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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
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(xué)的一個(gè)分
支。而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，粉末冶金工藝具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低以及
可加工復(fù)雜形狀工件等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其在現(xiàn)代工業(yè)中的地位也越來(lái)越高。相應(yīng)
的，粉末冶金模具作為現(xiàn)代高速成型技術(shù)在工藝裝備中起到越來(lái)越大的作用。特
別是在汽車行業(yè)中應(yīng)用的比例越來(lái)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(gè)方向.
本次設(shè)計(jì)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(zhǔn)則，了解各個(gè)零件的具體要求。從對(duì)零件壓坯的尺寸，密度，質(zhì)
量和高度等計(jì)算，來(lái)確定陰模與模沖的類型，再通過(guò)對(duì)壓機(jī)的選擇設(shè)計(jì)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(jì)算與選擇，對(duì)模具的
材料進(jìn)行選擇,強(qiáng)度校核,粗糙度的確定,最后畫(huà)出零件圖和裝配圖。
關(guān)鍵字：粉末冶金；壓制成形；剎車片模具
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
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
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)的原則.............................................................................. 5
2.1 通用粉末成形壓機(jī)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則.................................................................................................... 6
第 3 章 模具的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)..................................................................................................................... 13
3.3 上下模沖的設(shè)計(jì)............................................................................................................. 13
3.3.1 下模沖長(zhǎng)度的設(shè)計(jì).............................................................................................. 13
3.3.2 上模沖的設(shè)計(jì)...................................................................................................... 14
3.4 其它模架零件的設(shè)計(jì)..................................................................................................... 14
3.5 連接方式的設(shè)計(jì)............................................................................................................. 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(qiáng)度的校核.................................................................................................... 17
4.1 壓機(jī)的選擇..................................................................................................................... 17
4.2 模沖強(qiáng)度校核.................................................................................................................. 17
第 5 章 模具間的余量的計(jì)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(jié)率與回彈率的總收縮率計(jì)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(jié)收縮率.......................................................................................................... 20
第 6 章 主要零件加工后應(yīng)達(dá)到的要求..............................................................................21
6.1 陰模..................................................................................................................................21
6.2 模沖.................................................................................................................................22
6.3 其他零件.......................................................................................................................... 22
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
總結(jié)與展望.................................................................................................................................. 24
參考文獻(xiàn).......................................................................................................................................27
致
謝........................................................................................................................................... 29
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
第 1 章 緒論
1.1 粉末冶金概述
粉末冶金是一門(mén)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(jié)制造材料或制品的技術(shù)學(xué)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(jié)制造材料或制皮的技術(shù)。
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(guò)程中，所用的成型模具是如何設(shè)計(jì)的。模具設(shè)計(jì)與所
使用的粉末原料的性能、使用的成形工藝與設(shè)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(guān)。
特別是 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，鐵基粉末冶金零件的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展非?？欤痪?
