汽車剎車片壓制模具設計【帶CAD圖紙和說明書文檔】
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摘要
粉末冶金是一種不需要將材料融化的冶金方法，是冶金和材料科學的一個分支。而隨著經(jīng)濟的發(fā)展，粉末冶金工藝具有生產效率高、質量穩(wěn)定、成本低以及可加工復雜形狀工件等一系列優(yōu)點，使其在現(xiàn)代工業(yè)中的地位也越來越高。相應的，粉末冶金模具作為現(xiàn)代高速成型技術在工藝裝備中起到越來越大的作用。特別是在汽車行業(yè)中應用的比例越來越重,是現(xiàn)代汽車行業(yè)發(fā)展的重要支柱之一, 現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一個方向.
本次設計了一套汽車剎車片的壓制模。本課題主要是查找剎車片的壓坯到模具模架的選擇準則，了解各個零件的具體要求。從對零件壓坯的尺寸，密度，質量和高度等計算，來確定陰模與模沖的類型，再通過對壓機的選擇設計所需要的模具，頂出方式的選擇,加熱方式的選擇,加熱元件規(guī)格的計算與選擇，對模具的材料進行選擇,強度校核,粗糙度的確定,最后畫出零件圖和裝配圖。
關鍵字：粉末冶金；壓制成形；剎車片模具
Abstract
Powder metallurgy is a branch of metallurgy and materials science who is an undesirable material melting metallurgy method.With the development of economy,Because of powder metallurgy process with high efficiency, stable quality, low cost and can be processed with complicated shapes advantages,so that it’s position in modern industry are more and more important. Accordingly, powder metallurgy die as a modern high-speed molding technology play an increasingly important tole in the process equipment.Especially in the automotive industry, an increasing proportion of re-application,is one of the important pillars of the modern automobile industry and also is a direction of Modern industrial development.
This design is a press die of brake pads.The project must basis on part’s size, density, height and mass to design the mild’s stamping type.Then basis on press machine to choice mold’s type. Then I choice the best way for pushing-out and boiling. Next step are Selecting the material of the mold and Strength check. The last way, I must determine the roughness and draw the parts and assembly drawings finally.
Key Words:Powder metallurgy; stamping shape; Brake pads mold
目 錄
摘要
Abstract
第 1 章 緒論 1
1.1 粉末冶金概述 1
1.2 模具工業(yè)在現(xiàn)代工業(yè)國民經(jīng)濟中的地位 4
1.3 粉末冶金模具的現(xiàn)狀 4
第 2 章 粉末冶金模具設計的原則 5
2.1 通用粉末成形壓機的選擇原則 5
2.2 壓坯的選用原則 5
2.3 壓制成形模具設計準則 6
第 3 章 模具的設計和材料選擇 6
3.1 壓坯的要求和壓制方式的選擇 6
3.1.1 壓制方式的選擇 9
3.1.2 頂出方式的決定 11
3.1.3 加熱管的排布方案與選擇 12
3.2 陰模的設計 13
3.3 上下模沖的設計 13
3.3.1 下模沖長度的設計 13
3.3.2 上模沖的設計 14
3.4 其它模架零件的設計 14
3.5 連接方式的設計 15
3.5.1 上下模座與固定板之間的連接 15
3.5.2 下模座與陰模固定板之間的連接 15
3.6 陰模材料的選擇 15
3.7 模沖材料的選擇 16
3.8 模架的材料選擇 16
第 4 章 強度的校核 17
4.1 壓機的選擇 17
4.2 模沖強度校核 17
第 5 章 模具間的余量的計算 18
5.1 下模沖的彈性變形余量 18
5.2 陰模與下模沖的間隙 18
5.3 壓坯燒結率與回彈率的總收縮率計算 19
5.3.1 壓坯的回彈率 19
5.3.2 回彈率的影響因素 20
5.3.3 燒結收縮率 20
第 6 章 主要零件加工后應達到的要求 21
6.1 陰模 21
6.2 模沖 22
6.3 其他零件 22
總結與展望 24
參考文獻 27
致 謝 29
第 1 章 緒論
1.1 粉末冶金概述
粉末冶金是一門制造金屬粉末，以金屬粉末（包括混入有廢金屬粉末者）為原料，用成形-燒結制造材料或制品的技術學科。廣義上，它也包括以氧化物、氮化物、碳化物等非金屬化合物粉末為原料，用成形-燒結制造材料或制皮的技術。
這里所講的成形，系指賦予金屬粉末等原料粉末以所要求的金屬制品的形狀與尺寸。
在制造粉末冶金零件的過程中，所用的成型模具是如何設計的。模具設計與所使用的粉末原料的性能、使用的成形工藝與設備以及所制造的零件的材料性能、 形狀和尺寸大小等密切相關。
