毕业设计（论文）-汽车零件铸造用金属模设计与加工.doc

毕毕 业业 设设 计计 汽车零件铸造用金属模设计与加工 学生姓名学生姓名： 号号： 系系 部：部： 机械工程系 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化 指导教师：指导教师： 二零一四年六月 诚信声明诚信声明 本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名： 年 月 日 全套图纸加扣全套图纸加扣 3012250582 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目：汽车零件铸造用的金属模设计与加工 系部： 机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 学号： 学生：导教师（含职称）：） 专业负责人： 1设计的主要任务及目标 （1）了解需要铸造的汽车零件。 （2）了解模具的选用原则及其金属模与木模的优缺点。 （3）绘制汽车零件的二维图及三维图形并进行三维建模。 （4）学习并制作铸造工艺流程。 （5）进行模具设计过程。 2设计的基本要求和内容 （1）要求了解铸造工艺。 （2）要求基本掌握模具设计过程，并能出产品图纸。 （3）要求了解三维建模过程。 （4）根据设计要求，进行数据的计算及确定。 3主要参考文献 （1）赵伟阁. 模具设计. 西安: 电子科技大学出版社, 2006.8 （2）刘靖岩. 模具设计与制造. 北京: 中国轻工业出版社, 2005.9 （3）袁森.王武孝 汽车刹车盘铸件生产工艺、缺陷分析与对策 J 西安理工 大学材料学院 （4）铸造手册. 第 5 卷，铸造工艺/中国机械工程学会铸造分会编. 2 版. 北京:机械工业出版社，2003.1 （5）丁根宝主编.铸造工艺学（下册）.北京:机械工业出版社，1989 4进度安排 设计各阶段名称起 止 日 期 1 调查研究，查阅资料，文成开题报告2013.122014.03.11 2 拟定并论证总体方案2014.03.112014.04.14 3 结构设计及计算2014.04.142014.04.25 4 模具设计及铸造流程2014.04.252014.06.01 5 整理设计论文，准备答辩2014.06.012014.06.18 汽车零件铸造用金属模设计与加工汽车零件铸造用金属模设计与加工 摘要：摘要：铸造熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有 一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法。 铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清 整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成 形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制 作时间铸造是现代装置制造工艺的基础工艺之一。 此次设计中汽车零件选为汽车刹车盘，即设计主题为汽车刹车盘铸造用金属 模设计与加工。 刹车盘是汽车制动系统的重要组成部分,制动性能的好坏直接关系到车辆的 行驶安全。目前广泛使用的铸铁刹车盘导热率低、易热裂、耐磨性差,需要加以 改进。通过查阅国内外大量相关资料,可以看出用重量轻、性能优良的金属基复 合材料刹车盘替代铸铁刹车盘是汽车刹车盘今后的主要发展方向。同时,汽车产 业作为我国的支柱产业之一,近年来发展迅速,对刹车盘的需求量也非常巨大。 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。 关键词：刹车盘，金属模，铸造工艺 Auto parts casting metal mould design and processing Abstract:The casting metal smelting, casting mold manufacturing, and the molten metal is poured into the mold, molding method of size and performance of metal blank with certain shape, obtained after solidification. The casting is will melting and pouring liquid with certain requirements into casting, the cooling solidification, cleaning after processing a predetermined shape, size and performance of the casting process.Casting blank because almost forming, and achieve free machining or a small amount of processing to reduce the cost and to some extent to reduce production time.Casting is one of the basic technology of moderne quipment manufacturing process. Auto parts for automobile