打孔通风刹车盘铸造工艺设计

金 华 职 业 技 术 学 院JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY毕业综合项目成果（2012 届）题 目 打孔通风刹车盘铸造工艺设计 学 院 机电工程学院 专 业 汽车检测与维修技术 班 级学 号姓 名指导教师2011 年 12 月 26 日 金华职业技术学院毕业综合项目成果目 录摘要1引言 11 汽车刹车盘概述11.1 刹车盘结构及作用21.1.1 刹车盘结构21.1.2 刹车盘作用21.2 打孔通风刹车系统的特点21.2.1 打孔通风刹车盘的优点21.2.2 打孔通风刹车盘的缺点32 金属型及芯砂的选择32.1 金属型材料选择32.1.1 性能比较32.2 铁型覆砂工艺42.3 芯砂选择43 铸造工艺设计53.1 铸造工艺分析53.1.1 实际生产工艺63.1.2 刹车盘加工工艺73.2 浇注系统设计73.2.1 浇注系统计算83.2.2 实用冒口设计103.2.3 排气槽设计103.4 风孔、风道设计10结论 11谢辞 12参考文献 12 附件 -1-打孔通风刹车盘铸造工艺设计机电工程学院 汽车检测与维修技术 摘要：如今，绝大部分汽车都至少在前胎装有盘式刹车大多数汽车的四个轮胎上都装有盘式刹车装置。汽车刹车性能好坏直接决定了安全性，而刹车盘的好坏也是直接影响到刹车性能的好坏。本论文针对现代汽车技术及其发展现状，对金属型覆砂铸造刹车盘的工艺进行设计。通过对零件图的详细分析，明确了各项技术指标。拟定铸造工艺方案，包括选择铸造和造型方法等。完成砂芯设计、浇冒口设计和风道风孔设计。绘制零件图、工艺流程图等。关键词：金属型覆砂 芯砂 风孔风道 工艺设计引言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。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。在这种需求下，刹车盘的铸造工艺发生了翻天覆地的改变。刹车盘铸件属薄壁小件，技术要求高，而国内生产出口刹车盘的企业，大多采用手工造型，粘土砂湿型，冲天炉熔炼铁液，成分变化较大，给生产技术管理和铸件质量控制带来一定难度，个别厂家铸件废品率居高不下，直接影响企业的经济效益和出口业务，急需有新的工艺取代。其中运用的铸造方法金属型覆砂铸造，已在许多铸造领域采用，并得到广大厂家及工厂的认可。本毕业设计也采用金属型覆砂铸造刹车盘，以保证铸件质量及出品率。1 汽车刹车盘概述刹车一般有盘刹和鼓刹两种，老一些的车很多都是前轮盘刹后轮鼓刹的。刹车盘较刹车鼓有散热快、重量轻、构造简单、调整方便，特别是在高负荷时耐温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬天和恶劣路况下行车，盘刹比鼓刹更容易在较短时间内令车停下。有些刹车盘上还开了很多小孔，加速通风散热，提高制动效率。盘刹的刹车盘就是一个圆的盘子，车子行进时它也是转动的。制动卡钳就是用来两片夹住刹车盘而产生制动力的。它相对旋转的刹车盘是固定的。踩刹车时就是它夹-2-住刹车盘起到减速或者停车的作用。如图 1 所示打孔通风刹车盘图片：图 1 打孔通风刹车盘1.1 刹车盘结构及作用1.1.1 刹车盘的结构盘式刹车盘分为实心盘（单片盘）和风道盘（双片盘） 。实心盘式我们比较容易理解，说白了，就是实心的。风道盘，顾名思义具有透风功效。从外表看，它在圆周上有许多通向圆心的洞空，称为风道。汽车在行使中通过风道处空气对流，达到散热的目的的，比实心式散热效果要好许多。1.1.2 刹车盘的作用刹车盘是用来制动的，盘式刹车以静止的刹车片，夹住随着轮胎转动的刹车盘以产生摩擦力，使车轮转动速度降低的刹车装置。