對(duì)所制造零件的技術(shù)性能要求，研發(fā)出了各種各樣的金屬粉末成形技術(shù)與設(shè)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(wú)模成形等。其
中多種成型工藝都涉及到模具設(shè)計(jì)問(wèn)題。
粉末冶金是一門(mén)古老的冶金技術(shù)。我國(guó)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(chǎn)工藝相似，故可稱之為早期的粉末鍛造技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)
后來(lái)由于煉鐵技術(shù)的興起而從歷史舞臺(tái)上消失。進(jìn)入 18 世紀(jì)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(shù)開(kāi)始進(jìn)入現(xiàn)代
科學(xué)技術(shù)發(fā)展的行列。
繼金屬鉑之后，在 19 世紀(jì)后期至 20 世紀(jì)初，用粉末冶金方法制取了具有劃時(shí)
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(chǔ)。
20 世紀(jì)初，繼難熔金屬之后，用粉末冶金技術(shù)陸續(xù)研制成功了硬質(zhì)合金，多
孔性金屬含油軸承、鎢-鋼與鎢-鋼鎳復(fù)合材料等。
1
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
2003 年全球粉末貨運(yùn)總量約為 88 萬(wàn)噸，其中美國(guó)占 51%，歐洲 18%，日本 13%，
其他國(guó)家和地區(qū) 18%。汽車工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的進(jìn)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(chǎn)的粉末冶金結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(guó)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(chǎng)前景，已經(jīng)
成為眾多國(guó)際粉末冶金企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。
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(jī)。日本電子行業(yè)用的粉末冶
金產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)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(chǎn)鐵粉、銅粉等金屬粉末和生產(chǎn)鐵基、
銅基粉末冶金制品等產(chǎn)業(yè)外，廣義的講，還應(yīng)包括用粉末冶金技術(shù)制造的所有產(chǎn)
品門(mén)類的產(chǎn)業(yè)，諸如難熔金屬制品、硬質(zhì)合金、金剛石-金屬制品、軟磁與硬磁
鐵氧體元件、技術(shù)陶瓷、電觸頭材料、多孔性金屬過(guò)濾器、金屬-石墨材料等產(chǎn)
業(yè)。現(xiàn)在用粉末冶金技術(shù)制造的材料或制品，大體上可以分為五類：
1）粉末冶金機(jī)械零件，其中包括燒結(jié)金屬自潤(rùn)滑軸承、燒結(jié)金屬結(jié)構(gòu)零件及
燒結(jié)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(zhì)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(diǎn)金屬材料與制品，諸如鎢、鉬、鉭、鈮；
5）精細(xì)陶瓷材料與制品。
粉末冶金機(jī)械零件是當(dāng)前粉末冶金工業(yè)的主導(dǎo)性產(chǎn)品。廣泛使用的粉末冶金機(jī)
械零件材料有燒結(jié)鐵、燒結(jié)碳鋼、燒結(jié)低合金鋼、燒結(jié)合金鋼、燒結(jié)不銹鋼、燒
結(jié)鋁和燒結(jié)鋁和金、燒結(jié)同和燒結(jié)銅合金、燒結(jié)鎳合金等。
早期的粉末冶金機(jī)械零件主要是含油軸承與墊圈之類的制品，形狀簡(jiǎn)單且力學(xué)
性能較低。近 40 年來(lái)，由于鋼鐵粉末、粉末成形壓機(jī)、模具、燒結(jié)爐等的不斷
改進(jìn)，組合燒結(jié)、粉末鍛造、注射成形、溫壓及冷、熱等靜壓等工藝技術(shù)的相繼
開(kāi)發(fā)，制造的粉末冶金結(jié)構(gòu)零件形狀愈來(lái)愈復(fù)雜，材料的力學(xué)性能越來(lái)越高，像
2
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中承受動(dòng)態(tài)應(yīng)力最高的連桿，現(xiàn)在不但可用粉末鍛造生產(chǎn)，甚至可用
一次壓制-燒結(jié)工藝制造。利用溫壓技術(shù)，用一次壓制-燒結(jié)就可以使鐵基粉末冶
金零件的材料密度達(dá)到 7.4g/cm3以上,從而使材料的力學(xué)性能顯著增高.因此,粉
末冶金機(jī)械零件的市場(chǎng)一直在不斷擴(kuò)大。
1.2 模具工業(yè)在現(xiàn)代工業(yè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位
模具因其生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、材料消耗低、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)過(guò)程易于實(shí)
現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化、生產(chǎn)成本低而獲得廣泛的應(yīng)用，利用模具可以加工出薄壁、
重量輕、剛性好、形狀復(fù)雜的零件；產(chǎn)品質(zhì)量有模具保證，具有一模一樣的特點(diǎn)；
這是其它加工制造業(yè)所無(wú)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(jì)，利用模具制造的零件數(shù)量，在飛機(jī)、汽
車、摩托車、拖拉機(jī)、電機(jī)、電器、儀器儀表等機(jī)電產(chǎn)品中占 80%以上；在電冰
箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、電風(fēng)扇、自行車、手表等輕工業(yè)產(chǎn)品中占 90%以上；在子彈、
槍支等兵器產(chǎn)品中占 95%以上；在日用金屬產(chǎn)品中占 95%以上?？梢?jiàn)，研究和發(fā)
展模具技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造的水平的重要標(biāo)志之一。
1.3 粉末冶金模具的現(xiàn)狀
80 年代后，我國(guó)的一些主要粉末冶金機(jī)械零件生產(chǎn)企業(yè)，先后從日本、歐洲
及美國(guó)引進(jìn)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(jī)械式與液壓式粉末冶金壓機(jī)，網(wǎng)帶式、推進(jìn)式及步移梁式燒結(jié)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(chǎn)線，噴撒法生產(chǎn)
銅基摩擦片生產(chǎn)線，以及鐵基結(jié)構(gòu)零件、微型精密銅基含油軸承，電機(jī)車受電弓
滑板，銅基過(guò)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(shù)。
通過(guò)消化、吸收這些引進(jìn)技術(shù)與設(shè)備，有力地推動(dòng)了我國(guó)粉末冶金機(jī)械零件工業(yè)
的技術(shù)進(jìn)步，使其生產(chǎn)技術(shù)水平有了明顯提高。例如:1.hl 含油軸承洗衣機(jī)、電
機(jī)用含油軸承 1983 年以前全部從日本進(jìn)口，1987 年北京粉末冶金工業(yè)公司實(shí)驗(yàn)
廠試制成這種軸承后，擋住了進(jìn)口?，F(xiàn)在該廠年產(chǎn)量數(shù)以百萬(wàn)計(jì)，微型精密含油
軸承是音像機(jī)器和微小型電機(jī)不可替代的關(guān)鍵零件。我國(guó)生產(chǎn)這種含油軸承的能
力已超過(guò) 2 億件/年，材料有銅基、鐵基及鐵銅合金等。
3
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
80 年代后期，我國(guó)家用電冰箱生產(chǎn)發(fā)展迅速。電冰箱的心臟是壓縮機(jī)，而
壓縮機(jī)的一些主要零件都是用粉末冶金制造的，諸如往復(fù)式壓縮機(jī)中的連桿、活
塞、軸套、閥板，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)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(chǎn)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(guó)內(nèi)已研制成功，并開(kāi)始小批量生產(chǎn)。寧波粉末
冶金廠經(jīng)過(guò) 4 年研制，已試制成功大發(fā)車的曲軸正時(shí)齒輪、凸輪軸正時(shí)齒輪、平
衡塊、主動(dòng)與從動(dòng)鏈輪，止推板等，有的零件已進(jìn)入批量生產(chǎn)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(chǎn)。
飛速發(fā)展的粉末冶金制品，也給模具制造帶來(lái)了飛速的發(fā)展。有單一的整體式
的模具到復(fù)雜的組合式的模具一應(yīng)俱全，產(chǎn)品數(shù)量直線上升。這就為現(xiàn)在的模具
設(shè)計(jì)提出了新的要求：高的壽命，高的強(qiáng)度，高的耐磨性，高的韌性，高的耐熱
性等。這就給設(shè)計(jì)工作者提出了更高的要求。這不僅要求對(duì)模具制造工藝了如指
掌，而且要對(duì)材料的性能及特點(diǎn)非常熟悉。
第 2 章 粉末冶金模具設(shè)計(jì)的原則
2.1 通用粉末成形壓機(jī)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(shí)的裝粉速度、壓
制壓力-密度曲線以及可達(dá)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(gè)數(shù)；
3）制品的尺寸公差；
4）批量大小，生產(chǎn)批量大時(shí)，模具更換少，反之亦然；
5）粉末冶金生產(chǎn)廠可利用的壓機(jī)和模具的結(jié)構(gòu)、氣候條件和建筑特性等；
6）操作和維修人員的素質(zhì)；
7）快速采購(gòu)備件的可能性；
8）對(duì)自動(dòng)化程度的要求。
2.2 壓坯的選用原則
1）材質(zhì) 根據(jù)所要求的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性、氣密性、磁性等物理-
力學(xué)特性，來(lái)選擇材料的組成、密度、后續(xù)處理等；
4
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
2）零件尺寸 根據(jù)對(duì)象零件的尺寸計(jì)算成形加壓面積。然后依靠材質(zhì)選定的密
度，確定所需要的單位面積壓力，從而計(jì)算出所需要的總壓制力；
3）零件形狀 關(guān)鍵在于是否能壓制成型，若整體無(wú)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(lái)；
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(chǎn)成本；
5）精度 零件形狀確定之后，在選定的材質(zhì)、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(jì)性，最好用模具壓制成形來(lái)保證各項(xiàng)精度。
2.3 壓制成形模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
1）陰模型腔內(nèi)各個(gè)部位都必須可靠地充填以數(shù)量精確的粉末；
2）壓坯內(nèi)的密度分布應(yīng)盡量均一；
3）為保證鄰接部分粉體間充分連接，對(duì)陰模型腔內(nèi)各處的粉體應(yīng)同時(shí)進(jìn)行密
實(shí)。應(yīng)注意密實(shí)粉體僅只很微量向側(cè)向移動(dòng)；
4）必須將壓坯完好的從成型模具中脫出；
5）對(duì)模具零件的所有必要的動(dòng)作都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲冶仨毮芤宰銐?