brake disc in this design, the design theme of automobile brake disc metal mold casting design and processing. The brake disc is an important component of the automobile braking system, the braking performance is directly related to the safety of the vehicle. Cast iron brake disc used widely at present low thermal conductivity,easy cracking, wear resistance is poor, need to be improved. Through the related references, can be seen with light weight, good performance of metal matrix composite brake disk to replace the cast iron brake disc brake disc is the main development direction in the future.At the same time, the automobile industry is one of Chinas pillar industries, the rapid development in recent years, the demand for brake disc is huge. Die casting is refers to the structure and shape of parts,structure shape into parts in advance with other easily molded material, and then into the mold in the sand, then the sand on the formation of a cavity and parts structure size, and then in the cavity of the pouring flow liquid, then the liquid cooling solidification can be formed and molds tructure identical parts. Keywords: brake disc, metal mold, casting process 第 I 页 目目 录录 1 1 绪论绪论 .1 1 1.1 铸造模具的历史 .2 1.2 模具设计与制造（铸造模具方向）发展前景分析 .2 1.3 国内研究现状.4 1.4 选题意义 .5 1.4.1 金属型铸造的优点 .5 1.4.2 金属型铸造的缺点.6 1.4.3 金属模具和木模的比较.6 2 2汽车刹车盘产品三维造型汽车刹车盘产品三维造型.7 7 2.1 三维造型.7 2.2 铸造工艺.9 2.3 型砂的选择 .11 3 3 模具设计模具设计.1212 3.1 砂芯造型.13 3.2 浇注系统设计.14 3.2.1 金属型浇注系统最小截面积.14 3.2.2 浇注系统浇口比的确定.17 3.2.3 浇口杯 .19 3.2.4 冒口设计.20 3.2.5 模具的排气 .22 4 4 芯盒的设计芯盒的设计.2424 4.1 模板和砂箱的选用 .24 5 5 金属型模具尺寸的确定金属型模具尺寸的确定.2525 5.1 型腔尺寸的计算 .25 5.2 金属型材料选择 .25 结论结论.2727 参考文献参考文献.2828 致谢致谢.2929 太原工业学院毕业设计 1 1 1 绪论绪论 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 像其它机械行业和机械产品那样，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。 近年来随着汽车工业的飞速发展，汽车需求量也在逐年提高。2007 年全球 汽车产量已突破 7310 万辆，我国汽车产量排世界第三位，产量突破 850 万辆， 且每年仍以近 12%的速度增长。汽车工业已成为国民经济的支柱产业，汽车工 业的发展为汽车零部件特别是铸造企业的发展提供了巨大的发展空间。刹车盘 作为汽车制动系中的主要磨损消耗件，市场需求量很大，每年需求量大约为 6 亿只。因此，从汽车刹车盘产品的铸造生产工艺及铸件质量的分析情况中可以 看到刹车盘产品专业铸造的发展趋势。 太原工业学院毕业设计 2 刹车盘在汽车的制动系统中发挥着至关重要的作用,性能优良的刹车盘是汽 车安全行驶的前提条件之一。虽然经过多年的应用与发展,但是从早期的石棉刹 车盘到目前广泛使用的铸铁刹车盘,在环保、质量等方面都存在一些缺陷,并不 能完全满足市场需求。汽车产业的迅猛发展,汽车产量的大幅度增加,降低能源 消耗、加强环境保护对汽车用材料轻量化的要求,迫使人们不停地开展对汽车刹 车盘的研究。 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。 1.1 铸造模具的历史铸造模具的历史 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。 