特別是 20 世紀 70 年代以來，鐵基粉末冶金零件的生產技術發(fā)展非常快，一句對所制造零件的技術性能要求，研發(fā)出了各種各樣的金屬粉末成形技術與設備， 除常規(guī)的單軸向剛性模具壓制工藝之外，還有粉末鍛造、注射成型、溫壓、熱壓、 冷等靜壓、熱等靜壓、擠壓、粉末軋制、粉漿澆注、噴射成形及無模成形等。其中多種成型工藝都涉及到模具設計問題。
粉末冶金是一門古老的冶金技術。我國早在 2500 多年前的春秋末期，就已用塊煉鐵（即海綿鐵）鍛造法制造鐵騎了。塊煉鐵是用木炭還原鐵礦制成海綿鐵， 這和現(xiàn)在還原鐵粉的生產工藝相似，故可稱之為早期的粉末鍛造技術。這項技術后來由于煉鐵技術的興起而從歷史舞臺上消失。進入 18 世紀后，為制取金屬鉑， 粉末冶金重新煥發(fā)了青春。從而，使粉末冶金這么古老的冶金技術開始進入現(xiàn)代科學技術發(fā)展的行列。
繼金屬鉑之后，在 19 世紀后期至 20 世紀初，用粉末冶金方法制取了具有劃時代意義的鎢。之后粉末冶金方法制取了鉬、鈮等難熔金屬，從而為現(xiàn)代電子和電光源工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎。
20 世紀初，繼難熔金屬之后，用粉末冶金技術陸續(xù)研制成功了硬質合金，多孔性金屬含油軸承、鎢-鋼與鎢-鋼鎳復合材料等。
9
2003 年全球粉末貨運總量約為 88 萬噸，其中美國占 51%，歐洲 18%，日本 13%， 其他國家和地區(qū) 18%。汽車工業(yè)的發(fā)展推動了現(xiàn)代粉末冶金技術的進步。汽車制造業(yè)現(xiàn)已經(jīng)成為粉末冶金工業(yè)最大的用戶，20005 年歐洲生產的粉末冶金結構零件 80%用于汽車制造，在日本為 90%，北美為 75%。一方面汽車的產量在不斷增加，另一方面粉末冶金零件在單輛汽車上的用量也在不斷增加。北美平均每輛汽車粉末冶金零件用量最高，為 19.5 公斤，歐洲平均為 9 公斤，日本平均為 8 公斤。中國由于汽車工業(yè)的高速發(fā)展，擁有巨大的粉末冶金零部件市場前景，已經(jīng)成為眾多國際粉末冶金企業(yè)關注的焦點。
信息行業(yè)的發(fā)展也為粉末冶金工業(yè)提供了新的契機。日本電子行業(yè)用的粉末冶金產品已經(jīng)達到了每年4.3 億美元，其中熱沉材料占23%，發(fā)光和電極材料占30%。現(xiàn)代粉末冶金工業(yè)，除了通常所講的生產鐵粉、銅粉等金屬粉末和生產鐵基、
銅基粉末冶金制品等產業(yè)外，廣義的講，還應包括用粉末冶金技術制造的所有產品門類的產業(yè)，諸如難熔金屬制品、硬質合金、金剛石-金屬制品、軟磁與硬磁鐵氧體元件、技術陶瓷、電觸頭材料、多孔性金屬過濾器、金屬-石墨材料等產業(yè)?，F(xiàn)在用粉末冶金技術制造的材料或制品，大體上可以分為五類：
1） 粉末冶金機械零件，其中包括燒結金屬自潤滑軸承、燒結金屬結構零件及燒結金屬摩擦材料與制品等；
2） 鐵氧體磁性材料，其中包括永磁鐵氧體材料、軟磁鐵氧體材料；
3） 硬質合金材料與制品，其中包括工具材料、耐磨材料、耐高溫與耐腐蝕材料；
4） 難熔金屬或高熔點金屬材料與制品，諸如鎢、鉬、鉭、鈮；
5） 精細陶瓷材料與制品。
粉末冶金機械零件是當前粉末冶金工業(yè)的主導性產品。廣泛使用的粉末冶金機械零件材料有燒結鐵、燒結碳鋼、燒結低合金鋼、燒結合金鋼、燒結不銹鋼、燒結鋁和燒結鋁和金、燒結同和燒結銅合金、燒結鎳合金等。
早期的粉末冶金機械零件主要是含油軸承與墊圈之類的制品，形狀簡單且力學性能較低。近 40 年來，由于鋼鐵粉末、粉末成形壓機、模具、燒結爐等的不斷改進，組合燒結、粉末鍛造、注射成形、溫壓及冷、熱等靜壓等工藝技術的相繼開發(fā)，制造的粉末冶金結構零件形狀愈來愈復雜，材料的力學性能越來越高，像
汽車發(fā)動機中承受動態(tài)應力最高的連桿，現(xiàn)在不但可用粉末鍛造生產，甚至可用一次壓制-燒結工藝制造。利用溫壓技術，用一次壓制-燒結就可以使鐵基粉末冶金零件的材料密度達到 7.4g/cm3 以上,從而使材料的力學性能顯著增高.因此,粉末冶金機械零件的市場一直在不斷擴大。
1.2 模具工業(yè)在現(xiàn)代工業(yè)國民經(jīng)濟中的地位
模具因其生產效率高、產品質量好、材料消耗低、操作簡單、生產過程易于實現(xiàn)機械化與自動化、生產成本低而獲得廣泛的應用，利用模具可以加工出薄壁、 重量輕、剛性好、形狀復雜的零件；產品質量有模具保證，具有一模一樣的特點； 這是其它加工制造業(yè)所無法完成的；模具是現(xiàn)代工業(yè)，特別是汽車、摩托車、航空、儀表、儀器、醫(yī)療器械、電子通信、兵器、家用電器、五金工具、日用品等工業(yè)必不可少的工藝裝備。據(jù)資料統(tǒng)計，利用模具制造的零件數(shù)量，在飛機、汽車、摩托車、拖拉機、電機、電器、儀器儀表等機電產品中占 80%以上；在電冰箱、洗衣機、空調、電風扇、自行車、手表等輕工業(yè)產品中占 90%以上；在子彈、槍支等兵器產品中占 95%以上；在日用金屬產品中占 95%以上。可見，研究和發(fā)展模具技術，對于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化具有特別重要的意義。目前， 模具技術已成為衡量一個國家產品制造的水平的重要標志之一。
1.3 粉末冶金模具的現(xiàn)狀
80 年代后，我國的一些主要粉末冶金機械零件生產企業(yè)，先后從日本、歐洲及美國引進了高壓縮性霧化鐵粉成套霧化裝備，鐵粉精還原爐，臥式霧化銅粉裝置，機械式與液壓式粉末冶金壓機，網(wǎng)帶式、推進式及步移梁式燒結爐，氮基氣氛裝置，水蒸汽處理爐，連續(xù)式雙金屬帶材和 CM(DU)帶材生產線，噴撒法生產銅基摩擦片生產線，以及鐵基結構零件、微型精密銅基含油軸承，電機車受電弓滑板，銅基過濾元件，銅基摩擦材料，雙金屬帶材和 CM(DU)帶材等的制造技術。通過消化、吸收這些引進技術與設備，有力地推動了我國粉末冶金機械零件工業(yè)的技術進步，使其生產技術水平有了明顯提高。例如:1.hl 含油軸承洗衣機、電機用含油軸承 1983 年以前全部從日本進口，1987 年北京粉末冶金工業(yè)公司實驗廠試制成這種軸承后，擋住了進口。現(xiàn)在該廠年產量數(shù)以百萬計，微型精密含油軸承是音像機器和微小型電機不可替代的關鍵零件。我國生產這種含油軸承的能力已超過 2 億件/年，材料有銅基、鐵基及鐵銅合金等。