高的精度進(jìn)行重復(fù)；
6）模具的模沖盡量少；
7）在壓制過(guò)程中，模沖不得與陰模或芯棒，或相互卡?。?
8）在壓制過(guò)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(yīng)具有最高的可預(yù)期壽命；
9）模具的所有功能都必須最好的利用壓機(jī)的相應(yīng)功能；
10）模具的設(shè)計(jì)應(yīng)便于組裝和安裝在壓機(jī)上，以將組裝的時(shí)間縮短到最短；
11）磨損的模具零件應(yīng)盡量容易更換，以將停工時(shí)間縮小到最短；
12）就預(yù)期的模具使用壽命和生產(chǎn)壓坯數(shù)量而言，模具的制造成本必須合理。
5
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
第 3 章 模具的設(shè)計(jì)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(guò)程中進(jìn)行和剎車片背板的燒結(jié)。
圖 3-1 剎車片與背板的組合圖
實(shí)際零件類似于圖 3-2
6
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
圖 3-2 剎車片
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(shù)脂，利于燒結(jié)的各種成分在其中，查閱各階段鐵
粉的密度如表-1：
表-1
3
根據(jù)圖表-2，
7
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
選擇比還原鐵粉還要小一些的松裝密度2.0g/cm而壓制之后的剎車片壓坯密度
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
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(jié)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(shè)計(jì)要解決的主要壓制質(zhì)量指標(biāo)。
在壓制過(guò)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(zhì)量外，主要有兩個(gè)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(guān)。二是當(dāng)模腔中的粉末同時(shí)受到壓縮式，粉末體產(chǎn)
生柱式流動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生明顯的橫向流動(dòng)，所以壓坯密度分布均勻性還與模腔內(nèi)
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(guān)，這些都可以通過(guò)
壓制工藝參數(shù)來(lái)控制。
由于粉末與模壁之間的摩擦，所引起壓坯密度無(wú)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(lái)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(shí)，壓坯密度分布很不均勻，如果采用雙向壓制中的非同時(shí)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(guān)系后，要解決壓模設(shè)計(jì)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(chǎn)批量和壓機(jī)選擇壓制方式和壓
模結(jié)構(gòu)類型。
（1）當(dāng)圓柱體壓坯的高徑比 H/D≤1 時(shí),圓筒形壓坯的高壁厚比 H/T≤3 時(shí),可
采用單向壓制和單向壓模.