1.2 模具设计与制造（铸造模具方向）发展前景分析模具设计与制造（铸造模具方向）发展前景分析 1.2.1 市场需求市场需求 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 太原工业学院毕业设计 3 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。 1.2.2 技术要进一步完善技术要进一步完善 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) CADCAMCAE 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 CADCAM 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 CADCAM 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 太原工业学院毕业设计 4 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。 1.3 国内研究现状国内研究现状 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。 1994 年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 180190。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 24.534.3MPa 下压 制，静压 1min 出模。结果表明，冲击强度 3.2dJ/第一汽车厂选用的型砂， 2 cm 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、1SiO 粉以及少 量铜粉、二硫化钼粉、铅粉在混料机中混合 1.525 时，另加入粘结剂、润滑 太原工业学院毕业设计 5 剂、硬脂酸锌在 500 吨液压机上压成毛坯，经 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 3565HBS，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 28031OMPa，硬度 19021OHBS。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。 1.4 选题意义选题意义 刹车盘是汽车制动系统的重要组成部分，制动性能的好坏直接关系到汽车 能否安全、高速行驶。随着汽车产量增加、行驶速度逐渐加快，我国已经成为 世界上交通安全问题最严重的国家之一。虽然解决交通安全问题依赖于加强管 理、使用汽车安全技术等，但最基本和根本的问题仍然是提高制动器性能。刹 车盘与车轮固定在一起，刹车时一般由液压的卡钳将衬片从两面夹紧刹车盘的 制动面，实现干摩擦而制动。 1.4.1 金属型铸造的优点金属型铸造的优点 （1）由于金属型导热性高，散热快，可以得到细小、致密的结晶组织，提 高铸件的力学性能。 （2）能获得较高尺寸精度和较低表面粗糙度的铸件。 （3）与砂型铸造相比，金属型使用寿命长，一般可以使用几千次至数十万 次。可以不用或者很少用型砂，节省型砂运输和型砂处理所需费用和大量劳力。 （4）与压力铸造比较，不需要复杂的铸造机械；不需要特种的模具材料及 热处理；铸件可焊接、热处理，并能耐较高的温度和压力。 太原工业学院毕业设计 6 （5）与熔模铸造相比，有色合金金属型铸件的尺寸精度和表面品质（质量） 不低，且生产周期短，内部品质（质量）高，成本低。 （6）操作容易掌握，能较快培养工人；工序简单、生产效率较高；易于实 现机械化。 1.4.2 金属型铸造的缺点金属型铸造的缺点 （1）金属型本身没有退让性，铸件形成裂纹的倾向性较大，应避免浇注结 晶间隔大、收缩大、裂纹倾向性大的合金。 （2）铸件尺寸精度和表面品质（质量）比压铸低，铸件壁厚不能太薄，一 般不小于 2mm。 （3）用机械加工制造的金属型，制造周期较长、成本较高。因此只有在成 批生产或大量生产时，才能显出好的经济效果。用陶瓷型铸造金属型成本低、 周期短，已普遍推广使用；以铝型铸造铸件也早有应用。 1.4.3 金属模具和木模的比较金属模具和木模的比较 金属模相对于木模可以造的更精确一些，但就经济性而言，木模更有优势； 金属模相比于木模更耐用，表面更光滑；金属模着重铸造工艺过程。 太原工业学院毕业设计 7 2汽车刹车盘产品三维造型汽车刹车盘产品三维造型 金属型铸造模具的三维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铸型、芯盒等。而三维设计可以贯穿于模具设计的全过 程,其流程应该说明的是,设计阶段并非完全独立,而是相互联系的。 三 2.1 三维造型三维造型 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 2.1 刹车片零件图 UGCAD 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 UGCAD 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 三维产品造型三维铸件造型模具设计 太原工业学院毕业设计 8 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。 