機械_在電動車上使用的復合母排的熱壓模具設計

1、 畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設計（論文）題目：在電動車上使用的復合母排的熱壓模具設計分校（點）： 松江 年級、專業(yè)： 教育層次： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 完成日期： 目 錄內容摘要和關鍵詞IAbstract and Key wordsII文獻綜述III一、 在電動車上使用的復合母排的介紹 1(一) 復合母排在電動車上的應用特點及要求 11. 電動車的種類及工作原因 12. 電動車三大關鍵技術介紹 13. 電動車對復合母排的要求 1(二) 復合母排的材料選擇 21. 導體的材料選擇22. 絕緣材料的選擇2(三) 復合母排的導體的表面處理2(四) 復合母排的出廠型式試驗2(五) 復合母排的模型

2、方案 3二、 質量體系 5(一) ISO90015(二) TS169495三、 熱壓模具的材料選擇 5(一) 熱壓機的工作特點 5(二) 熱壓模具主體型腔的材料選擇51. 對材料的綜合要求52. 材料的選擇5(三) 熱壓模具的定位結構件的材料選擇 71. 定位結構件的材料選擇 72. 導柱和導套的材料選擇7四、 熱壓模具的結構參數設計 7(一) 銅排與模具間各個部位的間隙參數設計 7(二) 定位結構件的參數設計8(三) 導柱和導套的標準化設計 10(四) 熱壓模具的加工工藝介紹 111. 加工設備112. 加工進刀量 11五、 熱壓模具結構設計與裝配 11(一) 熱壓模具外形大小的設計 11(

3、二) 熱壓模具分型面的設計11(三) 熱壓模具型腔的設計111. 下模板的設計112. 上模板的設計12(四) 用于定位復合母排定位結構的設計 12(五) 模具的裝配及檢查 12(六) 熱壓模具的二維圖 121. 繪制上模板的二維圖 122. 繪制下模板的二維圖 143. 繪制定位塊的零件圖 15六、 結論17參考文獻 17致謝18內 容 摘 要經過兩年多的電大學習，是時候檢查我們學習成果的時刻了，理論結合實際，此次畢業(yè)設計的題目是在電動車上使用的復合母排的熱壓模具設計。此次畢業(yè)設計的題材來自工作。電動車是近2年在國內飛速發(fā)展的，而目前的電動車的動力最主要的是電池，而電池需要管理和輸送，驅動器

4、就是控制電的分配和輸出，驅動器大部分在設計時就會用到復合母排，一般用于電容到IGBT的輸送電，所以對復合母線的要求也越來越高，需求量也是越來越多。此次設計主要從復合母排比較小，用量較大來設計高效率的熱壓模具，從復合母排的特點和熱壓工藝的綜合考慮來選擇合適的模具材料、大小、結構等。在設計中，理論結合以往的類似的模具設計方法、思路進行優(yōu)化改進。在設計過程中采用電腦設計軟件solidworks進行設計并驗證。在此次畢業(yè)設計中得到了顧老師的精心指導。同時也非常感謝幫助過我的同學和老師的。由于個人的設計經驗、知識視野有限，設計中的錯誤和不足之處在所難免，希望各位老師批評指正。關鍵詞：復合母排 熱壓模具

5、鋁合金 AbstractAfter more than two years study in univerty, its time to inspect our learning. The design topic is to use hot-press mould with composit busbar in EV car This idea is from my job. EV car has experienced a rapid development in China. The drive power is from battery. A battery driver is nee

6、ded to control and manage the power. Most driver use laminated busbar. So its a biger market share in the future.This paper show a high-efficiency hot-pressure mould with relatively small laminated busbar and XXX. We should select suitable mould material, size and structure with considering the char

7、acteristic of laminated busbar and hot-press process. In the paper,we combine with the previous mold design experience and ideas to improve our design. Solidworks is used for this design.In this graduation design, I got Mr. Gus careful guidance. Thanks for him help, also thanks for my classmates and

