半金属刹车片模压模设计和制造毕业设计.doc

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1、毕业设计（论文） 题题 目目 半金属刹车片模压模设计和制造 摘 要 本课题主要是对半金属刹车片的模压模具设计的研发过程，对塑件结构进行了工 艺分析,并利用 UG 软件完成模具三维造型及二维工程图的设计。通过对半金属刹车片 的工艺优化及模具设计的流程、工艺重要参数选择及优化，确定合理的模压工艺方案， 并对其工序进行相关的工艺尺寸计算，然后根据压缩模的设计规范，设计出了合理的 模具结构。 关键词：关键词：模压；刹车片； 压制模；UG ABSTRACT This topic is mainly to semi-metallic brake pads molded mold design and de

2、velopment process, and completes the three-dimensional modeling and 2D drawing designing in UG By semi-metallic brake pads process and optimization of mold design process, technology selection and optimization of key parameters, determined a reasonable solution molding process , Calculated the proce

3、ss size which is related to the relevant processes .Then according to the design specification of compression die designed the reasonable mold structure. Keywords: molded; brake pads; press die; UG 目 录 第 1 章 概论 1.1 课题来源、目的和意义 1.2 国内外模具技术发展现状与趋势 1.2.1 国内外模具的发展现状 1.2.2 国内外模具的发展趋势 1.3 本课题的内容和具体要求 1.3.1

4、 本课题的内容 1.3.2 对压制成型工艺的特点与要求 1.3.3 刹车片的分类 1.3.4 本课题的主要任务与要求 1.4 压制成型工艺过程 第 2 章 制件结构分析及工艺方案6 2.1 制件结构工艺分析6 2.2 制件工艺方案的确定8 2.2.1 主要设计内容8 2.2.2 工艺设计方案8 2.2.3 工艺方案的选择9 第 3 章 工艺计算及主要工艺参数的确定11 3.1 加料腔尺寸计算11 3.2 压制成型压力的计算12 3.3 开模力的计算12 3.4 脱模力的计算13 3.5 压力机的选择13 3.6 压力机的校核14 3.7 压力中心的确定14 3.8 预压和压制行程计算15 3.

5、9 塑料件在模具内加压方向的选择15 3.10 压缩成型温度16 3.11 压缩成型时间16 第 4 章 压缩模总体结构设计17 4.1 压缩模主体结构设计17 4.2 预压模的结构设计17 4.2.1 压膜的型腔配合形式17 4.2.2 确定成型零件的结构形式与尺寸计算18 4.2.3 加料室高度尺寸计算19 4.2.4 承压面的结构形式21 4.2.5 导向机构的设计22 4.2.6 凸模的尺寸校核23 4.3 压制模的结构设计24 4.3.1 成型零件的结构形式24 4.3.2 承压块的设计25 第 5 章 模具的工作过程26 5.1 预压模模具的结构26 5.2 预压模的工作过程26

6、5.3 压制模模具的结构27 5.4 压制模的工作过程27 第 6 章 总结29 结束语30 致 谢31 参考文献32 第 1 章 概论 1.1 课题来源、目的和意义 本课题来源于生产实际，主要是对半金属刹车片的模压模具设计，并且得到了材 料力学、塑料模具设计及机械制造技术基础的综合训练。同时，掌握汽车半金属刹车 片的工艺优化及模具设计的流程、工艺重要参数选择及优化，并加深对计算机辅助绘 图软件的了解以及加强查阅运用资料、手册的等主要方面能力的训练。在这个过程中 也可以加强自身对所学知识的运用以及分析问题和解决实际问题的能力、探求真理的 创新精神和创新能力并受到工程设计与科学理论结合的初步训练

7、等方面的能力。 模具设计和制造是我国经济建设中的一项重要产业，起着振兴和发展我国模具工 业的重要作用，正日益受到人们的重视和关注。以汽车半金属刹车片为例，通过计算 机设计模具结构及模拟模压过程并对其中的工艺和模具进行优化，可以大大缩短模具 设计周期，提高产品设计的准确性，降低产品开发和模具成本。尤其是在模具技术相 对落后的中国，制造出优质的模具以及生产出高质量的模压产品势在必行。 1.2 国内外模具技术发展现状与趋势 1.2.1 国内外模具的发展现状 模具作为工业生产的基础工艺装备, 在汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防 工业和日常生活用品的生产中被广泛应用。70%的零件都要依靠模具成形，

