摘要：本文研究并解決了奧迪轎車盤式制動(dòng)器的制動(dòng)塊國產(chǎn)化中的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。首先結(jié)合地區(qū)資源優(yōu)勢，開發(fā)成功性能優(yōu)于國外摩阻材料的碳纖維無石棉復(fù)合摩阻材料，另外開發(fā)了制動(dòng)塊背板的精沖工藝。本研究成果為實(shí)現(xiàn)奧迪轎車盤式制動(dòng)器制動(dòng)塊的國產(chǎn)化打好了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：盤式制動(dòng)器 制動(dòng)塊 碳纖維復(fù)合摩阻材料 背板 精沖 1 前言 盤式制動(dòng)器是汽車制動(dòng)系中的重要執(zhí)行部件，目前已廣泛應(yīng)用于轎車中。該類制動(dòng)器的摩擦副中的制動(dòng)元件是由摩擦塊（剎車片）與金屬背板所組成的制動(dòng)塊，而摩擦塊則由摩阻材料制成。半個(gè)多世紀(jì)以來，汽車制動(dòng)器的摩阻材料一直沿用石棉基摩阻材料。由于石棉摩阻材料的使用壽命低，易出現(xiàn)“熱衰退”現(xiàn)象[1]，特別是石棉粉塵污染環(huán)境，危害人類健康。因此，近20 年來世界各國都對石棉摩阻材料的生產(chǎn)與使用加以限制，并開始研制與使用新一代復(fù)合纖維增強(qiáng)摩阻材料來制作汽車制動(dòng)器的摩擦塊。鑒于此種發(fā)展趨勢，我們結(jié)合吉林省較豐富的碳纖維資源優(yōu)勢，針對奧迪轎車盤式制動(dòng)器的制動(dòng)塊的國產(chǎn)化中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究開發(fā)。 2 碳纖維復(fù)合材料汽車制動(dòng)器摩擦塊的研制 所研制的碳纖維復(fù)合材料摩阻材料系由增強(qiáng)纖維、粘接劑和摩擦性能調(diào)節(jié)劑（填料）組成的多元體系。采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定材料組分的最佳優(yōu)化配方，使摩阻材料具有良好的綜合性能，之后經(jīng)過混料、熱壓成形、熱處理等工序，壓制成盤式制動(dòng)器的摩擦塊。 2.1 材料配方的確定 2.1.1 材料的選擇 （1）增強(qiáng)纖維的選擇 由于碳纖維具有優(yōu)異的綜合性能：重量輕，比強(qiáng)度、比模量較高（分別是金屬的5 倍和7 倍），導(dǎo)熱性能好，耐磨性好，耐高溫性能好（在小于400℃時(shí)性能很穩(wěn)定）[2]。因此，選定吉林省資源豐富的碳纖維作為所研制的摩阻材料的增強(qiáng)纖維。 （2）粘結(jié)劑的選擇 粘結(jié)劑的作用是將多個(gè)組分結(jié)合成一個(gè)整體，來傳遞載荷并使載荷均衡。通常都使用酚醛樹脂作粘接劑，因?yàn)榉尤渲谀蜔嵝?、成型加工性和?jīng)濟(jì)性等方面都具有一定的優(yōu)點(diǎn)。但是未經(jīng)改性的酚醛樹脂硬度較高、脆性大，其極限耐熱溫度約為250℃，超過300℃時(shí)分解相當(dāng)嚴(yán)重，使抗拉強(qiáng)度及抗沖擊性能降低，從而使產(chǎn)品易形成制動(dòng)噪聲及打滑現(xiàn)象。同時(shí)由于其彈性模量較高，使產(chǎn)品與摩擦對偶貼合性不好，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的局部過熱，造成熱裂現(xiàn)象。因此，在實(shí)際應(yīng)用中均采用改性的酚醛樹脂。根據(jù)我們多年研究石棉和半金屬摩阻材料的經(jīng)驗(yàn)，選用丁腈橡膠改性的酚醛樹脂（FH-908）作粘結(jié)劑。該粘結(jié)劑具有耐高溫、耐疲勞性能好，耐濕熱老化，耐大氣老化，耐介質(zhì)性好等優(yōu)點(diǎn)。 （3）摩擦性能調(diào)節(jié)劑 加入各種摩擦性能調(diào)節(jié)劑（填料）的作用是用以解決在各種情況下摩阻材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定且耐磨，能改善熱衰退性等。