制動盤鑄造工藝分析及工裝設計

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1、2012屆湖北汽車工業(yè)學院優(yōu)秀學士學位論文 制動盤鑄造工藝分析及工裝設計 T833-1 張 羅 指導老師 范宏訓 摘要：本文通過對制動盤的結構、材料、生產(chǎn)性質、應用特點、技術要求等方面的綜合分析，選擇了適合的鑄造方法，設計了兩種內澆口工藝方案，并利用CAE模擬分析，依據(jù)模擬結果獲得優(yōu)化方案，完成模板、模樣和芯盒設計。 關鍵詞：制動盤；工藝方案；CAE分析；工藝裝備 Abstract：In this paper,through comprehensive analysis of the structure, materials, nature of prod

2、uction, application characteristics, technical requirements of the brake disc, chooses a suitable casting method,designs two process scheme of runner,and use the CAE to simulation analysis,then get the optimization based on simulation results,finally complete the design of emplate,appearance and cor

3、e box. Key Words：Brake disc, Process scheme, CAE analysis, Process equipment. 1 產(chǎn)品概述 圖1.1 產(chǎn)品零件圖和三維示意圖 本次設計的產(chǎn)品零件是空心制動盤，一般俗稱剎車盤，它是汽車制動系統(tǒng)中的一個重要零件，需求量較大，質量要求較高。材料HT250，重4.37kg，外形尺寸Φ25035mm，最大壁厚20mm，最小壁厚4mm，平均壁厚8mm，屬于盤狀薄壁件，大批量生產(chǎn)。主要的技術要求是鑄件外輪廓全部加工，精加工之后不能有任何的縮松縮孔、氣孔以及砂眼等缺陷。零件的結構其實并不復雜，主要由兩個盤面和鼓狀凸臺

4、組成，兩個盤面之間有40個風道，主要是起散熱作用，外輪廓需要全部精加工。產(chǎn)品零件圖和三維示意圖如下圖1.1所示： 10 2 鑄造工藝方案的擬定 2.1 鑄造方法及設備的選擇 對于此類大批量生產(chǎn)的薄壁盤式鑄件，選擇粘土濕型砂，由零件的結構特點、凝固技術以及便于下芯等方面考慮吧，水平分型優(yōu)于垂直分型，終上所述，我們選擇水平分型高壓自動生產(chǎn)線，鑄件的風道和內腔由砂芯成形，且采用整體式砂芯結構，使用熱芯盒法，覆膜砂成形[1]。 2.2 分型面的選擇 在分型面的選擇上，提出了以下三種方案，如下圖2.1所示：第一種方案保證了大部分鑄件

5、位于下箱，但是這時候還有三分之一的鑄件位于上面，而且位于上箱的鑄件部分屬于薄壁，增加了鑄件產(chǎn)生缺陷的可能性；第二種方案可以減少加工量，因為風道是沒有精度要求的，但是這樣金屬液從下腔通過砂芯充填上腔，阻力較大；第三種方案，我們可以將所有的鑄件位于下箱，降低出現(xiàn)缺陷的可能性，但是這樣增加了內澆口的設計開設難度，但是這種方案還有一個優(yōu)點，就是減少了由于分型面上鐵液滲透所產(chǎn)生的毛邊，減少后期精整量，這在大批量生產(chǎn)中極為重要。綜合考慮，我們選擇方案Ⅲ。 圖2.1 分型面方案示意圖 2.3鑄件澆注位置的確定 分型面選擇方案Ⅲ，此時較好的選擇就是將全部鑄件位于下箱，這也是較合理