（2）當(dāng) H/D>1 或 H/T>3 時(shí),通常采用雙向壓制和雙向壓模;
（3）當(dāng) H/T>4 時(shí)，最好采用壓制時(shí)芯桿和陰模能相對(duì)移動(dòng)的壓模；
（4）當(dāng) H/T>6~10 時(shí)，可采用摩擦芯桿壓?；驂褐茣r(shí)陰模、芯桿和上模能相對(duì)
8分類
3
密度（g/cm )
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(jié)和滲透
工藝制作
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
下模沖移動(dòng)的壓模結(jié)構(gòu)。一般浮動(dòng)芯桿的移動(dòng)速度約等于陰模移動(dòng)速度的二分之
一。但上模沖的移動(dòng)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(dòng)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(dòng)，移動(dòng)至下模沖的上表面，
最終頂出，之后取出零件。問(wèn)題是動(dòng)作過(guò)于繁瑣，速度較慢，不適于大批量生產(chǎn)
的要求。
方案二，頂出式：
陰模不動(dòng)，下模沖在壓制完成之后繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到陰模的上表面，頂出
零件完成取出零件的要求，如圖 3-4：
9
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
圖 3-4
如圖所示，下推板推動(dòng)下模沖完成壓制動(dòng)作，之后在下推板的作用下繼續(xù)向上
運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到陰模上表面，是零件完成脫模動(dòng)作。該動(dòng)作簡(jiǎn)單快捷，由于是借助
壓床的動(dòng)力，對(duì)于一些脫模力較大的零件也可以應(yīng)用，非常適合大批量生產(chǎn)，缺
點(diǎn)在于陰模內(nèi)腔會(huì)加速磨損。
綜合兩種方案，再根據(jù)零件是一種大批量生產(chǎn)，只要求一定的平面度，對(duì)陰模
壓制的外輪廓并沒(méi)有很高的要求，所以即使是有一定的磨損也在承受范圍內(nèi)，決
定選擇使用下模沖向上運(yùn)動(dòng)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(gè)模具全部加熱，如圖 3-5
10
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
圖 3-5
幾乎在所有的相關(guān)零件上都設(shè)有加熱元件的孔，優(yōu)點(diǎn)是加熱速度非?？?，擁有
很快的加工便捷性，相對(duì)的，缺點(diǎn)也非常大，浪費(fèi)資源嚴(yán)重，相比于一般的模架
來(lái)說(shuō)，整體強(qiáng)度下降很多，抗彎曲的強(qiáng)度也有所下降。
方案二：
在關(guān)鍵性的局部位置添加加熱板或者在強(qiáng)度比較高的模沖內(nèi)加工可放置加熱
元件的深孔，如圖 3-6
11
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
圖 3-6
如圖，僅僅在下模沖和上模沖的墊板之上加設(shè)了加熱元件，相對(duì)于全體加熱，加
熱速度相對(duì)較慢，但是考慮到只是加工時(shí)的預(yù)熱速度較慢，等加熱到可加工溫度，
持續(xù)加工的時(shí)達(dá)到所需要的溫度很快，如此一來(lái)，將大大節(jié)省能源的消耗，節(jié)約
資源，各方面的強(qiáng)度壽命也沒(méi)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(shì)在于：
1、直徑小，可以做到3-25MM。
2、長(zhǎng)度不受限制，可以做到20-2000MM。
3、功率高，國(guó)內(nèi)可以做到表面積20瓦特/平方厘米。
4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高、熱效率高、安全可靠、安裝簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)
污染、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，同時(shí)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(shí)間：在試驗(yàn)電壓下，元件從環(huán)境溫度升至試驗(yàn)溫度時(shí)間應(yīng)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(yīng)不超過(guò)下列規(guī)定的范圍。
對(duì)額定功率小于等于100W 的元件為：±10%。
對(duì)額定功率大于100W 的元件為+5%～-10%或10W，取兩者中的較大值。
12
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
3.泄露電流
：
冷態(tài)泄露電流以及水壓和密封試驗(yàn)后泄露電流應(yīng)不超過(guò)0.5mA。
工作溫度下的熱態(tài)泄露電流應(yīng)不超過(guò)公式中的計(jì)算值，但最大不超過(guò)5mA。
I=1/6（tT×0.00001）
（3-1）
I—熱態(tài)泄露電流 mA
t—發(fā)熱長(zhǎng)度 mm
T-工作溫度℃
多個(gè)元件串聯(lián)到電源中時(shí)，應(yīng)以這一組元件為整體進(jìn)行泄露電流試驗(yàn)。
4.絕緣電阻：
出廠檢驗(yàn)時(shí)冷態(tài)絕緣電阻應(yīng)不小于50MΩ。