8、并且随着近 年来这些行业的迅速发展，对模具的要求越来越迫切，精度要求越来越高，结构要求 也越来越复杂。用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产 效率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具生产的工艺水平及科技含量 的高低,成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志,在很大程度上决定着产品的 质量、效益、新产品的开发能力, 决定着一个国家制造业的国际竞争力【1】。 我国塑料模的发展极其迅速,30 年已走过国外 90 年的历程, 现已具相当规模. 塑料 模的设计技术、制造技术 CAD 技术、CAPP(Copmuter Aided Programed Proee-dure

9、 / Proeess Planning)技术已有相应的涉猎和开发应【2】。 中国虽然在很早以前就制造模具和使用模具,但一直未形成产业。1988 年至 1992 年, 国家委托中国模协和机械院在全国范围内组织了上百个模具企业和有关科研单位、 大专院校, 共同对模具关键技术进行攻关, 取得了丰硕成果。20 世纪 90 年代以来, 中国在汽车行业的模具设计制造中开始采用 CAD/ CAM 技术。由于 CAD/ CAE/ CAM 的 应用, 特别是 20 世纪 80 年代开始中国许多模具制造厂从国外引进了许多软件, 包括 压制模、级进模、塑料模、压铸模、橡胶模、玻璃模、挤压模等相应软件, 使中国模 具

10、设计制造水平有很大提高, 也产生了较大的经济技术和社会效益。20 世纪 80 年代 后期开始, 中国模具工业发展十分迅速。由于国民经济的发展对模具提出了越来越高 的要求, 使国有模具企业有了很大发展,世界模具市场仍然是供不应求。近几年, 世界 模具市场总量一直保持在 600 亿-650 亿美元之间。美、日、法、瑞等国每年出口模具 约占其本国模具总产值的 1/ 3, 我国模具的出口量还不到总产值的 5%, 我国模具出口 可以发展的空煎非常广阔【3】。 综上所述, 我国塑料模具的质量、技术和制造能力近年来确实发展很快, 有些已达 到或接近国际水平, 由于我国模具制造基础薄弱, 各地发展极不平衡,

11、因此总体来看, 与国际先进水平相比和与国内外市场需求相比, 差距还很大。这主要表现在下列方面。 1.产品质量不高。国内模具生产厂家，工艺条件参差不齐，差距很大。不少厂家 由于设备不配套很多工作依赖手工完成，严重影响了精度和质量。模具的质量、性能 依赖试模结果检验。 2. 标准化水平不高。由于中国模具标准化工作起步较晚，模具标准件生产、销售、 推广和应用工作也比较落后，因此，模具标准件品种规格少、供应不及时、配套性差 等问题长期存在，从而使模具标准件使用覆盖率一直较低。 3. CAD/CAE/CAM 技术刚起步。在欧美 CAD/CAE/CAM 已成为模具企业普遍采用的技 术而我国只是刚刚起步。

12、。在冲模设计中应用 CAE 软件，模拟金属变形过程，分析应力 应变的分布，预测破裂、起皱和回弹等缺陷，我国只有少部分企业开始 CAE 技术的应 用。 4. 缺乏相关人才。我国传统教育方式对模具人才的培养存在不足。一些高校尽管 在近几年内设立了模具专业，但由于受软硬件设施限制，培养出的学员实际技能不够。 而社会上各种各样的模具培训班，由于缺乏规范的职业标准，因此学员质量良莠不齐。 造成上述差距的原因很多, 除了历史上长期以来未将模具作为产品得到应有的重 视以及多数国有企业机制仍不能适应市场经济之外, 还有下列几个主要原因: 1. 国家对模具工业的政策支持力度还不够。 2.人才严重不足, 科研开发