8、 other teachers.If there is some error or mistake you find, please do not hesitate to let me know.Key words :Laminated busbar hot-press mould Aluminium alloy文 獻 綜 述現代汽車領域面臨著越來越嚴峻的三大問題：能源、安全和環(huán)境污染。其中能源和環(huán)境污染問題最為突出，我國的大部門城市的霧霾和臭氧問題在世界上屬于比較嚴重的，造成這種環(huán)境污染的重要因素來自汽車的尾氣排放中顆粒物和氮氧化物。所以迫切的需要能替代汽油的新能源。我國在新能源汽車方面是非

9、常積極的，這主要是因為：第一，傳統(tǒng)能源的短缺危機和環(huán)境保護的客觀要求，我國對外國的石油依賴度逐年提升，而此時正值汽車工業(yè)整體處于調整方向的階段，新能源汽車是整個產業(yè)的需求。第二，我國的傳統(tǒng)汽車工業(yè)尤其是乘用車起步較慢，一直處于相對落后的狀態(tài)，如果繼續(xù)走歐洲等企業(yè)的路線，那么我們可能將繼續(xù)處于落后的狀態(tài)。第三，由于早期我國在電池、電機及電控等領域的技術積累，我國在發(fā)展新能源汽車方面具備一定的條件，所以，我國政府緊跟最新的形勢，制定了相關政策鼓勵和扶持新能源汽車的發(fā)展, 除了上述國家層面的政策之外，各地方政府也都發(fā)布了相關政策來鼓勵和支持新能源汽車的發(fā)展， 本論文主要閘述了在電動車上的控

10、制器內用于連接電容和IGBT的復合母排的熱壓模具的設計思想和過程。首先介紹相關復合母排的一些技術特性等。然后針對設計出來的復合母排進行關鍵工序熱壓過程中用到的模具進行設計，既保證質量又能保證客戶的交期，在所有的工序中找到瓶頸工序，盡量在效率上提高產量。III18在電動車上使用的復合母排的熱壓模具設計一、 在電動車上使用的復合母排的介紹(一) 復合母排在電動車上的應用特點及要求1. 電動車的種類及工作原因目前我國的電動車主要有兩大類：純電動汽車(BEV)、混合動力汽車(HEV)。在公交、出租車行業(yè)，以純電動汽車為主。而在家庭用車方面，2種都在使用。純電動汽車：由電動機驅動的汽車。電動機的驅動電能

11、來源于車載可充電蓄電池或其他能量儲存裝置。工作原理:蓄電池-電流-電力調節(jié)器-電動機-動力傳動系統(tǒng)-驅動汽車行駛。2. 電動車三大關鍵技術介紹電動汽車的關鍵核心技術有三個：一是動力電池，二是電機，三是控制系統(tǒng)。3. 電動車對復合母排的要求復合母排應用在控制系統(tǒng)內用于連接電容和IGBT。而對控制系統(tǒng)的保護設計一般是由鋁合金箱體密封而成，一般能達到防護等級IP65。對振動和發(fā)熱都有相關的要求，所以對復合母排的要求也很嚴格。主要有以下幾個要求：（1） 工作溫度：在-40-105范圍內正常工作。（2） 壽命的要求：額定電壓、額定電流、環(huán)境溫度85±2條件下連續(xù)運行時間不小于100000h。（

12、3） 阻燃等級：符合UL94-V0標準（4） 等效電感：正負輸出端子至電容連接端子間的電感20nH。要求低電感復合母排的目的是防止功率半導體元件開關時層壓母排上形成的感應高壓擊穿元器件，減小或省掉旁路電容，讓功率元件發(fā)揮出最大的功效。（5） 機械沖擊：依據標準：EN/IEC 60068-2-27，脈沖寬度：11ms；加速度：40g；試驗方向及次數：垂直：+Z10次 -Z10次，水平左右：+Y10次 -Y10次，水平前后：+X10次 -X10次。（6） 機械振動：正弦振動（掃頻）：依據標準：QC/T 413 2002，頻率：5200Hz，掃頻速率：1倍頻成/分；頻率/位移：518.6Hz 10m