80 年代后期，我國家用電冰箱生產發(fā)展迅速。電冰箱的心臟是壓縮機，而壓縮機的一些主要零件都是用粉末冶金制造的，諸如往復式壓縮機中的連桿、活塞、軸套、閥板，旋轉式壓縮機中的缸體、缸蓋、平衡塊、葉片等?，F(xiàn)在寧波粉末冶金廠等一些廠家已能批量生產這些零件。這些零件是由易切削鐵粉制造的。 易切削鐵粉的主要添加劑 MnS，國內已研制成功，并開始小批量生產。寧波粉末冶金廠經(jīng)過 4 年研制，已試制成功大發(fā)車的曲軸正時齒輪、凸輪軸正時齒輪、平衡塊、主動與從動鏈輪，止推板等，有的零件已進入批量生產階段。上海粉末冶金廠為上海桑塔納轎車配套的粉末冶金零件 17 種 33 件，已有 14 件(包括二次配套件)先后投入批量生產。
飛速發(fā)展的粉末冶金制品，也給模具制造帶來了飛速的發(fā)展。有單一的整體式的模具到復雜的組合式的模具一應俱全，產品數(shù)量直線上升。這就為現(xiàn)在的模具設計提出了新的要求：高的壽命，高的強度，高的耐磨性，高的韌性，高的耐熱性等。這就給設計工作者提出了更高的要求。這不僅要求對模具制造工藝了如指掌，而且要對材料的性能及特點非常熟悉。
第 2 章 粉末冶金模具設計的原則
2.1 通用粉末成形壓機的選擇原則
1）壓制成形用原料粉末的特性，原料粉末的特性影響壓制時的裝粉速度、壓制壓力-密度曲線以及可達到的尺寸公差；
2)零件壓坯的幾何形狀，決定了所需模沖的個數(shù)；
3） 制品的尺寸公差；
4） 批量大小，生產批量大時，模具更換少，反之亦然；
5） 粉末冶金生產廠可利用的壓機和模具的結構、氣候條件和建筑特性等；
6） 操作和維修人員的素質；
7） 快速采購備件的可能性；
8） 對自動化程度的要求。
2.2 壓坯的選用原則
1） 材質 根據(jù)所要求的強度、硬度、耐磨性、耐蝕性、氣密性、磁性等物理- 力學特性，來選擇材料的組成、密度、后續(xù)處理等；
2） 零件尺寸 根據(jù)對象零件的尺寸計算成形加壓面積。然后依靠材質選定的密度，確定所需要的單位面積壓力，從而計算出所需要的總壓制力；
3） 零件形狀 關鍵在于是否能壓制成型，若整體無法壓制成形，可以考慮分割成 2 部分以上分別壓制成形再組合起來；
4） 成本 盡量將功能用不上的零件部分去除，以節(jié)約材料，降低生產成本；
5） 精度 零件形狀確定之后，在選定的材質、后續(xù)處理等條件下，確定壓坯精度。為了充分利用粉末冶金零件的經(jīng)濟性，最好用模具壓制成形來保證各項精度。
2.3 壓制成形模具設計準則 1）陰模型腔內各個部位都必須可靠地充填以數(shù)量精確的粉末； 2）壓坯內的密度分布應盡量均一； 3）為保證鄰接部分粉體間充分連接，對陰模型腔內各處的粉體應同時進行密
實。應注意密實粉體僅只很微量向側向移動； 4）必須將壓坯完好的從成型模具中脫出；
5） 對模具零件的所有必要的動作都必須進行適當?shù)目刂?，而且必須能以足夠高的精度進行重復；
6） 模具的模沖盡量少；
7） 在壓制過程中，模沖不得與陰模或芯棒，或相互卡??；
8） 在壓制過程中，所有模具零件都必須能承受施加于其上的載荷。所有零件都必須盡量耐磨，而且應具有最高的可預期壽命；
9） 模具的所有功能都必須最好的利用壓機的相應功能；
10） 模具的設計應便于組裝和安裝在壓機上，以將組裝的時間縮短到最短；
11） 磨損的模具零件應盡量容易更換，以將停工時間縮小到最短；
12） 就預期的模具使用壽命和生產壓坯數(shù)量而言，模具的制造成本必須合理。
第 3 章 模具的設計和材料選擇
3.1 壓坯的要求和壓制方式的選擇
該零件為剎車片如圖 3-1 所示，需要在壓制的過程中進行和剎車片背板的燒結。
圖 3-1 剎車片與背板的組合圖
實際零件類似于圖 3-2
圖 3-2 剎車片
粉末種類
3
松裝密度γ0 （g/cm ）
范圍
常用值
還原鐵粉
2.0 ～ 2.8
2.4
霧化鐵粉
2.5 ～ 3.2
2.8
霧化 6 — 6 — 3
青銅粉
2.4 ～ 3.1
2.7
電介銅粉
1.7 ～ 1.9
1.8
經(jīng)查閱資料，剎車片材料除了大約 50%左右的金屬材料如還原鐵粉、鋼纖維等， 還有一定量的各種纖維，酚醛樹脂，利于燒結的各種成分在其中，查閱各階段鐵粉的密度如表-1：
表-1
選擇比還原鐵粉還要小一些的松裝密度 2.0g/cm3 而壓制之后的剎車片壓坯密度根據(jù)圖表-2，
分類
密度（g/cm3)
孔隙度(%)
單位壓力(Mpa)
低密度零件
<6.3
>20
<45
中密度零件
6.3-7.1
9-20
450-825
較高密度
7.1-7.6
2-9
>825
高密度零件
>7.6
<2
液相燒結和滲透
工藝制作
表-2
確定為低密度 5.3g/cm3.由于需要與剎車片背板壓制燒結在一起。
3.1.1 壓制方式的選擇
壓坯密度的均勻性，是大壓模設計要解決的主要壓制質量指標。
在壓制過程中，影響壓坯密度分布均勻的因素較多，除了粉末成分、性能及模具表面質量外，主要有兩個方面：一是由于模壁之間的摩擦所引起的壓坯密度不均勻分布，他于壓制方式有關。二是當模腔中的粉末同時受到壓縮式，粉末體產生柱式流動，幾乎不產生明顯的橫向流動，所以壓坯密度分布均勻性還與模腔內各部分粉末填裝高度、壓縮比、壓縮速率或最后壓縮速度有關，這些都可以通過壓制工藝參數(shù)來控制。
由于粉末與模壁之間的摩擦，所引起壓坯密度無論是在高度還是橫截面的分布都是不均勻的，特別是隨著壓坯高徑比的增大引起的壓坯密度沿高度方向的不均勻越來越大。但是壓制方式的不同，壓坯密度分布有很大差別。
單向壓制時，壓坯密度分布很不均勻，如果采用雙向壓制中的非同時雙向壓制或摩擦芯桿壓制，可以顯著改善壓坯密度分布的不均勻性。
明確了壓坯密度分布與壓制方式之間的關系后，要解決壓模設計中壓坯密度分布的均勻性，必須根據(jù)壓坯的形狀、高徑比、生產批量和壓機選擇壓制方式和壓模結構類型。
（1） 當圓柱體壓坯的高徑比 H/D≤1 時,圓筒形壓坯的高壁厚比 H/T≤3 時,可采用單向壓制和單向壓模.