13、及技术攻关方面投入太少。 3.工艺装备水平低, 且配套性不好, 利用率低。 4.专业化、标准化、商品化的程度低, 模具企业之间协作差。 5. 模具材料及模具相关技术落后【4】。 1.2.2 国内外模具的发展趋势 由于模具工业快速发展及上述各方面差距的存在，因此我国今后模具的发展必将 大于模具工业总体发展速度。模具生产企业在向着规模化和现代化发展的同时， “小而 专”、 “小而精” 仍旧是一个必然的发展趋势。从技术上来说，为了满足用户对模具制造 的“交货期短”、 “精度高”、 “质量好”、 “价格低”的要求，以下的发展趋势也较为明显。 展望我国模具的未来，笔者以为应从提高技术水平着手，一方面发展

14、专业模具厂 的技术优势，使之进一步提高对某一类模具的设计制造水平；另一方面 要不断采用新技术、新工艺，提高模具产品的技术含量。要提高我国的模具技术 水平，必须在以下方面加大努力： 1.开发精密、大型、复杂、长寿命的模具，实现模具国产化； 2加速模具标准化、专业化、商品化生产； 3.大力发展 CADCAMCAE、RPM 等先进模具设计和制造技术； 4.加大人才培养的力度，使他们尽快掌握模具设计和制造中的先进技术。 1.3 本课题的内容和具体要求 1.3.1 本课题的内容 汽车工业是一个巨大的市场，新型高性能无石棉摩擦材料刹车片、离合器片是汽 车不可缺少的零配件（易耗体） ，同样拥有巨大的需求和市

15、场，且市场需求增长与汽车 工业的发展息息相关（汽车产量和保有量决定了刹车片的产量，它与刹车片产销量之 间存在很强的正相关关系） ，中国汽车工业的快速发展将直接带动摩擦材料（刹车片、 离合器片）生产企业的更高速发展。 本课题对半金属刹车片模压模具进行设计，并根据图纸和模压工艺制造模具。 1.3.2 对压制成型工艺的特点与要求 压制成型又称为压塑、压缩或者压胶成型，主要用于成型热固性塑件的制件，还 可以成型热固性塑性塑料制件。其工艺的主要优点与制件的主要要求有如下几点： （一） 制件质量高 与热固性塑料注射或压注成型相比，制件的收缩率较小、变形小、各项性能比较 均匀，塑料流动距离较短，收填料的定向

16、影响少，制件案的尺寸变动和变形小，故力 学性能稳定。 （二） 制件尺寸精度高 适用于流动性差的塑料，从而比较容易成型大型制件，尺寸精确，表面光洁，质 量稳定，可换性好。 （三） 模具结构简单 与注塑成型等相比，使用的设备和模具比较简单。制造费用低，制造周期短，维 修方便。特别适用于生产数量少的制件，可以降低成本。 （四）不受塑料种类的限制 压制成型工艺基本上对每种塑料都能适用【5】。 1.3.3 刹车片的分类 有着汽车保护神之称的刹车片，不仅是刹车系统中重要零部件之一，更是汽车易 损件中的一种。刹车片的好坏直接决定着汽车刹车效果，所以它的选择也就尤为重要。 目前，市场上的刹车片按成分技术来分主

17、要分为以下三种： （一）石棉型刹车片：其成分 40%-60%是石棉。 石棉片的主要优点是廉价 。 其 缺点是：1.石棉纤维可能会导致肺癌。不符合现代环保要求。2.石棉导热能力差。 通常反复制动会使热量在刹车片中堆积起，刹车片变热后，它的制动性能就会发 生改变，要产生同样的摩擦和制动力需要更多的踩刹车次数，这种现象被称为“制动萎 缩”，如果刹车片达到一定热度，将导致制动失灵。 （二）半金属混合物刹车片：主要采用粗糙钢丝绒作为加固纤维和重要的混合物。 半金属片的主要优点是：主要优点在于它的温控能力及较高的制动温度，同石棉型的 传热性能差与制动盘、制动鼓的冷却能力差相比它们在刹车时帮助制动盘和制动鼓