6、的方法。將內澆口位置選擇在第一個盤面的邊緣，為了減少砂芯的結構和便于工人快速下芯，采用壓邊式內澆口設計[2]。如下圖2.2所示： 內澆口位置 圖2.2 澆注系統(tǒng)和內澆口位置 2.4 砂芯設計 考慮到鑄件的結構特點和生產(chǎn)效率，采用整體式砂芯設計，覆膜砂成形，為了使砂芯在型腔內有準確的定位和穩(wěn)固的固定，該砂芯設計了兩個垂直芯頭，用來支撐和固定整個砂芯。砂芯內部采用空心結構，不僅可以減少材料的使用量，且便于砂芯散熱[3]，砂芯壁厚取10mm。其結構和尺寸如圖2.3所示。 2.5 鑄造工藝參數(shù)的選擇 按照鑄造工藝手冊選取鑄造工藝參數(shù)，機械加工余量全部取2

7、.5mm；拔模斜度1；鑄造收縮率取1%；鑄件上有很多孔，考慮到精度和表面粗糙度的要求，故4個Φ15的通孔和2個Φ8通孔采用機械加工的方法成形，其余通孔和風道直接鑄出[2]。 圖2.3 砂芯結構尺寸示意圖 3 澆注系統(tǒng)初步設計 3.1 澆注系統(tǒng)的類型選擇及結構設計 本鑄件屬于薄壁小件，根據(jù)上述澆注位置和分型面的選擇，在此采用頂注式、封閉式澆注系統(tǒng)，封閉式澆注系統(tǒng)組元截面積比取∑Ａ內：∑Ａ橫：Ａ直=1：1.2：1.4。在澆注系統(tǒng)結構設計方面，為了簡化砂芯結構并提高下芯速度，將內澆口開設在上箱，采用壓邊式內澆口設計，并設計了兩種內澆口方案。方案一采

8、用1個鑄件1個內澆口引入，方案二使用1個鑄件2個內澆口引入。方案一和方案二結構示意圖如下圖3.1所示： 方案一 1個鑄件1個內澆口 方案二 1個鑄件2個內澆口 圖3.1 內澆口設計方案示意圖 3.2 澆注系統(tǒng)的計算 澆注系統(tǒng)最小阻流截面積的計算，參照水力學計算公式進行計算： [4] 其中：∑F內為內澆道截面積，G件=6.24kg，μ=0.5，τ=5.5s，Hp=H0=250mm。求出： ∑F內= ==1.46cm2 最后取∑F內=1.6cm2，算出橫澆道截面積為：∑A橫=∑Ａ內1.2=1.61.2=1.92cm2。取∑A橫

9、=2 cm2，直澆道截面積為：Ａ直=∑A橫1.4=1.61.4=2.24cm2，取Ａ直=2.4 cm2。最后根據(jù)鑄造工藝手冊查出方案一和方案二澆注系統(tǒng)各組員結構和尺寸，如下表3.2所示： 表3.2 方案一和方案二澆注系統(tǒng)各組元截面尺寸 內澆道 橫澆道 直澆道 方案一 （1個鑄件1個內澆口引入） 方案二 （1個鑄件2個內澆口引入） 3.3 冒口的設計 此鑄件材料為HT250，灰鑄鐵的結晶范圍窄，更接近于層狀凝固，凝固時的膨脹和液態(tài)收縮趨于互相補償，所以灰鑄鐵補縮需要的鐵水量少，鑄型剛度要求較低，一般的

10、灰鑄鐵可不設置冒口。本鑄件的體積為607.5cm3，表面積為1954.7cm2，平均模數(shù)為0.31cm，模數(shù)較小，且在實際生產(chǎn)中也常使用無冒口鑄造。 本次設計的兩種方案均采用無冒口設計，下面通過CAE模擬來分析方案的合理性并根據(jù)分析結果對其進行優(yōu)化。 4 CAE模擬與優(yōu)化 對于澆注系統(tǒng)方案一（1個鑄件1個內澆口引入）與方案二（1個鑄件2個內澆口引入），均采用ProCAST進行CAE模擬分析。本次模擬所設置的參數(shù)主要有：澆注溫度1400℃，澆注速度4.88 in/s，傳熱系數(shù)500 W/m2/K，重力加速度9.8m/s2，型砂初始溫度25℃，最后采用空冷的方式進行冷卻[5]。 針

