制動(dòng)盤鑄造工藝分析及工裝設(shè)計(jì)

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1、2012屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文 制動(dòng)盤鑄造工藝分析及工裝設(shè)計(jì) T833-1 張 羅 指導(dǎo)老師 范宏訓(xùn) 摘要：本文通過對(duì)制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)、材料、生產(chǎn)性質(zhì)、應(yīng)用特點(diǎn)、技術(shù)要求等方面的綜合分析，選擇了適合的鑄造方法，設(shè)計(jì)了兩種內(nèi)澆口工藝方案，并利用CAE模擬分析，依據(jù)模擬結(jié)果獲得優(yōu)化方案，完成模板、模樣和芯盒設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：制動(dòng)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(shè)計(jì)的產(chǎn)品零件是空心制動(dòng)盤，一般俗稱剎車盤，它是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要零件，需求量較大，質(zhì)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(shù)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(jié)構(gòu)其實(shí)并不復(fù)雜，主要由兩個(gè)盤面和鼓狀凸臺(tái)

4、組成，兩個(gè)盤面之間有40個(gè)風(fēng)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(shè)備的選擇 對(duì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)、凝固技術(shù)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(dòng)生產(chǎn)線，鑄件的風(fēng)道和內(nèi)腔由砂芯成形，且采用整體式砂芯結(jié)構(gòu)，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(shí)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?yàn)轱L(fēng)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(nèi)澆口的設(shè)計(jì)開設(shè)難度，但是這種方案還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(nèi)澆口位置選擇在第一個(gè)盤面的邊緣，為了減少砂芯的結(jié)構(gòu)和便于工人快速下芯，采用壓邊式內(nèi)澆口設(shè)計(jì)[2]。如下圖2.2所示： 內(nèi)澆口位置 圖2.2 澆注系統(tǒng)和內(nèi)澆口位置 2.4 砂芯設(shè)計(jì) 考慮到鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)效率，采用整體式砂芯設(shè)計(jì)，覆膜砂成形，為了使砂芯在型腔內(nèi)有準(zhǔn)確的定位和穩(wěn)固的固定，該砂芯設(shè)計(jì)了兩個(gè)垂直芯頭，用來支撐和固定整個(gè)砂芯。砂芯內(nèi)部采用空心結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(cè)選取鑄造工藝參數(shù)，機(jī)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(gè)Φ15的通孔和2個(gè)Φ8通孔采用機(jī)械加工的方法成形，其余通孔和風(fēng)道直接鑄出[2]。 圖2.3 砂芯結(jié)構(gòu)尺寸示意圖 3 澆注系統(tǒng)初步設(shè)計(jì) 3.1 澆注系統(tǒng)的類型選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(nèi)：∑Ａ橫：Ａ直=1：1.2：1.4。在澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了簡(jiǎn)化砂芯結(jié)構(gòu)并提高下芯速度，將內(nèi)澆口開設(shè)在上箱，采用壓邊式內(nèi)澆口設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了兩種內(nèi)澆口方案。方案一采

8、用1個(gè)鑄件1個(gè)內(nèi)澆口引入，方案二使用1個(gè)鑄件2個(gè)內(nèi)澆口引入。方案一和方案二結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3.1所示： 方案一 1個(gè)鑄件1個(gè)內(nèi)澆口 方案二 1個(gè)鑄件2個(gè)內(nèi)澆口 圖3.1 內(nèi)澆口設(shè)計(jì)方案示意圖 3.2 澆注系統(tǒng)的計(jì)算 澆注系統(tǒng)最小阻流截面積的計(jì)算，參照水力學(xué)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算： [4] 其中：∑F內(nèi)為內(nèi)澆道截面積，G件=6.24kg，μ=0.5，τ=5.5s，Hp=H0=250mm。求出： ∑F內(nèi)= ==1.46cm2 最后取∑F內(nèi)=1.6cm2，算出橫澆道截面積為：∑A橫=∑Ａ內(nèi)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，?。林?2.4 cm2。最后根據(jù)鑄造工藝手冊(cè)查出方案一和方案二澆注系統(tǒng)各組員結(jié)構(gòu)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(nèi)澆道 橫澆道 直澆道 方案一 （1個(gè)鑄件1個(gè)內(nèi)澆口引入） 方案二 （1個(gè)鑄件2個(gè)內(nèi)澆口引入） 3.3 冒口的設(shè)計(jì) 此鑄件材料為HT250，灰鑄鐵的結(jié)晶范圍窄，更接近于層狀凝固，凝固時(shí)的膨脹和液態(tài)收縮趨于互相補(bǔ)償，所以灰鑄鐵補(bǔ)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(shè)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(shí)際生產(chǎn)中也常使用無冒口鑄造。 本次設(shè)計(jì)的兩種方案均采用無冒口設(shè)計(jì)，下面通過CAE模擬來分析方案的合理性并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。 4 CAE模擬與優(yōu)化 對(duì)于澆注系統(tǒng)方案一（1個(gè)鑄件1個(gè)內(nèi)澆口引入）與方案二（1個(gè)鑄件2個(gè)內(nèi)澆口引入），均采用ProCAST進(jìn)行CAE模擬分析。本次模擬所設(shè)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(jìn)行冷卻[5]。 針