18、将 热量从其表面上散发出去，热量被传递到制动钳及其组件上。其缺点是：1.需要更高 的制动压力来完成同样的制动效果，2.特别是在低温环境中金属含量高对刹车盘磨损 大，同时会产生更大的噪音。3.制动热量被传递到制动钳及其组件上，会加快制动钳、 活塞密封圈和回位弹簧老化。4.处理不当的热量达到一定温度水平，将会导致制动萎 缩和刹车液沸腾。 （三）无石棉有机物 NAO 型刹车片：主要使用玻璃纤维、芳香族聚酰纤维或其它 纤维（碳、陶瓷等）作为加固材料。 NAO 片其主要优点是：无论在低温或高温都保持 良好的制动效果，减少磨损，降低噪音，延长刹车盘的使用寿命。代表目前摩擦材料 的发展方向。 所有世界著名品

19、牌奔德士/菲罗多牌刹车片使用的摩擦材料都是第三代 NAO 无石棉有机物材料。能在任何温度下制动自如。保护驾驶员生命安全。并最大限 度上延长刹车盘寿命。 目前市场上大部分刹车片都是使用第二代半金属摩擦材料或石棉制造。 由于轿车行驶速度高于一般汽车，半金属盘式刹车片的制动摩擦面积小，这使得 盘式刹车片比一般刹车片要承受更高的制动负荷，吸收更多的制动能量，经受更高的 制动温度，且要有良好的制动性能，较好的耐磨性和热稳定性，从而保证足够的安全 和寿命；另外，刹车片对对偶件的损伤及制动噪音要小等。轿车盘式刹车片的典型结 构是由钢背和衬片二者结合而成，钢背在刹车片中起着支撑和增强作用，使刹车片能 够经受制

20、动和传动时的冲击力和压力；衬片则起制动或传动的功用，刹车片制动性能 的好坏主要是指衬片性能的优劣【6】。 1.3.4 本课题的主要任务与要求 （一）本设计中要注意的问题：制件的精度要求与配合。 （二）估计预期的效果：通过本次设计，熟练掌握模具开发的基础知识和工艺， 并能熟练应用 UG、Auto-CAD。 1.4 压制成型工艺过程 图 1-1 压制成型工艺流程图 第 2 章 制件结构分析及工艺方案 2.1 制件结构工艺分析 零件名称：刹车片 材 料：半金属混合物衬片与钢背板 厚 度：17mm 半金属混合物摩擦片的原料成份(%)（质量分数）如表 2.1 所示 表 2.1 半金属摩擦片的原料成份 序

21、号原料名称质量百分比/% 1 钢棉 20 2 酚醛树脂 10 3 人造石墨 10 4 超细硫酸钡 20 5 黄铜纤维 2 6 煅烧氧化铝粉 2 7 煅烧石油焦 5 8 超细氧化铁粉 5 9 软性泡沫铁粉 5 10 硫化锑 3 11 棕刚玉 4 12 粘胶纤维 3 13 黄铜粉 5 14 硫化锌 5 15 芳纶纤维 1 图 2-1 刹车片产品图 本制件的形状结构比较简单，制件材料为半金属混合物与钢背板之间的粘合，料 厚为 17mm。其中，半金属混合物的厚度为 11mm，钢板的厚度为 6mm，具体形体尺寸如 图 2.1 所示。半金属混合物衬片的表面精度为 8 级，模具的精度应高于制件的精度等 级

22、2-3 级，因此模具的精度等级取 6 级，部分零件（比如：凸模与凹模）之间的配合 公差等级可以取 5 级。钢背板的表面粗糙度是 6.3，并且此板事先要用线切割切出来， 然后在压缩模装配时放入凹模内，然后再在加料腔里加入粉料进行加热压缩固化成型。 该制件的形状相对来说较为简单，压制部分也比较规则，从技术要求和使用条件 上看，该制件精度、刚度、强度要求较高，该工件压缩工艺性比较好。但是，半金属 摩擦片的材料成分比较复杂，不宜直接计算它的密度、比体积、压制成型压力、压制 成型温度以及成型收缩率等加工过工艺参数。姑且认为成型压力、压缩率和比体积较 大，为了实现制件的生产，宜采用预压模将混合物先压制成锭