13、m；頻率/加速度：18.650Hz7g,50100Hz4.5g,100200Hz,3g；振動方向及時間：垂直方向、水平左右方向及水平前后方向各8小時工作；隨機振動（定頻）：依據標準：ISO16750-3，頻率范圍：101000Hz，總均方根加速度：27.9m/s2；能量譜密度10Hz-20m2/s3，55Hz-6.5m2/s3，180Hz-0.25m2/s3(二) 復合母排的材料選擇1. 導體的材料選擇導體材料的選擇是關鍵，必須滿足電氣性能和機械強度的要求。常用的材料是銅，鋁，銅合金。所選用的材料，經過比較一般選用T2紫銅，它具有較高的導電率和導熱系數和相對較小的熱膨膨系數。表1 復合母排常用

14、的金屬材料的物理性能金屬密度20（g/ cm3）熱膨脹系數20（×10-6m/m）導熱系數20（W/mK）T2（紫銅）7.8317388H59（黃銅）8.9219.91206061（鋁）2.70223.6154表2 復合母排常用的金屬材料的電氣性能金屬電阻率20（mm2/m）導電率20紫銅%電阻率的熱系數（）20（10-2/）T2（紫銅）0.018101 0.393 H59（黃銅）0.06528 0.098 6061（鋁）10600.02962 0.423 2. 絕緣材料的選擇疊層母線使用許多不同類型的粘合劑涂覆的絕緣材料，以允許結構層被層壓在一起。從電氣角度有額外的效益。保溫提供了

15、一個內部和外部的障礙，其安裝環(huán)境。絕緣材料可以增加電容和低的電感和阻抗。常用的保溫材料有聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜（PET）、聚酰胺聚合物（Nomex）、環(huán)氧玻璃、熱縮套管、環(huán)氧粉末涂料。有許多不同的可用這些絕緣材料的厚度。根據使用要求，采用PET材料正合適。(三) 復合母排的導體的表面處理紫銅的表面處理一般有2種：鍍鎳或鍍錫。此復合母排的銅排采用鍍錫5m。(四) 復合母排的出廠型式試驗根據客戶的提出的使用要求轉化為按標準可執(zhí)行的型式試驗表三 復合母排的型式試驗表序號試驗項目試驗方法試驗要求備注1高溫GB2423.2105 72H2低溫GB2423.1-40 72H3機械沖擊EN/IEC 600

16、68-2-27詳見（一）4機械振動QC/T 413 2002詳見（一）(五) 復合母排的模型方案根據客戶的三維圖設計出符合現有加工工藝的設計，下圖為復合母排的圖紙：圖1 復合母排3D示意圖圖2 合母排二維圖二、 質量體系(一) ISO9001質量管理體系要求是一個公司最基本都要通過的一個質量的認證。(二) TS16949ISO/TS16949是由國際汽車推動小組（International Automotive Task Force,IATF）,在ISO/TC 176質量管理和質量保證委員會的支持下制定的。三、 熱壓模具的材料選擇(一) 熱壓機的工作特點熱壓機主要的工作特點：把裝入產品的熱壓模

17、具放入平行的上下加熱板上，給予一定的壓力并在規(guī)定的溫度下（170）保持一定的時間，再降溫到規(guī)定的時間（60）后停止，這樣一模的產品就完成。(二) 熱壓模具主體型腔的材料選擇1. 對材料的綜合要求（1） 模具材料導熱系數與疊層母線導體材料相近，讓產品在加熱過程中受熱均勻。（2） 材料硬度達到HRC12度以上，能承受5N/mm2壓力。（3） 要便于CNC銑床或加工中心加工，銑銷性能好（4） 重量要盡量輕，適合操作工人在工作過程的裝卸等操作和安全性。（5） 價格要具有市場競爭的優(yōu)勢。2. 材料的選擇以下是初步符合熱壓模具的材料的參數對比表：表四 銅合金和鋁合金的性能對比表金屬密度20（g/ cm3）