当踩下刹车踏板时，刹车总泵内的活塞会被推动，而在刹车油路中建立压力。压力经刹车油传送到刹车卡钳上的刹车分泵的活塞，刹车分泵的活塞在受到压力后，会向外移动并推动刹车片去夹紧刹车盘，使得刹车片与刹车盘发生摩擦，以降低车轮转速，好让汽车减速或是停止。盘式刹车的刹车盘暴露在空气中，使得刹车盘有优良的散热性，当车辆在高速状态做急刹车或短时间内多次刹车，可以让车辆获得较佳的刹车效果，以增加车辆的安全性。并且由于盘式刹车的反应快速，有能力做高频率的刹车动作。1.2 打孔通风刹车系统的特点1.2.1 打孔通风刹车盘的优点（1） 打孔能够尽快使刹车盘上因与刹车片摩擦产生的灰尘通过孔洞分散到空气中，从而避免因有灰尘产生的滚动摩擦，提高刹车盘与刹车片之间的摩擦力。（2） 打孔是通过在刹车面上开孔，提高刹车盘表面的空气流动速度和散热效率，避免热量集结，影响刹车效果，同时也使热量不至于过多通过轮圈传递到轮胎上，降低高温爆胎的风险。（3） 打孔通风刹车盘在雨天行驶时，可以有效避免产生水膜润滑效果，防止刹-3-车效果减弱，在晴天行驶一样可以减轻空气产生的气膜，从而提高刹车效果。（4） 刹车盘经过 500 度高温烧蚀处理，消除内应力，防止在刹车过程中由于温度过高而导致刹车盘变形和刹车效果降低，同时还可防锈，耐腐蚀，延长使用寿命。1.2.2 打孔通风刹车盘的缺点（1） 因为没有鼓式刹车的自动煞紧作用，使盘式刹车的刹车力较鼓式刹车为低。（2） 难以完全防尘和锈蚀。（3） 手刹车装置不易安装，有些后轮使用盘式刹车的车型为此而加设一组鼓式刹车的手刹车机构。（4） 刹车片之磨损较大，致更换频率可能较高。2 金属型及芯砂的选择2.1 金属型材料选择根据以往金属型设计经验，选择常用的 HT200 作为金属型材料，参数如下：牌号：HT200标准：GB 9439-88特性：珠光体类型的灰铸铁。其强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好，铸造性较优，需进行人工时效处理，其原理是把铸件重新加热到 530-620，目的在于消除铸件内应力，减少变形、开裂的缺陷。化学成分：碳 C ：3.163.30硅 Si：1.791.93锰 Mn：0.891.04硫 S ：0.0940.125磷 P ：0.1200.170力学性能：抗拉强度 b (MPa)：200硬度 ：(RH=1 时)209HB试样尺寸：试棒直径：30mm金相组织：片状石墨珠光体2.1.1 性能比较表 3 金属型铸造和砂型铸造灰铸铁件性能比较铸件种类 b (MPa) HBS 加工性 石墨形态-4-砂型 180200 150180 一般 A 型金属型 200250 170220 好 D 型2.2 铁型覆砂工艺 覆膜砂：在造型、制芯前砂粒表面上已覆盖有一层固态树脂膜的型砂、芯砂称为覆膜砂。其基本工艺过程是利用射芯在加热的铁型上填上一层覆膜砂，以形成精密的型腔来生产铸件。本毕业设计覆膜砂厚度为 5mm。表 4 覆膜砂基本配比所示。表 4 覆膜砂基本配比成分 配比 说明原砂 100 擦洗砂酚醛树脂 1.03.0 占原砂重乌洛托品（水溶液 1:1） 1015 占树脂重硬脂酸钙 57 占树脂重2.3 砂芯选择造型材料性能的基本要求：(1) 具有一定强度，保证在合型、搬运和浇注过程中不变形、不损坏。(2) 良好的透气性。(3) 对铸件收缩的可退让性。(4) 一定的耐火度和化学稳定性。树脂自硬砂是指原砂（或再生砂）以合成树脂为粘结剂，在相应的固化剂作用下，在室温下自行硬化成形的一类芯砂，其基本特点是： 型砂加热无需加热烘干，更节省资源，同时可以采用木质或塑料芯盒和模板。 铸件质量高，铸铁件的尺寸精度高。铸铁件表面粗糙度比粘土砂、水玻璃砂好。 