密封試驗(yàn)后，長(zhǎng)期存放或者使用后的絕緣電阻應(yīng)不消與 MΩ。
工作溫度下的熱態(tài)絕緣電阻應(yīng)不低于公式中的計(jì)算值，但最小應(yīng)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(zhǎng)度 mm
T—工作溫度℃
5.絕緣耐壓強(qiáng)度：元件應(yīng)在規(guī)定的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)電壓下保持1min，而無(wú)閃絡(luò)和
擊穿現(xiàn)象。
6.經(jīng)受通斷電的能力:元件應(yīng)能在規(guī)定的試驗(yàn)條件下經(jīng)歷2000次通斷電試驗(yàn)，而
不發(fā)生損壞。
7.過(guò)載能力:元件在規(guī)定的試驗(yàn)條件和輸入功率下應(yīng)承受30次循環(huán)過(guò)載試驗(yàn)，而
不發(fā)生損壞。
8.耐熱性:元件在規(guī)定的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)電壓下應(yīng)承受1000次循環(huán)耐熱性試驗(yàn)，
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(zhǎng)110mm 的單端電熱管
上模座選擇直徑為25mm，長(zhǎng)350mm 的單端電熱管
其他性能要符合基本技術(shù)要求
13
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
3.2 陰模的設(shè)計(jì)
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(lái)計(jì)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(jì)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(duì)與下模沖在陰模型腔內(nèi)導(dǎo)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(biāo)注在上端面邊緣以距離為 A=F+30mm=70mm
處。最后，考慮模沖的長(zhǎng)度。因?yàn)槟_的必須要足以能夠?qū)号鲝年幠Ｖ型耆?
出，即它們的長(zhǎng)度至少為 84mm。對(duì)于這個(gè)長(zhǎng)度，還應(yīng)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(zhǎng)度為 90mm.
3.3 上下模沖的設(shè)計(jì)
3.3.1 下模沖長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)
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(yùn)動(dòng)至陰模
面來(lái)頂出加工零件,且選用了直徑為 25mm,長(zhǎng)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(zhǎng)為 150mm.
3.3.2 上模沖的設(shè)計(jì)
上模沖在壓制時(shí)起到固定剎車片背板,并且通過(guò)剎車片背板參與剎車片壓制和
燒結(jié)的過(guò)程,而且由于在上模沖背面設(shè)有一套加熱原件,所以在不必要的情況下,
可以設(shè)計(jì)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(guò)
來(lái).上模沖的外輪廓與剎車片一致,但是需要通過(guò)剎車片背板的的兩個(gè)孔進(jìn)行固
定和定位,所以需要有兩個(gè)φ14 的圓形凸臺(tái)，所以長(zhǎng)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(shí)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(xiàn)表明，精細(xì)研磨的硬質(zhì)
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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
合金陰模型腔表面，可時(shí)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(guān)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(shè)計(jì)
下模沖與下模座之間需要一段空間來(lái)保證下模沖的壓制運(yùn)動(dòng)能夠順暢進(jìn)行，所
以在下模座與陰模之間需要一組陰模固定塊來(lái)支撐陰模一下模座之間的這片空
間。下模沖長(zhǎng)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(dǎo)柱和放置桿，而導(dǎo)柱在 MISUMI 的標(biāo)準(zhǔn)件中查
詢到大于 350mm 長(zhǎng)度的導(dǎo)柱直徑需要 60mm，所以設(shè)定放置桿的直徑也設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成略小于上模座，以便于連接，而下表面用來(lái)傳遞熱量，為
了盡量不浪費(fèi)資源，設(shè)計(jì)成與上模沖大小一樣，厚度暫時(shí)定為 90mm。
3.5 連接方式的設(shè)計(jì)
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(nèi)六角螺釘，方便拆卸，連接緊密，強(qiáng)度高。