11、對(duì)兩種方案的模擬結(jié)果，就充型過程、凝固過程、縮松縮孔預(yù)測(cè)和裹氣等方面進(jìn)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(yù)測(cè) 圖4.2 兩種方案的凝固時(shí)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(jié)果，對(duì)方案一和方案二進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案二在充型能力、充型時(shí)間、凝固時(shí)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(yīng)用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，性能要求和質(zhì)量要求極其嚴(yán)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(chǔ)上加以優(yōu)化和改進(jìn)，仍采用1個(gè)鑄件2個(gè)內(nèi)澆口引入，主要的改變即是在內(nèi)澆口和橫澆道之間增加了一個(gè)冒口，使由橫澆道引入的金屬液先進(jìn)入冒口，再經(jīng)冒口引入內(nèi)澆道，最后引入型腔。 本次冒口的設(shè)計(jì)采用模數(shù)法計(jì)算，并通過ε（V件+V冒）+Ve≦V冒η 驗(yàn)算公式進(jìn)行驗(yàn)證，最終驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的冒口具有足夠的補(bǔ)縮能力。最后根據(jù)鑄造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(duì)優(yōu)化方案，進(jìn)行了與方案一和方案二同樣的ProCAST模擬，參數(shù)設(shè)置一致，最終得到了優(yōu)化方案的模擬結(jié)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(shí)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(yù)測(cè) 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(shí)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(dá)到了預(yù)期的效果。綜上所述，方案三是最優(yōu)方案，本次設(shè)計(jì)采用方案三。 5 模板的設(shè)計(jì) 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(dòng)生產(chǎn)線的模底板尺寸與結(jié)構(gòu)，采用的模板基本尺寸為1200mm690mm，砂箱內(nèi)框尺寸為920mm610mm250mm[6]。 一箱放置3件，模樣對(duì)稱分布在下模板上，同時(shí)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(shè)計(jì) 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(hào)為HT150。 圖6.1 下摸樣二維和三維示意圖 下模樣的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，主要由幾個(gè)圓形凸臺(tái)形成，由于模樣整體高度不大，故采用實(shí)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(tái)，剛好可以用來固定模樣。1個(gè)模樣使用4個(gè)沉頭圓柱頭螺釘固定，螺釘穿過模樣裝配在模底板上，對(duì)稱分布，螺釘尺寸為M10；此外，使用2個(gè)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(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 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(gè)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(gè)砂芯使用12個(gè)射

17、砂口，12個(gè)射砂口均勻?qū)Υ朔植迹瑸榱私档蜕渖翱诘哪p，便于更換，故增設(shè)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(shè)計(jì) 上、下芯盒使用壓板緊固式熱芯盒定位銷（套）定位，整個(gè)芯盒使用4個(gè)定位銷和定位銷套來實(shí)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(shè)了6個(gè)排氣塞進(jìn)行排氣，如圖7.5所示。 圖7.5排氣塞分布及結(jié)構(gòu)示意圖 圖7.4定位銷分布及定位銷（套）結(jié)構(gòu)示意圖 7

18、.3取芯方式的確定及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)芯盒和型芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這里選用頂桿取芯法進(jìn)行取芯，一個(gè)型芯使用9個(gè)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(gè)回位導(dǎo)桿進(jìn)行復(fù)位。頂芯桿和回位導(dǎo)桿通過固定板與頂芯桿進(jìn)行固定，頂芯板下設(shè)置8根加強(qiáng)筋，另外使用4個(gè)Φ40的凸臺(tái)供射芯機(jī)頂芯使用。如下圖7.6所示： 圖7.6 頂芯桿及頂芯板結(jié)構(gòu)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(jìn)行加熱，電加熱法具有加熱均勻、清潔、效率高且易于自動(dòng)控溫等優(yōu)點(diǎn)。主要使用電加熱管進(jìn)行加熱，因此分別在上、下芯盒

19、各設(shè)計(jì)了11個(gè)加熱管道，總共是22個(gè)。如圖7.7所示： 7.5 底框的設(shè)計(jì) 為了減少加熱板的熱量傳到運(yùn)輸小車的工作臺(tái)，在芯盒與運(yùn)輸小車工作臺(tái)之間設(shè)置一個(gè)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(jiǎn)單的底框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選用HT250，底框主要是通過6個(gè)凸臺(tái)與下芯盒進(jìn)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(xiàn) [1] 葉榮茂、吳維岡、高景艷 《鑄造工藝課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[M] 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988.5 [2] 中國鑄造協(xié)會(huì) 《鑄造工程師手冊(cè)》[M] 北

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