型砂容易紧实，易溃散，好清理，旧砂容易再生回用，因而大大减轻劳动强度，改善车间劳动环境，使单间小批量生产实现机械化。 树脂价格较高，同时要求使用优质原砂，因而型砂成本比粘土砂水玻璃砂高。 混砂、造型、浇注时，有刺激性的气味，应注意劳动保护。表 5 树脂自硬砂用原砂的技术指标（%）指标原砂 粒度级别SiO2 含泥量 含水量 微粉量 酸耗值灼减值-5-石英砂 30（40/70）90 0.2 0.10.2 0.51 5 0.5表 6 树脂自硬砂配比项目 砂子 100% 占砂子的百分比 比占树脂的百分型砂组分 新砂 再生砂 树脂 固化剂加入量（%） 10 90 0.81.5 3050表 7 再生砂的质量指标灼烧量（%）酸耗值（mL）PH 值0.075 筛底盘（%）底盘（%）含水量（%）含氮量（%）2.0 2.0 5 1.0 0.2 0.2 0.1 砂芯造型：运用 UG 的 Modeling 模块进行砂芯的三维实体建模，需采取以下步骤：a 建立一个在三维空间能完全包容铸件三维造型的实体方坯； b 用刹车盘铸件造型作为工具实体，与目标实体方坯作 Subtract 运算，得到一个砂芯的初始原型；c 根据工艺要求，对砂芯局部形状、尺寸进行修改，得到砂芯的三维造型。图 5 三维造型图 图 6 二维工程图3 铸造工艺设计3.1 铸造工艺分析比 例 构成-6-覆砂金属型铸造工艺是一种新型的铸造方法, 它是在粗成形的金属型内腔上覆上一层 5 8mm 的覆砂层而形成铸型的一种先进铸造工艺。 该工艺克服了金属型铸造无退让性的缺点, 使冷却条件得到很好的改善; 该工艺不仅提高了铸件的成品率和工艺出品率, 对铸件的表面质量和力学性能也有了很大的提高。铸件凝固过程是一个非常复杂的过程, 基本上可视为一个不稳定的导热过程 ,它同铁液成份、浇注温度、浇注速度及浇注系统、金属型壁厚、覆砂层厚度等有着很大的关系。经过大量的试验, 根据铸件不同的壁厚、 不同的铁液成份, 摸索出一整套合理的金属型壁厚和覆砂层厚度的经验数据及计算公式,在实际生产中发挥了重要作用。根据铸件温度场模拟可以得出铸件的凝固顺序, 就可以制定合理的浇注工艺和设计合理的浇注系统。首先对铁水浇入铁型覆砂铸型以后，铸件覆砂层铁型不稳定热交换情况分析如下图 7。图 7 铸件覆砂层铁型温度分布3.1.1 实际生产工艺大批量生产中的铁型覆砂铸造，其覆砂造型方法如图 8 所示。覆砂造型是铁型背面的一组射砂孔，经铁型和模样合模后形成的间隙（缝隙宽度等于覆砂层厚度）射入流动性较好的型砂，再经固化，起模后即形成铁型覆砂的铸型（即覆砂铁型） 。一般铁型覆砂铸造的生产流程如图 9 所示。图 8 机械造型-7-图 9 铁型覆砂铸造生产流程3.1.2 刹车盘加工工艺具体加工工艺见表 8。表 8 刹车盘加工工艺卡零件机械加工工艺过程卡片 刹车盘 产品图号 第 1 页毛坯种类 板材 零件材料 HT200 SHACHEPAN 共 1 页工时工序 名称 工序内容 车间加工 准终备注10 下料 下料：尺寸 310*30 金工 0 020 车夹毛坯外圆，车端面光出，车外圆 307至图纸要求，调头夹 307外圆，车 150圆（中间凸起部分）及端面至图纸要求，倒角清刺。金工 20 1030 钻钻 50至图纸要求（中间大孔）,钻40-5通孔分布在刹车盘适当位置，钻5-20通孔（在中间凸起部分上均匀分布）金工 15 540 铣按图纸要求铣加强筋40根，铣长度51mm 高度4mm,倒边去毛刺。金工 15 550 检 按图纸要求检验，入库 金工 0 0合计 50 203.2 浇注系统设计根据工艺设计原则，浇注系统应满足以下要求：控制金属液流动的速度与方向，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。