3.5.2 下模座與陰模固定板之間的連接
15
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
圖 3-8
使用 M8×50 的內(nèi)六角螺釘連接，并且每一側(cè)用兩個(gè) M12×20 的定位銷來(lái)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(shí)，陰模承
受巨大內(nèi)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(jìn)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(shí)在使
用過(guò)程中不得斷裂或產(chǎn)生塑性變形，而且在負(fù)載作用下不會(huì)彈性脹大到擠進(jìn)陰模
型腔中的程度。就量一個(gè)壓制周期中產(chǎn)生很小量的塑性變形，經(jīng)過(guò)若干的壓縮周
期后，也會(huì)使模沖發(fā)生相當(dāng)大的縮短與增厚。其后果可以想象：模沖縮短時(shí)，壓
坯的高度會(huì)相應(yīng)的增高，而當(dāng)模沖增厚時(shí)，最終會(huì)擠進(jìn)陰模型腔與斷裂，而且，
可能會(huì)損壞整套模具。
于是，模沖必須具有高壓縮屈服強(qiáng)度、高的剛度及高的疲勞強(qiáng)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(chǎng)合，模沖表面的硬度還必須足
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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
夠高。必要時(shí)，可十分精細(xì)的將模沖進(jìn)行表面硬化，以免發(fā)生脆裂和表面開(kāi)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(shí)，切削性能好；
（2）淬火硬化后，具有最高可能的剛度與疲勞強(qiáng)度；
（3）在淬火硬化過(guò)程中，具有最高可能的尺寸穩(wěn)定性和最小
可能的對(duì)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(chǎn)生缺陷與壓痕的硬度是必要的。由于它們的尺寸余裕的場(chǎng)合居多，故在
強(qiáng)度方面，沒(méi)有必要采用像模具那么高級(jí)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(hào)鋼，硬度與模沖一樣。
第 4 章 強(qiáng)度的校核
4.1 壓機(jī)的選擇
金屬粉末的壓制力通常由其單位流動(dòng)壓力所決定:
P=nFp
(4-1)
式中 p—金屬粉末平均單位流動(dòng)壓力
F—壓制坯截面積
n—壓制模中型腔數(shù)量(對(duì)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(jī)的噸位:
PT=CpP
式中 Cp—壓力機(jī)噸位裕度系數(shù)，Cp=1.25~1.30
17
(4-2)
汽車剎車片模具設(shè)計(jì)
而壓制后制件的頂出力有側(cè)壓力 pc、粉體側(cè)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）
頂出力為：Pout=0.15×3804×10-6×45×106=30kN
所以選用 SX-40 壓機(jī)，主要技術(shù)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(qiáng)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(duì)主要受力件進(jìn)行強(qiáng)
度校核。
沖頭一般處于壓應(yīng)力狀態(tài)，其強(qiáng)度校核式為：
σ=P/Fmin≤[σ]
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(yīng)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(qiáng)度校核:
σ=Pout/F=30000/3804=7.8Mpa<180MPa
②對(duì)支撐模座和固定板也需要進(jìn)行抗壓強(qiáng)度校核:
σ=P/F≤[σ]
加熱板的強(qiáng)度校核:
σ=4000000/77392=5.16MPa<80MPa
模座的強(qiáng)度校核:
σ=4000000/370000=1.1MPa<80MPa
第 5 章 模具間的余量的計(jì)算
5.1 下模沖的彈性變形余量
18
（4-4）
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文
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(zhǎng)度
P—成型壓力
E—彈性模量（模具鋼 210Mpa）
上模沖彈性變量：ΔL1=55×220000/210×106=0.05mm
下模沖彈性變量：ΔL2=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(duì)內(nèi)孔的同軸度要求較高，則間隙值可取 5~7μm。對(duì)于一
般工業(yè)生產(chǎn)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(jìn)入
模沖和陰模型腔的間隙中。當(dāng)零件壓坯的半徑大于 25mm 時(shí)，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(dòng)模具零件間的間隙如表-3
表-3
應(yīng)用表中推薦的間隙時(shí)，我們必須明白，在壓制壓力作用下，模沖會(huì)產(chǎn)生彈性
脹