23、块，以达到减小压制模 的成型压力。同时，采用预压模，可以降低压制模的加料室的高度，增加制件的密度， 保证制件的组织紧密均匀。这种工艺方案既满足使用性能和成型工艺的要求，又做到 结构合理，造型美观，便于制造。 2.2 制件工艺方案的确定 2.2.1 主要设计内容 本课题主要是对刹车片进行工艺分析并进行模具三维造型及二维图的设计，从而 达到提高学生的模具设计水平，提高综合运用大学所学的知识的能力，为将来工作奠 定基础，积累经验。 2.2.2 工艺设计方案 该制件形面较为简单，不需要多个工序方能做出复合要求的制件。但是，只有对 工序进行合理的组合以及对压制顺序进行合理的安排，才能保证产品的质量，提高

24、生 产效益，满足大批量生产要求。 本设计为小批量生产的刹车片压制工艺方案。由于在小批量的生产时刹车片压制 工艺方案的关键在于考虑生产的成本，在保持优良性能的情况下，使用大量价格低廉 的材料，使得这些材料的价格比较便宜。综合该产品的形状及工艺分析可以初步的定 义几种设计工艺方案，如图 2-1、2-2、2-3： 图 2-2 方案一预压模示意图 方案一：方案一：带有加料板的半开式预压模半开式压制模 上模座板凸模固定板上凸模导板 凹模固定板下模座板凹模加料板 上模座板凸模固定板凸模加料板导板 图 2-3 方案二预压模示意图 方案二：方案二：带加料板的预压模的半开式预压模半开式压制模 图 2-4 方案三

25、预压模示意图 方案三：方案三：不带加料板的半开式预压模半开式压制模 2.2.3 工艺方案的选择 从生产率、模具结构和寿命方面考虑了坯料预压成形和压制成型的同时，刹车片 取件，加工工艺性等因素，进行如下的分析： 方案一方案一：本方案的特点是模具都采用一模一件，这使得模具结构相对简单，而且 带有加料板作为加料室型腔，兼有敞开式和半敞开式这两周种模具的多数优点。主要 结构如图所示，主要由凹模、凸模和加料板组成，加料板与凹模合在一起构成加料室。 加料板是一个浮动板，适用于高压缩的塑料，且制件密实性好。但是其缺点是：1、 凹模的加工困难，难以实现，而且凹模边缘处的毛刺等不易清除；2、 ，由于刹车片的 凹

26、模固定板凹模垫板凹模 上模座板凸模固定板凸模 导板 凹模下模座板 形状原因，导致取件不容易实现，并且开模后挤压边缘上的废料不易清除，最后生产 效率变低，提高了生产成本及生产周期。 方案二方案二：与方案一相比，方案二中的凹模进行了改进， ，凹模完全是由线切割制 成，更加容易实现模具的机械加工，加工工艺更加简单，同时，模具下压的时候，预 压塑料因为密实性降低，多余的空气会从凹模与凹模固定板的配合的间隙之间排除， 而且在开模后可以手动取件，实现取件难得问题。但是，模具的数量增加，模具成本 增加，而且，由于凸模的缘故，造成力学强度降低，刹车片的密实度难以保证，有可 能造成预压模所施的压力将全部作用在制

27、件的边缘上，塑料的溢料部分不易清除。 方案三方案三：，方案三相比于方案一和方案二而言，有如下几个优点：1、模具结构 简单，模具制造费用低，制造周期短，维修方便。由于是试制新产品，在一定程度上 可以缩短试制周期，降低了成本。2、制件尺寸高，模具的加料室只有凹模与凸模两 部分，在一定的程度上减少了飞边的形成，比较容易成型尺寸精确、表面光洁、质量 稳定的制件。3、相比于前两种方案，它的成型面积比较小，因此成型所需要的成型 压力也比其他方案的小，同时，材料损耗少，塑件密实性好，飞边在垂直方向，易于 去除。4、由于无加料板，安装嵌件比较方便。 综合以上的分析比较，可看出在一定的生产批量条件下，选择第三方

28、案较为合理。 本次毕业设计主要是利用 UG 三维设计技术对方案三中的压制模模具进行三维设计。 第 3 章 工艺计算及主要工艺参数的确定 3.1 加料腔尺寸计算 由于本制件型面复杂，无法用普通方法直接计算分型面面积和体积， 在此采用 UG 的分析法，先确定制件的形体尺寸，将利用 UG 将实物用三 维图画出来，并不断的调整实物的大小和形状，直到所有的尺寸与实物 一致，然后利用 UG 软件的分析功能，最终确定实物的分型面面积和体 积、周长分别为：2960.8983mm2 、31045.9996mm3和 216.2202mm。具 体分析图如下所示： 图 3-1 实物的面积分析图 图 3-2 实物的体积