18、熱膨脹系數20（×10-6m/m）導熱系數20（W/mK）銅合金8.92 19.9 120 鋁合金2.7323.6 154 分析：從以上2種材料大類中對比，從第一個條件來看，銅合金的熱膨脹系數和導熱系數非常接近T2紫銅；而鋁合金在第2到第4條均具符合要求，在第1條上略比不上銅金，故熱壓模具的材料選擇為鋁合金。鋁合的分類如下：一系:1000系列鋁合金代表 1050、1060 、1100系列。在所有系列中1000系列屬于含鋁量最多的一個系列。純度可以達到99.00%以上。由于不含有其他技術元素，所以生產過程比較單一，價格相對比較便宜，是目前常規(guī)工業(yè)中最常用的一個系列。目前市場上流通的大部

19、分為1050以及1060系列。1000系列鋁板根據最后兩位阿拉伯數字來確定這個系列的最低含鋁量，比如1050系列最后兩位阿拉伯數字為50，根據國際牌號命名原則，含鋁量必須達到99.5%以上方為合格產品。我國的鋁合金技術標準(gB/T3880-2006)中也明確規(guī)定1050含鋁量達到99.5%.同樣的道理1060系列鋁板的含鋁量必須達到99.6%以上。二系:2000系列鋁合金代表2024、2A16（LY16）、 2A02（LY6）。2000系列鋁板的特點是硬度較高，其中以銅原屬含量最高，大概在3-5%左右。2000系列鋁棒屬于航空鋁材，目前在常規(guī)工業(yè)中不常應用。三系:3000系列鋁合金代表300

20、3 、 3A21為主。我國3000系列鋁板生產工藝較為優(yōu)秀。3000系列鋁棒是由錳元素為主要成分。含量在1.0-1.5之間，是一款防銹功能較好的系列。四系:4000系列鋁棒代表為4A01 4000系列的鋁板屬于含硅量較高的系列。通常硅含量在4.5-6.0%之間。屬建筑用材料、機械零件鍛造用材、焊接材料；低熔點、耐蝕性好， 產品描述：具有耐熱、耐磨的特性五系:5000系列鋁合金代表5052、5005、5083、5A05系列。5000系列鋁棒屬于較常用的合金鋁板系列，主要元素為鎂，含鎂量在3-5%之間。又可以稱為鋁鎂合金。主要特點為密度低，抗拉強度高，延伸率高，疲勞強度好，但不可做熱處理強化。在相

21、同面積下鋁鎂合金的重量低于其他系列.在常規(guī)工業(yè)中應用也較為廣泛。在我國5000系列鋁板屬于較為成熟的鋁板系列之一。六系:6000系列鋁合金代表6061 主要含有鎂和硅兩種元素，故集中了4000系列和5000系列的優(yōu)點6061是一種冷處理鋁鍛造產品，適用于對抗腐蝕性、氧化性要求高的應用?？墒褂眯院茫菀淄繉?，加工性好。七系:7000系列鋁合金代表7075 主要含有鋅元素。也屬于航空系列，是鋁鎂鋅銅合金,是可熱處理合金,屬于超硬鋁合金,有良好的耐磨性.也有良好的焊接性，但耐腐蝕性較差。八系:8000系列鋁合金較為常用的為8011 屬于其他系列，大部分應用為鋁箔，生產鋁棒方面不太常用。九系:9000

22、系列鋁合金是備用合金。表五 常用鋁合金的機械性能鋁合金牌號及狀態(tài)拉伸強度(25°C MPa)屈服強度(25°C MPa)硬度500kg力10mm球延伸率1.6mm(1/16in)厚度5052-H11217519560125083-H11218021165146061-T65131027695127050-T7451510455135107075-T651572503150112024-T35147032512020表六 常用鋁合金的物理性能鋁合金牌號及狀態(tài)熱膨脹系數(20-100)m/m·k熔點范圍()電導率20(68)(%IACS)電阻率20(68)mm2/m密