（2） 當 H/D>1 或 H/T>3 時,通常采用雙向壓制和雙向壓模;
（3） 當 H/T>4 時，最好采用壓制時芯桿和陰模能相對移動的壓模；
（4） 當 H/T>6~10 時，可采用摩擦芯桿壓?；驂褐茣r陰模、芯桿和上模能相對
下模沖移動的壓模結構。一般浮動芯桿的移動速度約等于陰模移動速度的二分之一。但上模沖的移動速度要比陰模和芯桿打，才能保證壓坯密度分布均勻。
該剎車片的高徑比 H/D=14.5/110<1，但由于有凹孔，所以選擇使用單向壓制。
3.1.2 頂出方式的決定
方案一，拉下式：
陰模浮動至下模沖的高度，使壓坯脫出，如圖 3-1
圖 3-3
壓制完成后，陰模繼續(xù)由上模座的壓力繼續(xù)向下移動，移動至下模沖的上表面， 最終頂出，之后取出零件。問題是動作過于繁瑣，速度較慢，不適于大批量生產的要求。
方案二，頂出式：
陰模不動，下模沖在壓制完成之后繼續(xù)向上運動，運動到陰模的上表面，頂出零件完成取出零件的要求，如圖 3-4：
圖 3-4
如圖所示，下推板推動下模沖完成壓制動作，之后在下推板的作用下繼續(xù)向上運動，運動到陰模上表面，是零件完成脫模動作。該動作簡單快捷，由于是借助壓床的動力，對于一些脫模力較大的零件也可以應用，非常適合大批量生產，缺點在于陰模內腔會加速磨損。
綜合兩種方案，再根據(jù)零件是一種大批量生產，只要求一定的平面度，對陰模壓制的外輪廓并沒有很高的要求，所以即使是有一定的磨損也在承受范圍內，決定選擇使用下模沖向上運動使零件脫模的方案。
3.1.3 加熱管的排布方案與選擇
（1） 接熱管的排布方案方案一：
整個模具全部加熱，如圖 3-5
19
圖 3-5
幾乎在所有的相關零件上都設有加熱元件的孔，優(yōu)點是加熱速度非常快，擁有很快的加工便捷性，相對的，缺點也非常大，浪費資源嚴重，相比于一般的模架來說，整體強度下降很多，抗彎曲的強度也有所下降。
方案二：
在關鍵性的局部位置添加加熱板或者在強度比較高的模沖內加工可放置加熱元件的深孔，如圖 3-6
圖 3-6
如圖，僅僅在下模沖和上模沖的墊板之上加設了加熱元件，相對于全體加熱，加熱速度相對較慢，但是考慮到只是加工時的預熱速度較慢，等加熱到可加工溫度， 持續(xù)加工的時達到所需要的溫度很快，如此一來，將大大節(jié)省能源的消耗，節(jié)約資源，各方面的強度壽命也沒有太大的影響，所以選擇方案二。
（2） 加熱元件的選擇 1）選擇單端電熱管，其優(yōu)勢在于：
1、直徑小，可以做到3-25MM。
2、長度不受限制，可以做到20-2000MM。
3、功率高，國內可以做到表面積20瓦特/平方厘米。
4、結構簡單，機械強度高、熱效率高、安全可靠、安裝簡便、使用壽命長、無污染、價格便宜等特點，同時節(jié)省電能，使用安全，可以彎成各種形狀、輕便、 拆裝方便。
2） 性能要求
1. 升溫時間：在試驗電壓下，元件從環(huán)境溫度升至試驗溫度時間應不大于15min。
2. 額定功率偏差
在充分發(fā)熱的條件下，元件的額定功率的偏差應不超過下列規(guī)定的范圍。對額定功率小于等于100W 的元件為：±10%。
對額定功率大于100W 的元件為+5%～-10%或10W，取兩者中的較大值。
3. 泄露電流
：
冷態(tài)泄露電流以及水壓和密封試驗后泄露電流應不超過0.5mA。
工作溫度下的熱態(tài)泄露電流應不超過公式中的計算值，但最大不超過5mA。
I=1/6（tT×0.00001） （3-1）
I—熱態(tài)泄露電流 mA t—發(fā)熱長度mm
T-工作溫度℃
多個元件串聯(lián)到電源中時，應以這一組元件為整體進行泄露電流試驗。4.絕緣電阻：
出廠檢驗時冷態(tài)絕緣電阻應不小于50MΩ。
密封試驗后，長期存放或者使用后的絕緣電阻應不消與 MΩ。
工作溫度下的熱態(tài)絕緣電阻應不低于公式中的計算值，但最小應不小于1MΩ。
R=「（10-0.015T）/t」×0.001 （3-2）
R—熱態(tài)絕緣電阻 MΩ t—發(fā)熱長度 mm
T—工作溫度℃
5. 絕緣耐壓強度：元件應在規(guī)定的試驗條件和試驗電壓下保持1min，而無閃絡和擊穿現(xiàn)象。
6. 經(jīng)受通斷電的能力:元件應能在規(guī)定的試驗條件下經(jīng)歷2000次通斷電試驗，而不發(fā)生損壞。
7. 過載能力:元件在規(guī)定的試驗條件和輸入功率下應承受30次循環(huán)過載試驗，而不發(fā)生損壞。
8. 耐熱性:元件在規(guī)定的試驗條件和試驗電壓下應承受1000次循環(huán)耐熱性試驗， 而不發(fā)生損壞。
3） 單端電熱管的參數(shù)
功率：20w/cm2×45cm2=900w
陰模選擇直徑20mm，長110mm 的單端電熱管
上模座選擇直徑為25mm，長350mm 的單端電熱管其他性能要符合基本技術要求
3.2 陰模的設計
首先，陰模的高度必須高于裝粉的高度，所以利用壓坯密度和粉末填充密度之間的比率 Q 來計算零件部分所需要的裝粉密度，比率 Q 可以根據(jù)如下公式計算： Q=壓坯密度/充填密度=充填深度/壓坯高度 （3-3） Q=5.3/2.0=2.65.
