儀器儀表等機電產品中占 80%以上；在電冰 箱、洗衣機、空調、電風扇、自行車、手表等輕工業(yè)產品中占 90%以上；在子彈、 槍支等兵器產品中占 95%以上；在日用金屬產品中占 95%以上?？梢姡芯亢桶l(fā) 展模具技術，對于促進國民經濟的發(fā)展和工業(yè)現代化具有特別重要的意義。目前， 模具技術已成為衡量一個國家產品制造的水平的重要標志之一。 1.3 粉末冶金模具的現狀 80 年代后，我國的一些主要粉末冶金機械零件生產企業(yè)，先后從日本、歐洲 及美國引進了高壓縮性霧化鐵粉成套霧化裝備，鐵粉精還原爐，臥式霧化銅粉裝 置，機械式與液壓式粉末冶金壓機，網帶式、推進式及步移梁式燒結爐，氮基氣 氛裝置，水蒸汽處理爐，連續(xù)式雙金屬帶材和 CM(DU)帶材生產線，噴撒法生產 銅基摩擦片生產線，以及鐵基結構零件、微型精密銅基含油軸承，電機車受電弓 滑板，銅基過濾元件，銅基摩擦材料，雙金屬帶材和 CM(DU)帶材等的制造技術。 通過消化、吸收這些引進技術與設備，有力地推動了我國粉末冶金機械零件工業(yè) 的技術進步，使其生產技術水平有了明顯提高。例如:1.hl 含油軸承洗衣機、電 機用含油軸承 1983 年以前全部從日本進口，1987 年北京粉末冶金工業(yè)公司實驗 廠試制成這種軸承后，擋住了進口?，F在該廠年產量數以百萬計，微型精密含油 軸承是音像機器和微小型電機不可替代的關鍵零件。我國生產這種含油軸承的能 力已超過 2 億件/年，材料有銅基、鐵基及鐵銅合金等。 3 汽車剎車片模具設計 80 年代后期，我國家用電冰箱生產發(fā)展迅速。電冰箱的心臟是壓縮機，而 壓縮機的一些主要零件都是用粉末冶金制造的，諸如往復式壓縮機中的連桿、活 塞、軸套、閥板，旋轉式壓縮機中的缸體、缸蓋、平衡塊、葉片等?，F在寧波粉 末冶金廠等一些廠家已能批量生產這些零件。這些零件是由易切削鐵粉制造的。 易切削鐵粉的主要添加劑 MnS，國內已研制成功，并開始小批量生產。寧波粉末 冶金廠經過 4 年研制，已試制成功大發(fā)車的曲軸正時齒輪、凸輪軸正時齒輪、平 衡塊、主動與從動鏈輪，止推板等，有的零件已進入批量生產階段。上海粉末冶 金廠為上海桑塔納轎車配套的粉末冶金零件 17 種 33 件，已有 14 件(包括二次配 套件)先后投入批量生產。 飛速發(fā)展的粉末冶金制品，也給模具制造帶來了飛速的發(fā)展。有單一的整體式 的模具到復雜的組合式的模具一應俱全，產品數量直線上升。這就為現在的模具 設計提出了新的要求：高的壽命，高的強度，高的耐磨性，高的韌性，高的耐熱 性等。這就給設計工作者提出了更高的要求。這不僅要求對模具制造工藝了如指 掌，而且要對材料的性能及特點非常熟悉。 第 2 章 粉末冶金模具設計的原則 2.1 通用粉末成形壓機的選擇原則 1）壓制成形用原料粉末的特性，原料粉末的特性影響壓制時的裝粉速度、壓 制壓力-密度曲線以及可達到的尺寸公差； 2)零件壓坯的幾何形狀，決定了所需模沖的個數； 3）制品的尺寸公差； 4）批量大小，生產批量大時，模具更換少，反之亦然； 5）粉末冶金生產廠可利用的壓機和模具的結構、氣候條件和建筑特性等； 6）操作和維修人員的素質； 7）快速采購備件的可能性； 8）對自動化程度的要求。 2.2 壓坯的選用原則 1）材質 根據所要求的強度、硬度、耐磨性、耐蝕性、氣密性、磁性等物理- 力學特性，來選擇材料的組成、密度、后續(xù)處理等； 4 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 2）零件尺寸 根據對象零件的尺寸計算成形加壓面積。