23、度(20)(g/cm3)2024-T35123.2500-635300.0582.825052-H11223.8607-650350.0502.725083-H11223.4570-640290.0592.726061-T65123.6580-650430.0402.737050-T745123.5490-630410.04152.827075-T65123.6475-635330.05152.82從各種機械、物理性能和價格等綜合考慮選用6061 T651鋁合金。這個材料的硬度和紫銅的硬度差不多，設計壽命至少約1萬模，按目前的客戶訂單來說，至少夠用2年多了。(三) 熱壓模具的定位結構件的材料選

24、擇1. 定位結構件的材料選擇一般的定位銷主要用來定位導體和絕緣膜，故在強度和耐磨性上考慮采用CR12的合金鋼。此復合母排在有PET的平面上沒有任何的孔用來定位銅板，故只能用銅板的折彎的端子來進行定位，結合以往的設計及應用經驗，直接在鋁合金模具上銑定位槽，在產品熱壓完再起模時，由鋁金金比銅的熱膨脹系數大，且起模時過程中產品不能平行模具直接起出，起模時會有點緊，把銅排的折彎的端子表面的鍍錫層磨黑，后期很難處理。所以必須采用更合理的定位方式或防護措施，這里我們采用一種比銅板更軟的板料來定位，這樣就不會把銅排表面磨損，選材必須考慮材料的玻璃化溫度必須大于熱壓機設置的溫度，且有一定的強度。根據以上一些條

25、件選用聚四氟乙烯（PTFE），具有優(yōu)異的耐高低溫性能和化學穩(wěn)定性、很好的電絕緣性能、非粘附性、耐候性、阻燃性和良好的自潤滑性，其耐熱性能極好，其熔融溫度為324，分解溫度為415，最高使用溫度為250，脆化溫度為-190。2. 導柱和導套的材料選擇導柱和導套主要用來在合模時用來定位上下模具用的，故比定位銷的要求在更高點，故采用CR15的合金鋼。四、 熱壓模具的結構參數設計 考慮到熱壓時熱壓機的型腔面、熱壓模具的平面的平整度的精度，在熱壓過程中由于疊層母線受力不均勻性，故需要用硅膠墊墊在熱壓模具的型腔內隔離疊層母線來保證產品受力均勻性，進一步提高產品的一次壓合的合格率。(一) 銅排與模具間各個部

26、位的間隙銅排與模具各個部位的間隙主要根據硅膠墊和疊層母排表面各落差、模具分型面、銅排和模具的加工精度來確定，以下表格是根據不同落差的高度來制定的：表七 模具型腔間隙 單位：mm型腔高度銅板與模具型腔邊間距(1)銅板側面出頭有3端子，其與型腔間距(2)型腔邊倒C角(3)型腔高度差400mm401-700mm701-1000mm10.80.91.10.9C0.80-0.0251.511.11.31.1C1.20-0.02521.31.41.61.5C1.70±0.012.51.71.822.1C2.20±0.01322.12.32.5C2.70±0.023.52.32

27、.42.62.9C3.20±0.0242.62.72.93.3C3.50±0.024.52.933.23.8C4.00±0.0253.23.33.54.2C4.50±0.025.53.43.43.64.5C4.80±0.0263.83.94.15C5.20±0.02(二) 定位銷的結構設計 為了符合公司標準化的設計，故規(guī)定以下幾點設計要求：1. 銅板定位銷高度=以第一個行腔為基準5mm左右+疊層母線總厚度2. 絕緣紙定位銷長度=復合母排的厚度+5mm左右 3. 銅板和絕緣紙定位銷采用臺階式結構，定位產品部分為錐形結構。插入模具型腔部分