本毕业设-8-计采用顶注式浇注系统，有利于薄壁铸件的充型。3.2.1 浇注系统计算选择封闭式浇注系统，设 A1、A2、A3 为直浇道、横浇道、内浇道总截面积，系统组元截面比为：A1：A2：A3=1.15:1.1:1 pt3.0HGF阻式中：F 阻浇注系统中的最小断面总面积（cm2）G流经 F 阻断面的金属液总重量（N)总流量耗损系数t浇注时间（s)HP平均静压力头（cm2)(1) G 值的确定由 UG 软件计算出铸件重量为 20kg，同时 g 取标准重力加速度为 9.8m/s2。G=mg=209.8=196N(2) 值的确定 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，根据实验确定 值取 0.6。(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，按下面计算： GSt1G型内金属液的总质（重）量S1系数，取决于铸件壁厚S1 =1.85所以 t=26s采用顶部注入-9-图 9 顶注式铸件平面图Hp=H-P/2H=Ho，P=0 则 Hp=100mm综上所得：F 阻 =8cm2F 直 =8.4cm2设计的总断面积是 1.6cm2直浇口棒 D=35mm图 10 直浇口棒内浇道 A=14mm、B=12mm、C=6mm图 11 内浇道 -10-3.2.2 实用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型冒口，增强对铸件补缩作用。但铸件凝固后期有“奥氏体+石墨”的共晶转变，析出石墨并发生体积膨胀，从而可部分或全部地抵消凝固前期所发生的体积收缩，即具备有“自补缩的能力” 。因此，在铸型刚性足够大时，逐渐可以不设冒口或采用较小的冒口进行补缩。D=10mm、c=6mm、b=53mm，求得 Mc=0.44cm由于此灰铸铁件模数小于 0.75cm，适宜采用浇注系统当冒口。故不单设冒口。3.2.3 排气槽设计金属型模具本身没有透气性，排气系统设计不好就会使铸件产生冷隔、浇不足、气孔等缺陷。冒口可以起到排气作用，扁缝宽度为 15mm、深度为 0.5mm，如图 12 所示图 12 排气槽3.3 风孔、风道设计 刹车盘直径 278mm 厚度 66mm 为通风盘结构，两个盘面间有 40 根加强筋，加强筋的长度为 51mm 厚度为 4mm 根据计算，确定打孔的数量为 8 组，每组 5 个孔，孔的大小是 5.0mm，相邻的两个孔在直径位置上距离为 10.2mm，相邻的一组孔的位置在直径与上一组错开 5.1mm 的距离，这样可以保证刹车盘和刹车片的均匀磨损。孔开好以后，整个刹车盘的重量减轻 1.187 公斤。如图 13、14 风孔设计图。图 13 风孔设计平面图 图 14 风孔设计三维图-11-风道是用于散发汽车在频繁刹车过程中摩擦片与刹车盘本体摩擦产生的热量的通道，它与散热筋片作为一体由一块覆膜砂芯片形成。不同的车型、不同的载重量和不同的形式速度，刹车盘刹车时所产生的热量是不同的，所以刹车盘散热筋片和风道设计成大小不同的尺寸，以保证刹车盘的使用寿命和获得良好的刹车效果。风道的设计宽度（含加工余量）在320mm 之间。设计的刹车盘风道为6mm，具有良好的散热性。如图15、16为风道设计图。图 15 风道设计平面图图 15 风道设计立体图结论通过本论文，训练自身调研、观察、分析、总结和创新能力，提高自身综合素质；并利用所学的知识、技能分析解决生产实际问题，丰富了实践经验，提高专业能力；通过论文对原有知识、技能进行总结、提升和拓展。以上内容对当今刹车盘铸造工艺设计有一定的体现，也使金属型覆砂工艺在刹车盘铸造方面有了进一步的应用。该方法解决了金属型铸造冷却快、金相组织难以控制和金属型寿命短等常见问题，降低了生产成本，提高