然后依靠材質選定的密 度，確定所需要的單位面積壓力，從而計算出所需要的總壓制力； 3）零件形狀 關鍵在于是否能壓制成型，若整體無法壓制成形，可以考慮分 割成 2 部分以上分別壓制成形再組合起來； 4）成本 盡量將功能用不上的零件部分去除，以節(jié)約材料，降低生產成本； 5）精度 零件形狀確定之后，在選定的材質、后續(xù)處理等條件下，確定壓坯精 度。為了充分利用粉末冶金零件的經濟性，最好用模具壓制成形來保證各項精度。 2.3 壓制成形模具設計準則 1）陰模型腔內各個部位都必須可靠地充填以數量精確的粉末； 2）壓坯內的密度分布應盡量均一； 3）為保證鄰接部分粉體間充分連接，對陰模型腔內各處的粉體應同時進行密 實。應注意密實粉體僅只很微量向側向移動； 4）必須將壓坯完好的從成型模具中脫出； 5）對模具零件的所有必要的動作都必須進行適當的控制，而且必須能以足夠 高的精度進行重復； 6）模具的模沖盡量少； 7）在壓制過程中，模沖不得與陰?；蛐景?，或相互卡??； 8）在壓制過程中，所有模具零件都必須能承受施加于其上的載荷。所有零件 都必須盡量耐磨，而且應具有最高的可預期壽命； 9）模具的所有功能都必須最好的利用壓機的相應功能； 10）模具的設計應便于組裝和安裝在壓機上，以將組裝的時間縮短到最短； 11）磨損的模具零件應盡量容易更換，以將停工時間縮小到最短； 12）就預期的模具使用壽命和生產壓坯數量而言，模具的制造成本必須合理。 5 汽車剎車片模具設計 第 3 章 模具的設計和材料選擇 3.1 壓坯的要求和壓制方式的選擇 該零件為剎車片如圖 3-1 所示，需要在壓制的過程中進行和剎車片背板的燒結。 圖 3-1 剎車片與背板的組合圖 實際零件類似于圖 3-2 6 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 圖 3-2 剎車片 經查閱資料，剎車片材料除了大約 50%左右的金屬材料如還原鐵粉、鋼纖維等， 還有一定量的各種纖維，酚醛樹脂，利于燒結的各種成分在其中，查閱各階段鐵 粉的密度如表-1： 表-1 3 根據圖表-2， 7 粉末種類 3 松裝密度γ0 （g/cm ） 范圍 常用值 還原鐵粉 2.0 ～ 2.8 2.4 霧化鐵粉 2.5 ～ 3.2 2.8 霧化 6—6—3 青銅粉 2.4 ～ 3.1 2.7 電介銅粉 1.7 ～ 1.9 1.8 選擇比還原鐵粉還要小一些的松裝密度2.0g/cm而壓制之后的剎車片壓坯密度 汽車剎車片模具設計 表-2 確定為低密度 5.3g/cm3.由于需要與剎車片背板壓制燒結在一起。 3.1.1 壓制方式的選擇 壓坯密度的均勻性，是大壓模設計要解決的主要壓制質量指標。 在壓制過程中，影響壓坯密度分布均勻的因素較多，除了粉末成分、性能及模 具表面質量外，主要有兩個方面：一是由于模壁之間的摩擦所引起的壓坯密度不 均勻分布，他于壓制方式有關。二是當模腔中的粉末同時受到壓縮式，粉末體產 生柱式流動，幾乎不產生明顯的橫向流動，所以壓坯密度分布均勻性還與模腔內 各部分粉末填裝高度、壓縮比、壓縮速率或最后壓縮速度有關，這些都可以通過 壓制工藝參數來控制。 由于粉末與模壁之間的摩擦，所引起壓坯密度無論是在高度還是橫截面的分布 都是不均勻的，特別是隨著壓坯高徑比的增大引起的壓坯密度沿高度方向的不均 勻越來越大。但是壓制方式的不同，壓坯密度分布有很大差別。 單向壓制時，壓坯密度分布很不均勻，如果采用雙向壓制中的非同時雙向壓制 或摩擦芯桿壓制，可以顯著改善壓坯密度分布的不均勻性。 明確了壓坯密度分布與壓制方式之間的關系后，要解決壓模設計中壓坯密度分 布的均勻性，必須根據壓坯的形狀、高徑比、生產批量和壓機選擇壓制方式和壓 模結構類型。 （1）當圓柱體壓坯的高徑比 H/D≤1 時,圓筒形壓坯的高壁厚比 H/T≤3 時,可 采用單向壓制和單向壓模. （2）當 H/D>1 或 H/T>3 時,通常采用雙向壓制和雙向壓模; （3）當 H/T>4 時，最好采用壓制時芯桿和陰模能相對移動的壓模； （4）當 H/T>6~10 時，可采用摩擦芯桿壓模或壓制時陰模、芯桿和上模能相對 8分類 3 密度（g/cm ) 孔隙度(%) 單位壓力(Mpa) 低密度零件 <6.3 >20 <45 中密度零件 6.3-7.1 9-20 450-825 較高密度 7.1-7.6 2-9 >825 高密度零件 >7.6 <2 液相燒結和滲透 工藝制作 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 下模沖移動的壓模結構。一般浮動芯桿的移動速度約等于陰模移動速度的二分之 一。但上模沖的移動速度要比陰模和芯桿打，才能保證壓坯密度分布均勻。 該剎車片的高徑比 H/D=14.5/110<1，但由于有凹孔，所以選擇使用單向壓制。 3.1.2 頂出方式的決定 方案一，拉下式： 陰模浮動至下模沖的高度，使壓坯脫出，如圖 3-1 圖 3-3 壓制完成后，陰模繼續(xù)由上模座的壓力繼續(xù)向下移動，移動至下模沖的上表面， 最終頂出，之后取出零件。問題是動作過于繁瑣，速度較慢，不適于大批量生產 的要求。 方案二，頂出式： 陰模不動，下模沖在壓制完成之后繼續(xù)向上運動，運動到陰模的上表面，頂出 零件完成取出零件的要求，如圖 3-4： 9 汽車剎車片模具設計 圖 3-4 如圖所示，下推板推動下模沖完成壓制動作，之后在下推板的作用下繼續(xù)向上 運動，運動到陰模上表面，是零件完成脫模動作。該動作簡單快捷，由于是借助 壓床的動力，對于一些脫模力較大的零件也可以應用，非常適合大批量生產，缺 點在于陰模內腔會加速磨損。 綜合兩種方案，再根據零件是一種大批量生產，只要求一定的平面度，對陰模 壓制的外輪廓并沒有很高的要求，所以即使是有一定的磨損也在承受范圍內，決 定選擇使用下模沖向上運動使零件脫模的方案。 3.1.3 加熱管的排布方案與選擇 （1）接熱管的排布方案 方案一： 整個模具全部加熱，如圖 3-5 10 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 圖 3-5 幾乎在所有的相關零件上都設有加熱元件的孔，優(yōu)點是加熱速度非?？?，擁有 很快的加工便捷性，相對的，缺點也非常大，浪費資源嚴重，相比于一般的模架 來說，整體強度下降很多，抗彎曲的強度也有所下降。 方案二： 在關鍵性的局部位置添加加熱板或者在強度比較高的模沖內加工可放置加熱 元件的深孔，如圖 3-6 11 汽車剎車片模具設計 圖 3-6 如圖，僅僅在下模沖和上模沖的墊板之上加設了加熱元件，相對于全體加熱，加 熱速度相對較慢，但是考慮到只是加工時的預熱速度較慢，等加熱到可加工溫度， 持續(xù)加工的時達到所需要的溫度很快，如此一來，將大大節(jié)省能源的消耗，節(jié)約 資源，各方面的強度壽命也沒有太大的影響，所以選擇方案二。 （2）加熱元件的選擇 1）選擇單端電熱管，其優(yōu)勢在于： 1、直徑小，可以做到3-25MM。 2、長度不受限制，可以做到20-2000MM。 3、功率高，國內可以做到表面積20瓦特/平方厘米。 4、結構簡單，機械強度高、熱效率高、安全可靠、安裝簡便、使用壽命長、無 污染、價格便宜等特點，同時節(jié)省電能，使用安全，可以彎成各種形狀、輕便、 拆裝方便。 2）性能要求 1.升溫時間：在試驗電壓下，元件從環(huán)境溫度升至試驗溫度時間應不大于15min。 2.額定功率偏差 在充分發(fā)熱的條件下，元件的額定功率的偏差應不超過下列規(guī)定的范圍。 對額定功率小于等于100W 的元件為：±10%。 對額定功率大于100W 的元件為+5%～-10%或10W，取兩者中的較大值。 12 浙江理工大學本科畢業(yè)論文 3.泄露電流