太原工业学院毕业设计 9 图 2.2 刹车片产品三维造型 2.2 铸造工艺铸造工艺 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。 图 2.3 铸造工艺图 太原工业学院毕业设计 10 （1）分型面 当模具的总体结构确定以后，首先要明确的是模具分型面。从经验来看， 正确选择分型面是设计合理结构的重要条件之一，与模具加工工艺性的好坏、 模具使用性能的好坏有直接的关系。总结以往的设计经验，将复杂金属型模具 分型面确定的一般原则列举如下，其中有些原则在生产中已得到充分的证实。 选择的分型面应保证金属型能顺利开型和取出铸件，不允许损坏铸件或 铸型。 分型面的数目应尽量少，最好是平面分型，这样便于金属型的加工和检 查尺寸，使两半型能准确地吻合，铸件精度高。其次才考虑用折线面作分型面。 如果由于铸件形状的原因，曲面分型不可避免，则必须保证分型面成规则的集 合形状。对复杂曲面，可将铸件以不显著的局部失真，或者用局部镶嵌件来改 成折面。 选择分型面时，应使砂芯数量少。若必须采用砂芯，应使砂芯安装方便， 定位准确，固定牢固。 选择分型面时，应使铸件的基准面和大部分加工面在同一个半型内，分 型面不要位于基准面上。 分型面应避免开在转接圆角处，则必须避免产生铸型尖角。 综合以上规则，并结合刹车盘铸件的具体情况，决定采用图 2-3 所示的分 型方式。 （1）分型面的确定：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 27645.2，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 25，同时铸件的一般公差为 CT8（根据标准 A00-510） 。 （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 太原工业学院毕业设计 11 用 2 度，铸件外表面采用 1 度。 （4）铸造圆角：可防止铸件浇铸时转角处的落砂现象及避免金属冷却时产 生缩孔和裂纹、应力集中。根据工艺要求，非加工面圆角 25mm，加工面圆角 12mm。完成以上几个步骤之后，利用 autoCAD2010 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。 图 2.4 铸件尺寸检验的标准图 （5）收缩率：刹车盘铸件材质为铸铁 HT250；取其铸件收缩率为 1，即 要求模具型腔的尺寸要比产品图纸尺 1.0l 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。 2.3 型砂的选择型砂的选择 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求。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、 太原工业学院毕业设计 12 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，型砂的性能含水量为 4.04.8%，透气率大于 70，湿压强度 6590kpa， 膨润土量为 1.1，有效煤粉为 1.74。 3 模具设计模具设计 对铸造用复杂模具设计而言，必须先进行铸造工艺分析，再进行方案的总 体设计，最后进行各单一模具的设计。根据此原则，在各单一模具设计之前， 要设计金属型铸造模具的总体结构。 模具的设计原则：1.根据零件的形状、结构及不同部位的要求，确定浇注 位置。 对金属型铸造而言，铸件的浇注位置、金属液的凝固顺序、模具浇注系统 的设计等诸多因素均会对铸件的最终质量产生很大影响。浇注位置是指浇注和 凝固时铸件所处的方向和位置。2.模具的总体结构：当铸件的浇注位置确定以 后，对金属型铸造而言，还需确定个部分的成形方法，也就是说，铸件的外形 及内腔是由何种方式成形的。对金属型铸造而言，国内外普遍采用的成型方式 一般为硬模、砂芯、活块及冷铁。 目前国内外金属型铸造的成形方法的选择原则： 铸件外形部分为硬模成形。硬模为金属制造，其冷却条件好，易于实现顺序 凝固，铸件组织细密，机械性能良好，使用成本低，故而是金属型首选的成型 方法。 砂芯一般用于铸件内腔、半内腔、铸件难于出模的外出部分、因模具结构或 凝固顺序的要求而需要延缓凝固的部分的成形。但砂芯的冷却条件差，铸件晶 粒粗大，机械性能差，并且砂芯是一些铸造缺陷如夹砂、气孔、针孔、缩松的 根源，另外砂芯成本较高； 活块一般用于形状不太复杂、易于用硬模成型而出模困难的部分，但从生产 效率和生产管理的角度看，金属型的活块不应过多；铸件外形难于出模的部分 是采用砂芯还是采用冷铁，则要视具体情况而定，要综合考虑铸件凝固顺序、 生产效率以及生产成本。但是根据实际情况尽可能采用砂芯，因为金属活块有 在使用中由于热及外力的作用易变形从而导致配合失调、复杂型面的活块因包 紧力大而取出困难、生产上不易管理等缺点； 基于以上原则，根据刹车盘铸件的结构特点，采用硬模成形；内腔部分用 太原工业学院毕业设计 13 砂芯成形；冒口部分采用砂芯成形。 同时在金属型的总体结构设计中，必须同时考虑模具的加工难度、铸造工 艺性、铸件的结构和使用要求以及铸造设备的限制等因素。 汽车刹车盘铸件采用砂芯、金属型重力铸造。模具采用灰铸铁 HT250。 3.1 砂芯造型砂芯造型 在金属型铸造中，影响出模的内腔一般由砂芯成形。砂芯的热阻非常大， 通常要比金属型的涂料层大得多。因此，经砂芯传递出去的热量相对很少，砂 芯对金属液的冷却作用非常弱。所以铸件中的砂芯对铸件的顺序凝固不构成实 质性的影响。图为在有砂芯的情况下，铸型内温度分布的一般情况。 