28、的直徑為10mm，配合公差為H9/u9，深度為15mm，考慮到銅板的加工精度和熱脹冷縮誤差，故定位銅板的部分直徑為銅板孔的直徑小0.2mm。而絕緣紙定位部分的直徑無特殊原因統(tǒng)一為5.8mm。4. 而本復合母排只用到定位絕緣紙的定位銷，下圖是定位銷的圖紙：圖3 定位銷二維圖(三) 導柱和導套的結構設計結合公司的疊層母線的厚度通常在10mm以下，而上下模具的厚度在18-40之間，故導柱和導套的結構尺寸只有一種作為常用規(guī)格并備庫存。導套和導柱外圓與模具的孔配合為過盈配合，配合公差為H9/u9；導柱和導套的配合為間隙配合，配合公差H9/d9。以下是導套和導柱的示意圖紙圖4 導套二維示意圖圖5 導柱二維

29、示意圖(四) 熱壓模具加工工藝介紹 1. 加工設備公司現有的設備：CNC加工中心，模具最大加工尺寸(現有設備)：1090*600mm ，設備加工精度:見GB/T16462-1996 2. 加工進刀量 (1) 刀具的選擇：不鍍層的超細顆粒硬質合金刀具(2) 進給速度為：銑型腔8001000mm/min，銑精孔80 mm/min (3) 吃刀量為： 2.0mm以下(4) 加工材料：鋁板材或鋁型材(5) 主軸轉速:8000r/min (6) 模板銑面工藝：模板長寬尺寸大于400*400,需銑三次平面，方可開型腔五、 熱壓模具結構設計與裝配此熱壓模具采用電腦設計軟件Solidworks進行設計。(一)

30、 熱壓模具外形大小的設計根據產品的大小和熱壓機的工作臺面的大小，盡量設計出一模出多個產品的結構，所選的熱壓機的工作臺面尺寸為600*500mm，產品的尺寸是257*63mm。應用Solidworks設計軟件進行設計根據初步排版，復合母排的長度位于模具的寬度方向，寬度位于模具的長度方向，可以排列8個產品，考慮到再確定定位銷的位置和導柱導套的位置，最后這樣模具外形的大小約580*360mm，厚度38mm。(二) 熱壓模具分型面的設計此復合母排的銅排只有2層結構，故分型面選擇在2層銅排的中間。復合母排的折彎端子朝下模板放置，這樣在熱壓工序時裝上模時不會碰到產品的折彎端子。(三) 熱壓模具型腔的設計1

31、. 下模板的設計(1) 產品排版的設計考慮到結構的需緊湊，加工工藝和裝配更方便的原則，復合母排兩兩有端子的靠近一起，這個定位塊可以合并，一個產品需要長度方向的兩頭都要定位，這樣2個產品只需要2個定位塊，這樣再陳列出4個產品就行了。(2) 型腔的設計(3) 根據靠近下模板的那個銅排進行單個型腔的設計，尺寸按銅排的外形尺寸均勻往外偏移1.3mm即可，型腔的深度和銅排的厚度一致為2mm。再設計端子的避讓孔。型腔到模具邊的最小距離不能小于10 mm。(4) 定位塊位置形狀尺寸設計結構產品的結構設計定位塊的定位孔，遵循定位塊不干涉銅排和定位塊的最小壁厚不小于3mm的原則來設計。(5) 定位銷和導柱的位置

32、設計定位銷的設計位置在絕緣紙的長度方向各1個，考慮到熱壓工序裝模時絕緣紙放置防呆，定位銷針對模具寬度方向不能對稱設計，必須有錯位。導柱、導套到模具邊到的最小距離20mm，且與定位銷至少有20mm以上。為了熱壓裝模時，上模板防錯，所以設計導柱時，一個模具設計3個導柱。2. 上模板的設計上模板設計起來比較簡單，只要設計型腔就行，方法同上模析一樣，再根據下模板上的定位銷和導柱的位柱的位置設計定位銷的避讓孔和導套的裝配孔。(四) 用于定位復合母排定位結構的設計定位塊的作用是把銅排定位住，所以深度不應很深，只要滿足正常的強度就行，由于材料的局限性，這種材料的設計壽命約50-80模，只要在生產過程中發(fā)現有變形現象就必須更換，所以設計時應考慮安裝和更改的便捷性，定位塊和模具的孔采用過盈配合。(五) 模具的裝配及檢查熱壓模具設計完成后合模后應進