29、分析图 图 3-3 实物的分型面周长分析图 实物分型面 面： 2960.8983 mm2 实物分型面 体积： 31045.9996 mm3 实物分型面 周长： 216.2202mm 3.2 压制成型压力的计算 压制成型压力是指压制时，压力机通过凸模对塑料熔体充满型腔和 固化是在单位投影面积上施加的压力，简称成型压力。 成型塑件所需的总压力计算公式【7】： Fm=nAP （3-1） 式中：n型腔数目 A单个型腔水平投影面积（mm2） ，对于溢式和不溢式模 具，A 等于塑料制件最大轮廓的水平投影面积；对于半溢式模具，A 等 于加料腔的水平投影面积； P压缩成型塑件所需的单位成型压力（Mpa） 通过

30、 UG 软件分析中测量面命令估算塑料件在加料型腔的投影面积 为 A=2960.8983mm2 在材料为混合物（其主要成分的酚醛树脂）的情况下，其单位压力 查表 8.1，取扁平壁厚塑件，粉末酚醛树脂类，不预热的单位压力在 12.2517.15MPa 之间，取 P=15MPa；预热的单位压力在 9.8014.70MPa 之间，取 P=12MPa 【7】。 又因为本次设计分为预压模阶段和压制模阶段，其中，预压模不需 要预热，压制阶段需要预热。又由于本次产品设计处于试制阶段，因此 均采用一模一件的模具，所以取 n=1 。 所以 预压模阶段的压制力为 Fm 预=nAP =115 Mpa2960.8983

31、mm2 =44413.4745（N） =44.41（KN） 压制模阶段的压制力为 Fm 压=nAP =112 Mpa2960.8983mm2 =35530.7796（N） =35.53（KN） 3.3 开模力的计算 查相关资料可知，开模力可按下式计算【7】： FKKFm （3-2） 式中：FK开模力； K系数，当塑件形状简单，凸、凹模配合环不高时取 0.1；配合环高时取 0.15；塑件形状复杂，配合环又高时取 0.2。 Fm压缩成型塑件所需的总成型压力（Mpa） Fm 预=44.41KN Fm 压=35.53KN 由于塑件形状简单，因此预压模时，配合环高度较高，取 K=0.15；压制模时，凸、

32、凹模配合环不高，取 K=0.1。 所以 预压模阶段的开模力为 FK 预KFm 预 =0.1544.41KN =6.662（KN） 压制模阶段的开模力为 FK 压KFm 压 =0.135.53KN =3.553（KN） 3.4 脱模力的计算 压机的顶出力是保证压缩模推出机构推出塑件的动力，压缩机 所需要脱模力可按下式计算【7】： Ft=AcPf (3-3) 式中：Ft塑件从模具中所需要的脱模力（N） ； Ac塑件侧面积之和（mm2 ） ； Pf塑件与金属表面的单位摩擦力，塑件以木纤维和 矿物为填料时取 0.49 MPa ，以玻璃纤维增强时取 1.47MPa。 查表 2.1 可知，此处取 Pf1.

33、47MPa。 根据 UG 的分析可知，塑件的侧面积不能直接得出，可以用周长与 高的乘积来估算侧面积的大小。如图 3-3 所得塑件的周长为 C=216.2202mm 由于预压模的原因，塑件的高度略高于实际尺寸，故取高度为 h=14mm。 所以 预压模阶段的脱模力为 Ft 预=Ac Pf =216.2202mm14mm1.47MPa =4449.8（N） 压制模阶段的脱模力为 Ft 压=Ac Pf =216.2202mm11mm1.47MPa =3496.3（N） 3.5 压力机的选择 压力机型号的确定主要取决于压制工艺的要求及塑件结构。选用液 压压力机时，必须满足以下要求： (1)压缩成型塑料制件所需要的总成型压力应小于或等于压力机的 公称压力，即 FmKFp