則所要求出的裝粉高度 F 為：F=H×Q=14.5×2.65=38.5mm。
假定對與下模沖在陰模型腔內導引距離需要 25mm，則陰模至少要比裝粉深度高30mm。于是，將陰模下端面的邊緣標注在上端面邊緣以距離為 A=F+30mm=70mm 處。最后，考慮模沖的長度。因為模沖的必須要足以能夠將壓坯從陰模中完全脫出，即它們的長度至少為 84mm。對于這個長度，還應加大裕度 5~10mm，以便能夠修正磨損的模沖輪廓外形。所以最終定為長度為 90mm.
3.3 上下模沖的設計
3.3.1 下模沖長度的設計
形狀與剎車片的形狀一致,由于之前決定使用的頂出方式為下模沖運動至陰模面來頂出加工零件,且選用了直徑為 25mm,長度為 100mm 的加熱元件,并且需要留出 30mm 以上的壁厚和 5~10mm 的磨損余量,最終確定下模沖長為 150mm.
3.3.2 上模沖的設計
上模沖在壓制時起到固定剎車片背板,并且通過剎車片背板參與剎車片壓制和燒結的過程,而且由于在上模沖背面設有一套加熱原件,所以在不必要的情況下, 可以設計的盡量短一些,便于加熱元件的熱量能夠更快且盡量減少消耗的傳遞過來.上模沖的外輪廓與剎車片一致,但是需要通過剎車片背板的的兩個孔進行固定和定位,所以需要有兩個φ14 的圓形凸臺，所以長度為 35mm，加上厚度為 15mm 的連接板。
注：
陰模型腔的硬度約為 62~65HRC，不得低于 60HRC。模沖除和陰模型腔一樣必須耐磨以外，還必須具有韌性，故模沖的硬度可比陰模稍低一些，一般以 60~63HRC 為宜。
模具表面粗糙度愈小愈好。這不僅可以減少壓制成型時粉末與陰模型腔間的摩擦力，且可增高壓坯密度的均勻性，減低脫模壓力。文獻表明，精細研磨的硬質
合金陰模型腔表面，可時脫模力減到 1/7.因此，陰模型腔及模沖端面粗糙度極為重要。理論上，粉末壓制成形模具中與粉末成形相關的任何表面，粗糙度上都是越小越好，以不大于 Ra0.125μm 為宜。
3.4 其它模架零件的設計
下模沖與下模座之間需要一段空間來保證下模沖的壓制運動能夠順暢進行，所以在下模座與陰模之間需要一組陰模固定塊來支撐陰模一下模座之間的這片空間。下模沖長為 150mm，陰模高度為 90mm，陰模的裝粉高度為 40mm，所以固定塊的高度至少為：150-（90-40）=100mm，再留出至少 10~20mm 的余量，最終確定陰模固定塊的高度為 120mm。
下模座和上模座由于需要裝置導柱和放置桿，而導柱在 MISUMI 的標準件中查詢到大于 350mm 長度的導柱直徑需要 60mm，所以設定放置桿的直徑也設計為相同的 60mm，最終確定上下模座的面積為 700mm×550mm，厚度為 50mm。
加熱板上表面設計成略小于上模座，以便于連接，而下表面用來傳遞熱量，為了盡量不浪費資源，設計成與上模沖大小一樣，厚度暫時定為 90mm。
3.5 連接方式的設計
3.5.1 上下模座與固定板之間的連接
圖 3-7
使用 M10×90 的內六角螺釘，方便拆卸，連接緊密，強度高。
3.5.2 下模座與陰模固定板之間的連接
圖 3-8
使用 M8×50 的內六角螺釘連接，并且每一側用兩個 M12×20 的定位銷來確定位置和承受陰模的壓力。
3.6 陰模材料的選擇
陰模是成形零件壓坯輪廓形狀的模具，耐磨性特別重要。粉末成形時，陰模承受巨大內壓。為防止破損，陰模大多以熱裝狀態(tài)使用。因此，主要采用主要采用高硬度材料制造，并進行熱處理。
在這里使用合金工具鋼 Cr12MoV，且硬度要高于 60HRC。
3.7 模沖材料的選擇
模沖壓制成形用的模沖都不只是使用一次，二是 105~106 次或更多，同時在使用過程中不得斷裂或產生塑性變形，而且在負載作用下不會彈性脹大到擠進陰模型腔中的程度。就量一個壓制周期中產生很小量的塑性變形，經(jīng)過若干的壓縮周期后，也會使模沖發(fā)生相當大的縮短與增厚。其后果可以想象：模沖縮短時，壓坯的高度會相應的增高，而當模沖增厚時，最終會擠進陰模型腔與斷裂，而且， 可能會損壞整套模具。
于是，模沖必須具有高壓縮屈服強度、高的剛度及高的疲勞強度。除了上述性能外，再由模沖形成壓制成型模具壁的一部分的場合，模沖表面的硬度還必須足
夠高。必要時，可十分精細的將模沖進行表面硬化，以免發(fā)生脆裂和表面開裂。 只有剛度最高的一類工具鋼適用于制造模沖，最理想的情況是，制造模沖的材料具備以下性能：
（1） 軟化退火時，切削性能好；
（2） 淬火硬化后，具有最高可能的剛度與疲勞強度；
（3） 在淬火硬化過程中，具有最高可能的尺寸穩(wěn)定性和最小可能的對裂紋的敏感性；
（4） 最高可能的耐磨性； 所以選擇使用工具鋼 Cr12MoV。