11、對兩種方案的模擬結果，就充型過程、凝固過程、縮松縮孔預測和裹氣等方面進行了比較和分析。如下圖4.1、圖4.2、圖4.3和圖4.4所示： 方案一 方案二 圖4.1 兩種方案的金屬液充型過程 圖4.3 兩種方案的縮松縮孔預測 圖4.2 兩種方案的凝固時間分布 圖4.4 兩種方案的裹氣充氣分布 根據(jù)以上模擬的結果，對方案一和方案二進行了對比，發(fā)現(xiàn)方案二在充型能力、充型時間、凝固時間和縮松縮孔等方面都要優(yōu)于方案一，但是方案二在充氣裹氣方面仍然存在很大

12、的不足，很容易出現(xiàn)氣孔等缺陷，且無法消除縮松縮孔缺陷。前面已經(jīng)提到，此鑄件應用于汽車制動系統(tǒng)中，性能要求和質量要求極其嚴格，不允許出現(xiàn)氣孔、縮松縮孔等缺陷，因此，在分析和綜合了兩種方案之后，提出了澆注系統(tǒng)的優(yōu)化方案。 優(yōu)化方案主要是在方案二的基礎上加以優(yōu)化和改進，仍采用1個鑄件2個內澆口引入，主要的改變即是在內澆口和橫澆道之間增加了一個冒口，使由橫澆道引入的金屬液先進入冒口，再經(jīng)冒口引入內澆道，最后引入型腔。 本次冒口的設計采用模數(shù)法計算，并通過ε（V件+V冒）+Ve≦V冒η 驗算公式進行驗證，最終驗證此次設計的冒口具有足夠的補縮能力。最后根據(jù)鑄造工藝設計手冊，查出冒口和冒口頸的尺寸，冒口

13、直徑D=Φ60mm，高度H=70mm，冒口頸截面積尺寸2aa（矩形）=2412mm。 針對優(yōu)化方案，進行了與方案一和方案二同樣的ProCAST模擬，參數(shù)設置一致，最終得到了優(yōu)化方案的模擬結果，如下圖4.5、圖4.6、圖4.7和圖4.8所示： 圖4.6 優(yōu)化方案凝固時間分布 圖4.5 優(yōu)化方案金屬液充型過程 圖4.7 優(yōu)化方案縮松縮孔預測 圖4.8 優(yōu)化方案裹氣充氣分布 由上圖所示，可以看出，方案三充型過程和方案二并不差別，且增加冒口之后，基本上消除了縮松縮孔缺陷，同時大幅度降低了鑄件出現(xiàn)充氣裹氣的范圍，有效地降

14、低了出現(xiàn)氣孔的可能性，達到了預期的效果。綜上所述，方案三是最優(yōu)方案，本次設計采用方案三。 5 模板的設計 該鑄件屬于成批大量生產(chǎn)的小件，選用HT200做模板材料，采用普通單面頂箱式模板。采用水平分型自動生產(chǎn)線的模底板尺寸與結構，采用的模板基本尺寸為1200mm690mm，砂箱內框尺寸為920mm610mm250mm[6]。 一箱放置3件，模樣對稱分布在下模板上，同時直澆道窩以及與直澆道相連的一段橫澆道布置在下模板，其余澆注系統(tǒng)以及冒口等布置在上模板，澆注系統(tǒng)與模底板的固定，采用六角螺釘和沉頭螺釘固定。上下模板如下圖5.1、圖5.2所示： 圖5.1 上模板二維及三維示意圖