選擇填料應(yīng)遵循如下原則：填料的硬度不應(yīng)大于偶對面的硬度；熔點(diǎn)應(yīng)低于偶對材料的融合溫度。實(shí)際采用的填料成分如下： 1） 金屬粉末：它主要用以改善導(dǎo)熱性，減少磨損并保持高溫摩擦系數(shù)的穩(wěn)定。我們選擇的金屬粉末有銅粉（粒度30～80 目），HT200 鑄鐵粉（粒度40～60 目）。 2） 固體潤滑劑：它能提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，減少噪聲等。本研究中采用石墨和碳黑作固體潤滑劑。 3） 摩擦劑：固體潤滑劑雖能減少材料磨損，使摩阻材料工作穩(wěn)定，但卻降低了摩擦系數(shù)。故為了提高摩擦系數(shù)還需加入摩擦劑。本研究中采用Al2O3、SiO2 及鉻礦粉作為摩擦劑[3]。 2.1.2 摩阻材料配方的確定 在研制過程中，摩阻材料配方的確定分兩步進(jìn)行：第一步提出初步配方；第二步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后確定合理配方。 （1）初步配方 通過查閱國內(nèi)外有關(guān)資料，并結(jié)合我們研制半金屬制動(dòng)襯片的經(jīng)驗(yàn)[3]，提出碳纖維復(fù)合摩阻材料的原始配方。采用L9（34）正交表，即四因素三水平正交表進(jìn)行篩選、考核。經(jīng)過兩輪的調(diào)整、測試，作為研究的初步配方。初步配方如下（wt%）： 碳纖維 16～25 粘接劑 11～17 摩擦劑（SiO2+Al2O3） 4～10 金屬粉末（鑄鐵粉） 19～28 固體潤滑劑（石墨+碳黑） 10～19 固定成分 10 （2）最后配方確定 為了能用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得優(yōu)化配方，并了解影響摩擦磨損性能的主次因素，我們采用L16（45）即五因素四水平的正交表進(jìn)行篩選、分析。同時(shí)采用MM-200 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，分別按摩擦系數(shù)和體積磨損量來分析組分的優(yōu)化水平及組分影響的主次順序。還在D-MS 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了熱衰退試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按摩擦系數(shù)分析組分的優(yōu)化水平和組分影響的主次順序。亦按體積磨損量分析了組分的優(yōu)化水平及各因素影響磨損率的主次順序。 最后綜合分析上述試驗(yàn)結(jié)果，得出摩擦磨損性能良好的碳纖維復(fù)合摩阻材料的較佳配方范圍是（wt%）： 摩擦劑（Z1） 6～8 碳纖維（Z2） 16～19 粘結(jié)劑（Z3） 13～15 金屬粉末（Z4） 22～25 固體潤油劑（Z5） 10～13 為了降低成本并擴(kuò)大應(yīng)用范圍，在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用較便宜的預(yù)氧碳纖維（長度為8mm）進(jìn)行試驗(yàn)研究。在多輪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)型配方。其成分范圍是：Z1：8%～10%；Z2： 19%～22%；Z3：15%～17%；Z4：22%～25%；Z5：13%～16%。 2.2 碳纖維復(fù)合材料摩擦塊的摩擦磨損性能 2.2.1 摩擦系數(shù)較高 由于碳纖維比強(qiáng)度、比模量高，并且具有自潤滑性能。在所設(shè)計(jì)的碳纖維含量為19%～22%時(shí)，摩阻材料具有較高的摩擦系數(shù)，同時(shí)體積磨損率也較低。 2.2.2 抗熱衰退性能好 碳纖維復(fù)合摩阻材料，在高溫摩擦作用下，其抗犁切阻力增大，表現(xiàn)出在高溫時(shí)摩擦系數(shù)較大，熱分解層薄，能使摩擦磨損性能在很高溫度時(shí)保持穩(wěn)定，抗熱衰退性能好。 