3.8 模架的材料選擇
制作與模沖托板都是模架的一部分，即便是跟換模具，他們也都是通用的，故具有不產生缺陷與壓痕的硬度是必要的。由于它們的尺寸余裕的場合居多，故在強度方面，沒有必要采用像模具那么高級的材料。可使用 SK5（T8Mn)或 SK3（T10），硬度和模沖相同或略高即可。
這里選擇材料為 45 號鋼，硬度與模沖一樣。
第 4 章 強度的校核
4.1 壓機的選擇
金屬粉末的壓制力通常由其單位流動壓力所決定:
P=nFp (4-1)
式中 p—金屬粉末平均單位流動壓力F—壓制坯截面積
n—壓制模中型腔數(shù)量(對一次多件壓制)
由于該剎車片只需要 45Mpa 左右的壓力，截面積為 4500mm2，所需壓制力使用原料粉末的成型壓力乘以該零件的截面積，所以壓力 F=45×4500=202500N，
確定壓制力后,可選擇壓機的噸位:
PT=CpP (4-2)
式中 Cp—壓力機噸位裕度系數(shù)，Cp=1.25~1.30
而壓制后制件的頂出力有側壓力 pc、粉體側表面面積 Fc 和粉體與模壁的摩擦系數(shù)μ（=0.1~0.2）確定：
Pout=μFcpc （4-3）
out
頂出力為：P =0.15×3804×10-6×45×106=30kN
所以選用 SX-40 壓機，主要技術參數(shù)數(shù)據(jù)：額定壓制力 400kN（45tf）；脫出力 180kN(20tf);陰模最大裝粉深度 120mm；壓制速度范圍 6~24 件/min；上壓頭/下速頭速度比 1:1~1:4。
4.2 模沖強度校核
①由于壓制成形模具在周期高載荷下工作，因此，必須對主要受力件進行強度校核。
沖頭一般處于壓應力狀態(tài)，其強度校核式為：
σ=P/Fmin≤[σ] （4-4）
式中 P‐金屬粉末壓制力Fmin‐沖頭最小截面積[σ]‐工具鋼許用應力
σ=220000/4500=48Mpa<180MPa
下模沖為剎車片的外輪廓,則σ=400000/4500=88Mpa<180MPa
陰 模 強 度 校 核 : σ=Pout/F=30000/3804=7.8Mpa<180MPa
②對支撐模座和固定板也需要進行抗壓強度校核: σ=P/F≤[σ]
加 熱 板 的 強 度 校 核 : σ=4000000/77392=5.16MPa<80MPa
模 座 的 強 度 校 核 : σ=4000000/370000=1.1MPa<80MPa
第 5 章 模具間的余量的計算
5.1 下模沖的彈性變形余量
模沖的彈性變量
公式為：ΔL=L×P/E （5-1）
其中： ΔL—彈性變形量
L—模沖長度P—成型壓力
E—彈性模量（模具鋼 210Mpa）
1
2
上模沖彈性變量：ΔL =55×220000/210×106=0.05mm 下模沖彈性變量：ΔL =150×220000/210×106=0.137mm
5.2 陰模與下模沖的間隙
如果零件壓坯的外徑對內孔的同軸度要求較高，則間隙值可取 5~7μm。對于一般工業(yè)生產用的原料粉末，配合間隙值可取 0.013mm，其目的在于防止粉末進入模沖和陰模型腔的間隙中。當零件壓坯的半徑大于 25mm 時，一般間隙值為其直徑的 0.05%。
間隙為：104×0.05%=0.05mm
推薦的滑動模具零件間的間隙如表-3
模具尺寸/mm
間隙（≈IT5）/μm
≤10
10~15
10~18
12~18
18~30
15~22
30~50
18~27
50~80
21~32
80~120
25~38
表-3
應用表中推薦的間隙時，我們必須明白，在壓制壓力作用下，模沖會產生彈性脹大。這就意味著陰模與模沖之間的間隙減小。將這樣窄小的間隙用于異形陰模型腔和模沖，在模具制造上會有一些困難，但是模具令人滿意的進行相當長時間并不容許較大的間隙。
模具使用壽命長的前提是所有滑動表面的粗糙度都必須極好（一般不大于Ra0.125μm 為宜），而且一對滑動副的表面硬度要匹配的當。
5.3 壓坯燒結率與回彈率的總收縮率計算
5.3.1 壓坯的回彈率
常見的鐵、銅壓坯的回彈率見表-4
鐵、銅壓坯的回彈率 g
密 度
>5.6~6.1
>6.1~6.5
>6.5~7.2
>1.2~7.6
（g/cm3）
粉 末 種類
范圍
常用值
范圍
常用值
范圍
常用值
范圍
常用值
鐵基
0.1~0
.2
0.1
5
0.15~0.
25
0.1
0
0.20~0.
30
0.2
5
—
—
鐵基
—
—
0.05~0.
15
0.2
0
0.10~0.
20
0.1
5
0.15~0.
25
0.2
0
6-6-3 青
銅
—
—
—
—
0.08~0.
12
0.1
0
0.10~0.