图 3.1 砂芯对铸件温度场的影响 运用 CAD 画出砂芯的二维图。如图 3.2 所示。 太原工业学院毕业设计 14 图 3.2 砂芯 砂芯三维造型如下： 图 3.3 砂芯三维造型 太原工业学院毕业设计 15 3.2 浇注系统设计浇注系统设计 根据工艺设计的原则，浇注系统应满足以下要求：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 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。 3.2.1 金属型浇注系统最小截面积金属型浇注系统最小截面积 浇注系统的最小截面积，主要影响金属液在浇注系统及型腔中的运动速度 和形态，因而影响金属液的充型过程和凝固形态。浇注系统的计算主要就是计 算最小截面积。由于影响因素很多，如金属液温度和粘度的变化、浇注系统的 结构和型腔形状等引起的阻力、铸件的壁厚、形状和大小、铸型的气体阻力等， 要对它们的影响作正确的计算是十分困难的，所以采用经验公式。 金属型浇注系统最小截面积的计算公式如下： （3-= 2 G F tugH 1） 式中：F浇注系统中最小截面积， 2 cm G金属液的浇注重量，g u包括所有阻力损失的流量损耗系数 t浇注时间，s 液态金属的密度，g/ 3 cm 充填整个型腔的平均计算压头，cm P H g=980,cm/ 2 s （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=7.3 g/，由 UG 软件计算出铸件重量为 9.35kg，同时，浇注系统重量估计为铸件 3 cm 重量的 30，所以 G=9.351.3=12.15(kg)。 （2）u 值的确定 太原工业学院毕业设计 16 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，按下式计算： t=S (3-2)G 式中：G铸件重量（不包括浇冒口系统） ，取 3.7kg S系数，取决于铸件重量，取 3.2 计算得 t=6.2(s) （4）最小剩余压头高度(直浇道高度的确定，示意图 3.4) 图 3.4 直浇道高度示意图 =Ltg (3-3) m H 式中 L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，=10，计算得=45（mm) m H 直浇道最小高度：H=+C=45+50.2=95.2(mm)(c 为铸件高度) m H （5）平均静压头高度 P H 浇注系统平均静压头高度计算如示意图 3.5 所示： 太原工业学院毕业设计 17 图 3.5 浇注系统平均静压头 =HC2=95.250.22=70.1(mm) P H 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=5.8() 2 cm 3.2.2 浇注系统浇口比的确定浇注系统浇口比的确定 直浇道()、横浇道()、内浇道()的截面积比决定了浇注时金属液F直F横F 内 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。金属型铸造宜采用开放式浇注系统，浇口比 ：，取 2：1.5：1 较为适宜。F直F横F 内 所以，根据生产经验数据修正后浇注系统各浇道尺寸为： =5.8() F内 2 cm =12()，=40(mm)F直 2 cmD直 =9()F横 2 cm 修正后的浇口比为：=2：1.55：1F直F横 F内 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 5080mm，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 3.6。 太原工业学院毕业设计 18 1 直浇道 2 横浇道 3 内浇道 太原工业学院毕业设计 19 图 3.6 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。 3.2.3 浇口杯浇口杯 为了增加浇注时金属液的压力，设计单独的浇口杯，高出铸型 50mm，用螺 钉连接在铸型本体上。浇口杯外形及尺寸如图 3.7。 太原工业学院毕业设计 20 图 3.7 浇口杯 图 3.8 浇口杯三维造型 3.2.4 冒口设计冒口设计 由于冒口处于铸件的最顶端或局部顶端，其横截面大，直接对铸件进行补 太原工业学院毕业设计 21 缩，因此，冒口应该是铸件最后凝固的部位。西北工业大学周尧和教授提出了 保温冒口的概念，即采用一定措施尽量减少冒口部分热量的散失或有意在冒口 处增加热源，从而确保冒口对铸件的补缩作用。实践经验证明，保温冒口对提 高铸件的质量起了很大的作用。根据刹车盘铸件本身模具的特点，并参照进口 模具的设计思想，采用了砂芯冒口的形式。由于砂芯的热阻非常大，能大大阻 止冒口内金属液热量的散失，延长其凝固时间，使冒口的作用得以充分发挥。 从该套模具的浇注情况看，砂芯冒口确实起到了预期的效果。 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。 在铝合金金属型铸造时，一般采用热节法来计算冒口的尺寸。该方法的特 点是公式简单，易于计算，而且实用性强。 铸钢件砂型铸造的冒口计算方式广泛采用如下公式： =（+） （3- r V s V r V c V 4） 式中冒口的设计体积 r V 铸件的体积 c V 凝固终了时冒口内凝固层的体积 s V 合金的凝固收缩率 通过式（3-4）可以看出，铸钢件砂型铸造冒口的补缩范围是整个铸件