所研制的碳纖維復(fù)合材料摩擦塊，經(jīng)國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，其技術(shù)性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB5763－1986，其使用壽命是石棉摩阻材料的2～3 倍[3]。 3 摩擦塊背板精沖工藝 奧迪轎車盤式制動(dòng)器摩擦塊背板的產(chǎn)品圖如圖1 所示。按照英國盧卡斯·格林（Lucas.Girling）公司的技術(shù)條件與大眾公司供貨標(biāo)準(zhǔn)（TL-VW-110）的要求，對背板的特征與技術(shù)要求見表1。 [align=center] 圖1 奧迪轎車盤式制動(dòng)器摩擦塊背板產(chǎn)品圖[/align] [align=center] 表1 背板零件的特征與技術(shù)要求 [/align] 鑒于背板的制件精度要求較高，且用量大，故采用精沖工藝生產(chǎn)具有較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 3.1 精沖工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算 根據(jù)背板的產(chǎn)品圖樣與技術(shù)要求，采用國產(chǎn)鋼35（GBT699－1999）材料，鋼板厚度為t=5±0.2mm。該材料的主要力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度σb= 530MPa，供貨時(shí)退火狀態(tài)硬度為197HB。 沖裁力按下式計(jì)算 W =1.2 Lτ t （1） 式中：W——沖裁力，kN； L——沖裁件內(nèi)外輪廓周長，mm； τ——板料的剪切強(qiáng)度，MPa； t——板料厚度，mm。 將相關(guān)值代入式（1）經(jīng)計(jì)算得 W=1250kN 壓邊力按下式計(jì)算 P2=KL1＊2h＊σb 式中 P2 ——壓邊力，kN； K——系數(shù)，取K=1.6； h——V 形齒的高度，取h=0.8mm； σb ——板料的抗拉強(qiáng)度， σb =530MPa。 經(jīng)過計(jì)算得到強(qiáng)力齒圈的壓邊力及反壓力： P2 =200kN 綜合上述兩項(xiàng)知沖裁力總噸位約為150t。 按文獻(xiàn)[4]確定沖裁的搭邊值，其中工件間的搭邊值b=8mm，外搭邊值a=6mm。 沖裁工藝安排如下：采用GB3275－1991 的熱軋鋼板，剪床下料后進(jìn)行酸洗處理，在Y26-630 國產(chǎn)液壓精沖壓邊機(jī)上采用復(fù)合模進(jìn)行精沖。 3.2 精沖模的設(shè)計(jì)與制造要點(diǎn) 為獲得表面平整且外輪廓面平齊的背板沖壓件，采用如圖2 所示的固定凸模式復(fù)合模。 本模具選用JD003－82 系列精沖模架，以提高模具質(zhì)量和縮短加工周期[5]。 因沖裁板料較厚且為中等硬度鋼板，模具的主要工作零件選用Cr12MoV 鋼制造，同時(shí)淬火硬度為60～64HRC。 沖裁工藝間隙取Z=1.0t%，即可收到較好斷面質(zhì)量。如圖3 所示，采用單面V 形齒圈結(jié)構(gòu)[4]，齒形內(nèi)角α = 40o。 [align=center] 圖2 背板精沖復(fù)合模[/align] [align=center] 圖3 V形壓邊齒圈[/align] 4 結(jié)論 奧迪轎車盤式制動(dòng)器制動(dòng)塊是一種科技含量較高，使用壽命較長的關(guān)鍵零部件。根據(jù)德國大眾汽車公司的供貨標(biāo)準(zhǔn)TL-VW-110：其摩擦塊為無石棉摩阻材料；背板為中硬鋼精沖件。目前國產(chǎn)奧迪轎車盤式制動(dòng)器的制動(dòng)塊一直采用英國盧卡斯·格林公司的進(jìn)口件配套。本研究針對這一背景并在充分利用吉林省碳纖維資源豐富的條件下，自主研究開開碳纖維復(fù)合材料無石棉摩擦塊與背板的精沖工藝，解決了該產(chǎn)品國產(chǎn)化中的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題，為實(shí)現(xiàn)奧迪轎車盤式制動(dòng)器制動(dòng)塊的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。