20
0.1
5
表-4
5.3.2 回彈率的影響因素
①粉末的塑性，不僅與其成分有關，而且相同成分但加工工藝不同時，塑性差異易較大。如粉末破碎時的應力大小，退火充分與否，粉末含氧量及其他因素等。塑性好，則回彈率小。
②壓坯密度高，則壓制壓力大，側壓力亦大。模具型腔隨之增大，回彈率也就增大
③陰模的剛性對回彈率影響較大，剛性差則變形大，回彈率也大。
④壓坯高度大于一定值時，高度對回彈率影響不大。但當高度小于一定值時， 則高度對回彈率的影響逐漸明顯。當壓坯高度小于 3—5mm 以下時，回彈率大大降低。
燒結收縮率及其影響因素
5.3.3 燒結收縮率
常見的鐵、銅壓坯的燒結收縮率見表-5
29
鐵、銅壓坯的燒結收縮率 c
成分
密度
（g/cm3）
收縮率（%）
工藝條件
范圍
常用
值
純鐵
>5.6~6.1
>6.1~6.5 6.5~7.1
0.5~0.8
0.3~0.7
0.2~0.4
0.6
0.5
0.3
燒結溫度 1080~1150℃
鐵— 碳
>5.6~6.1
>6.1~6.5 6.5~7.1
0.5~1.0
0.4~0.8
0.3~0.5
0.8
0.6
0.4
含碳 1~3%，燒結溫度1080~1120℃
6-6-3
青銅
>6.5~7.1
1.2~2
1.5
燒結溫度 780~830℃
表-5
收縮率的影響因素
①化學成分對收縮率有一定影響。不僅不同的金屬粉末收縮率差異較大，而且少量的合金元素添加劑，對收縮率也有一定的影響。例如，在鐵基材料中，添加碳、硒、鋁、硼等元素，使收縮率增大；添加銅，可阻礙收縮，一定條件下可使收縮率接近零，甚至脹大。在銅基材料中，添加錫、磷等元素，可增大收縮率； 添加鋅，在一定條件下，有阻礙收縮的作用。
②提高壓坯密度，可是收縮率減小，反之亦然。
③燒結工藝對收縮率影響最為明顯。提高燒結溫度，收縮率增大。這因素最敏感，尤其對于收縮率大的材料。延長保溫時間，是收縮率增大。保護氣氛是不能忽略的因素，真空和良好的還原氣氛可增大收縮率，反之則阻礙收縮率，甚至脹大。尤其對于加有硅、鋁、錳合金元素的鐵基材料，哪怕是少量的水蒸氣的存在亦會氧化。銅基材料對油污染氣氛較敏感，燒結氣氛中有油污的揮發(fā)存在，則阻礙收縮，甚至根本燒結不好。無論采用哪些燒結措施，均可增大收縮率，如鐵、 銅基材料的預氧化燒結；氣氛中加有少量的鹵族化合物以及物理措施。
在加工時需要留出燒結之后的形變量之后的余量，在經(jīng)過復壓整形之后成為最終的產品。
余量計算如下：104×（0.6%-0.15%）=0.47mm 所以加工之后要增加 0.5mm 左右的余量。
第 6 章 主要零件加工后應達到的要求
6.1 陰模
（1） 陰模的高度應能容納壓坯所需要的松散粉末，并使上下模沖有良好的定位和導向。
（2） 能保證壓坯的幾何形狀和尺寸精度。
（3） 工作表面要有良好的粗糙度。
（4） 工作表面要有高的硬度和良好的耐磨性。
（5） 在工作壓力下應有足夠的強度和剛度。
（6） 根據(jù)產品的批量和復雜程度，選擇模具材料的優(yōu)劣。
（7） 結構上應便于制造和維修，便于安裝操作方便。
（8） 能使壓件完好的脫出壓膜。
（9） 平磨后須退磁
6.2 模沖
（1） 工作表面要有足夠的硬度和耐磨性，材料的選擇與熱處理應考慮有適當?shù)捻g性。
（2） 上下模沖對陰模和芯棒應有良好的定位與導向，并有合理的配合間隙， 復合的模沖 應能脫出壓件。
（3） 上下模沖的工作面和配合面應有良好的粗擦度，非工作段的外徑可適當縮小，內孔可適當?shù)姆糯?，以減少精加工與陰模的摩擦。
（4） 有關部位應能保障不垂直度，不平行度和不同心度等技術要求。
（5） 平磨后須退磁
6.3 其他零件
名
稱
材 料
技術要求（長度單位為 mm）
上
模座
Cr12
1.不平行度允差為 0.02
2.不垂直度允差為 0.015~0.030
3.熱處理硬度 HRC50~55
墊板
Cr12
1.不平行度允差為 0.01~0.02
2 熱處理硬度 HRC52~56
導
柱
45
1.不平行度允差為 0.015~0.030
2.不垂直度允差為 0.015~0.030
3. 調制處理硬度 HRC28~32
4. 長度每組幾件允差為 0.02~0.03
下模座
45
1. 不平行度允差為 0.02
2. 熱處理硬度 HRC40~50
壓
座
45
1. 不平行度允差為 0.02
2. 熱處理硬度 HRC40~45
接
桿
45
1. 不垂直度允差為 0.02
2. 調制熱處理硬度 HRC28~32
表-6
總結與展望
剛剛拿到本次畢業(yè)設計的時候相當自信，覺得學了兩年的模具設計，一個不算太復雜的模具設計還不是手到擒來。隨著畢業(yè)設計的慢慢深入，之前的自信也一點點的消減，到了最后只知道學，不停地看書，不停地思考，沉浸在模具設計這門深且廣的學科之中。
首先，我做的開題報告的相關資料的查閱與收集，每讀一篇學術大拿們發(fā)表的文章，就不得不對學術領域的專家們的奇思妙想所震驚，越加的是自己感覺到在學校里學的那些自以為很到家的簡陋知識簡直連皮毛都算不上，各種前沿的技術，各種可預期的發(fā)展，都使我這個見識淺薄的菜鳥對這些技術了解的欲望愈加的強烈。也是我對模具設計的興趣也愈加的濃厚。特別是沖壓模具這一類的大型模具，幻想如果自己有一天能設計出一款幾十上百頓的大型模具并且能夠很好地完成預定的工作，壽命比同類的長，價格比同類的低，那是何等的一種享受。