15、 圖5.2 下模板二維及三維示意圖 6 模樣的設計 由于采用大批量生產(chǎn)，選擇金屬模樣，根據(jù)各金屬模樣材料的性能和適用范圍，選用灰鑄鐵作為模樣材料，牌號為HT150。 圖6.1 下摸樣二維和三維示意圖 下模樣的結構較簡單，主要由幾個圓形凸臺形成，由于模樣整體高度不大，故采用實心模樣。模樣最大平面邊緣由芯頭形成了寬25，高15.5的延伸圓臺，剛好可以用來固定模樣。1個模樣使用4個沉頭圓柱頭螺釘固定，螺釘穿過模樣裝配在模底板上，對稱分布，螺釘尺寸為M10；此外，使用2個定位銷定位，也是穿過模樣裝配在模底板上，定位銷尺寸d（定位

16、銷直徑）為10mm。下模樣如圖6.1所示： 7 芯盒的設計 此次設計的砂芯由覆膜砂成形，采用熱覆膜法生產(chǎn)工藝[7]，為節(jié)約成本和提高生產(chǎn)效率，一次生產(chǎn)4件。芯盒各部分的材料，大部分采用HT250，例如芯盒本體、頂芯板、底框等，另外還有45剛，例如定位銷，頂芯桿等。 7.1 熱芯盒本體設計 為加工制造方便，提高生產(chǎn)率，將分盒面選在砂芯最大平面處，由于邊緣的圓形凹槽無法取出，故在凹槽處采用折線分盒，如圖7.1所示。為了便于制造，芯盒采用類似于正方體的形狀，4個型芯腔均勻分布，如圖7.2所示。將射砂口選擇在芯頭部位和最大斷面處，一個砂芯使用12個射

17、砂口，12個射砂口均勻對此分布，為了降低射砂口的磨損，便于更換，故增設襯套，如圖7.3所示。 圖7.1 分盒面示意圖 圖7.3 射砂孔及襯套示意圖 圖7.2上、下芯盒三維示意圖 7.2 熱芯盒定位及排氣設計 上、下芯盒使用壓板緊固式熱芯盒定位銷（套）定位，整個芯盒使用4個定位銷和定位銷套來實現(xiàn)定位，如圖7.4所示。排氣方面，由于芯頭處有間隙，則只在型芯較深部位開設了6個排氣塞進行排氣，如圖7.5所示。 圖7.5排氣塞分布及結構示意圖 圖7.4定位銷分布及定位銷（套）結構示意圖 7

18、.3取芯方式的確定及其結構設計 根據(jù)芯盒和型芯的結構特點，這里選用頂桿取芯法進行取芯，一個型芯使用9個頂芯桿，頂芯桿分布在型芯厚大部位和受阻力最大處，另外使用4個回位導桿進行復位。頂芯桿和回位導桿通過固定板與頂芯桿進行固定，頂芯板下設置8根加強筋，另外使用4個Φ40的凸臺供射芯機頂芯使用。如下圖7.6所示： 圖7.6 頂芯桿及頂芯板結構示意圖 7.4 熱芯盒加熱方式的選擇 圖7.7加熱管道分布示意圖 熱芯盒采用電加熱法進行加熱，電加熱法具有加熱均勻、清潔、效率高且易于自動控溫等優(yōu)點。主要使用電加熱管進行加熱，因此分別在上、下芯盒

19、各設計了11個加熱管道，總共是22個。如圖7.7所示： 7.5 底框的設計 為了減少加熱板的熱量傳到運輸小車的工作臺，在芯盒與運輸小車工作臺之間設置一個過渡零件--底框。這里為了節(jié)約材料，減輕芯盒整體重量，采用較為簡單的底框結構設計，材料選用HT250，底框主要是通過6個凸臺與下芯盒進行固定和定位，如圖7.8所示： 圖7.8 底框三維示意圖及與固定方式 參考文獻 [1] 葉榮茂、吳維岡、高景艷 《鑄造工藝課程設計手冊》[M] 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1988.5 [2] 中國鑄造協(xié)會 《鑄造工程師手冊》[M] 北

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