本次畢業(yè)設計，首先我查閱了大量關于模具設計的一些資料，模具行業(yè)的發(fā)展， 是呈一個上升的趨勢，并且速度很快，可以說是一個很有前景的產業(yè)。模具在工業(yè)生產中的地位也越加的重要。生活中使用的生活用品，可以說 90%以上都是由模具生產出來的，地上跑的汽車，海里跑的輪船，天上飛的飛機，外殼或者許多零件也都是模具中的沖壓模具做出來的，而另一個高速發(fā)展的模具行業(yè)—粉末冶金模具，也由于汽車行業(yè)的高速發(fā)展跟著迎來了的春天，如今許多高強度的零件不如行星輪，軸承，各種齒輪，都是由粉末冶金模具加工出來的，而且種類也越來越繁多。各種各樣的資料從各方面證明了模具行業(yè)的發(fā)展前景是很廣闊的，進入這個行業(yè)并不是一個錯誤的選擇。
接下來根據(jù)老師給予的題目，剎車片的壓制成形，本來以為是沖壓模具的領域， 但是經(jīng)過大量的查閱資料和了解，發(fā)現(xiàn)這是粉末冶金模具的領域，由于之前對粉末冶金的知識接觸的并不是很多，但為了做好本次畢業(yè)設計，在圖書館和網(wǎng)上耗費大量的時間自學了許多關于粉末買冶金和粉末冶金模具設計的只是，大大的充實了自己，并對自己后一步模具設計奠定了良好的基礎。
對于模具設計，我們首先就要先知道設計的東西有什么要求，特別是主要的零部件，如果什么都不知道，那也就談不上是真正實際的設計，所以古往今來前人總結出來的經(jīng)驗是必須要看的，比如：壓機的選用原則，需要根據(jù)壓坯的壓力，
壓機的速度，批量的大小等等來進行合理的選擇。同理，壓坯的設計和模具的選擇也有許多在實際選擇中要遵守的準則。由于自身能力水平的有限，許多要求也可能沒有考慮進去，在設計的過程中我會盡量注意，并且隨時隨地查閱資料來進行糾正。
之后的就進入了真正的模具設計和材料選擇的環(huán)節(jié)，在此過程中，我借鑒了許多前輩的設計的優(yōu)點，深刻的理解各種方案的優(yōu)缺點，并且在此基礎上，合理的加入了自己的想法，經(jīng)過零件壓制的要求和實際的一些客觀要求，選擇了最佳的加熱和頂出方案。之后的陰模設計，根據(jù)書中的裝粉高度公式，計算出了陰模的高度，再由陰模的高度，計算出了下模沖的高度并且合理的選擇了上模沖的高度， 再根據(jù)前輩們總結的經(jīng)驗公式和行業(yè)中的一些內部規(guī)定，設定了各個部件的厚度。并且，確定了連接方式。之后對于模具材料的選擇，也選擇了如今應用最廣并且各方面性能都很出色的 Cr12MoV 模具鋼來作為核心零件陰模和上下模沖的材料。其他模架的零件也選用了應用最廣的 45 號鋼。應用最廣并不代表最差， 而是綜合性能最出色的體現(xiàn)，還有一方面就是模具設計并不能只看重模具的工作性能出色與否，還要考慮當零件損壞后更換是否方便并且便宜的情況， 而Cr12MoV 和 45 號鋼在這些方面可以說是占有絕對的優(yōu)勢的。
當全部設計完畢，選定了材料之后，并不是完結，之后還有許多事情要做，比如接下來要做的強度的校核，選定了模具的形狀和材料，他們在壓機下是否能在規(guī)定的情況下完好地完成需要的動作和能否承受壓機的壓力等等。由于經(jīng)驗技術和知識的限制，如壽命的計算并沒有科學的計算公式，只有每個師傅自己掌握的一些經(jīng)驗公式，使得本人沒有辦法對一些方面進行校核，慚愧的同時并表示遺憾。
之后是在加工和裝配式需要注意的問題，其中最重要的就是各模具零件之間的間隙問題了，間隙的預留不能太小，否則會嚴重影響零件間的工作狀態(tài)并且使得零件在壓機的壓力下加速磨損，大大減小使用壽命，還有出現(xiàn)崩裂的危險情況。 間隙過大會出現(xiàn)粉末泄露，運動不平穩(wěn)等狀況，所以間隙的適當也是在模具設計的過程中必須加以慎重考慮的，由于水平的限制，有許多應該考慮的因素可能沒有考慮到，希望在不遠的將來能夠更進一步。
接下來要考慮的就是零件的粗糙度問題了，特別是工作零件表面的粗糙度，一定要加以重視，因為在資料中顯示，當陰模粗糙度降低到一定程度時，零件的脫
模力竟然可以降到原來的 1/7，因此，陰模型腔及模沖端面粗糙度極為重要。而硬度也是一個很重要考慮因素，陰模型腔的硬度約為 62~65HRC，不得低于 60HRC。模沖除和陰模型腔一樣必須耐磨以外，還必須具有韌性，故模沖的硬度可比陰模稍低一些，一般以 60~63HRC 為宜。
其他零件的加工要求并不像主要零件這么嚴，但是粗糙度和平面度的要求也有嚴格的要求，為了保證壓制出來的零件滿足初始的要求，各個零件的要求也不是可有可無的陪襯。限于水平，各種計算出來的平面要求會有一定的錯誤，感謝老師的指正。
在做畢業(yè)設計的過程中，我深切的體會到了模具行業(yè)的旺盛活力和無限的發(fā)展前景，每天都有新的技術出現(xiàn)，各種能夠用應用于模具的新材料層出不窮，模具的應用領域也在不斷地深入各個領域，制作的零件的復雜程度也越來越高，制作出來的各方面的指標也遠遠高于其他制作方法，真正貫徹了多、快、好、省的各項大環(huán)境的要求，把模具發(fā)展水平看成是一個國家的工業(yè)水平的體現(xiàn)之一還是有一定的科學依據(jù)在里面的，這么一個在工業(yè)領域里極具代表行的產業(yè)，確實是一個很好地標志。在大學里選擇了模具方向的課程并沒有讓我感到失望。相信在不遠的將來，模具的發(fā)展不僅會在產量高，質量好，材料省這些方面越來越好，也一定能在環(huán)保，清潔等方面做出一定的突破，相信在不遠的將來就會實現(xiàn)。
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致 謝
通過本次畢業(yè)設計，通過本次畢業(yè)設計，在理論知識