现代机械在电动车上使用复合母排热压模具设计.docx
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现代机械在电动车上使用复合母排热压模具设计
毕业设计（论文）
毕业设计（论文）题目：
在电动车上使用的复合母排的热压模具设计
分校（点）：
松江
年级、专业：
教育层次：
学生姓名：
学号：
指导教师：
完成日期：
内容摘要和关键词………………………………………………………………………I
AbstractandKeywords………………………………………………………………II
文献综述…………………………………………………………………………………III
一、在电动车上使用的复合母排的介绍…………………………………………………1
（一）复合母排在电动车上的应用特点及要求……………………………………………1
1.电动车的种类及工作原因…………………………………………………………………1
2.电动车三大关键技术介绍…………………………………………………………………1
3.电动车对复合母排的要求…………………………………………………………………1
（二）复合母排的材料选择……………………………………………………………………2
1.导体的材料选择………………………………………………………………………2
2.绝缘材料的选择………………………………………………………………………2
（三）复合母排的导体的表面处理……………………………………………………………2
（四）复合母排的出厂型式试验………………………………………………………………2
（五）复合母排的模型方案……………………………………………………………………3
二、质量体系……………………………………………………………………………………5
（一）ISO9001………………………………………………………………………………………5
（二）TS16949………………………………………………………………………………………5
三、热压模具的材料选择……………………………………………………………………5
（一）热压机的工作特点………………………………………………………………………5
（二）热压模具主体型腔的材料选择…………………………………………………………5
1.对材料的综合要求……………………………………………………………………………5
2.材料的选择……………………………………………………………………………5
（三）热压模具的定位结构件的材料选择…………………………………………………7
1.定位结构件的材料选择……………………………………………………………7
2.导柱和导套的材料选择………………………………………………………………7
四、热压模具的结构参数设计………………………………………………………………7
（一）铜排与模具间各个部位的间隙参数设计……………………………………………7
（二）定位结构件的参数设计……………………………………………………………………8
（三）导柱和导套的标准化设计………………………………………………………………10
（四）热压模具的加工工艺介绍………………………………………………………………11
1.加工设备………………………………………………………………………………11
2.加工进刀量……………………………………………………………………………………11
五、热压模具结构设计与装配………………………………………………………………11
（一）热压模具外形大小的设计………………………………………………………………11
（二）热压模具分型面的设计……………………………………………………………………11
（三）热压模具型腔的设计………………………………………………………………………11
1.下模板的设计……………………………………………………………………………………11
2.上模板的设计……………………………………………………………………………………12
（四）用于定位复合母排定位结构的设计……………………………………………………12
（五）模具的装配及检查…………………………………………………………………………12
（六）热压模具的二维图…………………………………………………………………………12
1.绘制上模板的二维图…………………………………………………………………………12
2.绘制下模板的二维图…………………………………………………………………………14
3.绘制定位块的零件图…………………………………………………………………………15
六、结论……………………………………………………………………………………………17
参考文献……………………………………………………………………………………………17
致谢……………………………………………………………………………………………………18
内容摘要
经过两年多的电大学习，是时候检查我们学习成果的时刻了，理论结合实际，此次毕业设计的题目是在电动车上使用的复合母排的热压模具设计。
此次毕业设计的题材来自工作。
电动车是近2年在国内飞速发展的，而目前的电动车的动力最主要的是电池，而电池需要管理和输送，驱动器就是控制电的分配和输出，驱动器大部分在设计时就会用到复合母排，一般用于电容到IGBT的输送电，所以对复合母线的要求也越来越高，需求量也是越来越多。
此次设计主要从复合母排比较小，用量较大来设计高效率的热压模具，从复合母排的特点和热压工艺的综合考虑来选择合适的模具材料、大小、结构等。
在设计中，理论结合以往的类似的模具设计方法、思路进行优化改进。
在设计过程中采用电脑设计软件solidworks进行设计并验证。
在此次毕业设计中得到了顾老师的精心指导。
同时也非常感谢帮助过我的同学和老师的。
由于个人的设计经验、知识视野有限，设计中的错误和不足之处在所难免，希望各位老师批评指正。
关键词：
复合母排热压模具铝合金
Abstract
Aftermorethantwoyearsstudyinuniverty,it’stimetoinspectourlearning.Thedesigntopicistousehot-pressmouldwithcompositbusbarinEVcar
Thisideaisfrommyjob.EVcarhasexperiencedarapiddevelopmentinChina.Thedrivepowerisfrombattery.Abatterydriverisneededtocontrolandmanagethepower.Mostdriveruselaminatedbusbar.Soit’sabigermarketshareinthefuture..
Thispapershowahigh-efficiencyhot-pressuremouldwithrelativelysmalllaminatedbusbarandXXX.Weshouldselectsuitablemouldmaterial,sizeandstructurewithconsideringthecharacteristicoflaminatedbusbarandhot-pressprocess.Inthepaper,wecombinewiththepreviousmolddesignexperienceandideastoimproveourdesign.Solidworksisusedforthisdesign.
Inthisgraduationdesign,IgotMr.Gu’scarefulguidance.Thanksforhimhelp,alsothanksformyclassmatesandotherteachers.
Ifthereissomeerrorormistakeyoufind,pleasedonothesitatetoletmeknow.
Keywords:
Laminatedbusbarhot-pressmouldAluminiumalloy
文献综述
现代汽车领域面临着越来越严峻的三大问题：
能源、安全和环境污染。
其中能源和环境污染问题最为突出，我国的大部门城市的雾霾和臭氧问题在世界上属于比较严重的，造成这种环境污染的重要因素来自汽车的尾气排放中颗粒物和氮氧化物。
所以迫切的需要能替代汽油的新能源。
我国在新能源汽车方面是非常积极的，这主要是因为：
第一，传统能源的短缺危机和环境保护的客观要求，我国对外国的石油依赖度逐年提升，而此时正值汽车工业整体处于调整方向的阶段，新能源汽车是整个产业的需求。
第二，我国的传统汽车工业尤其是乘用车起步较慢，一直处于相对落后的状态，如果继续走欧洲等企业的路线，那么我们可能将继续处于落后的状态。
第三，由于早期我国在电池、电机及电控等领域的技术积累，我国在发展新能源汽车方面具备一定的条件，所以，我国政府紧跟最新的形势，制定了相关政策鼓励和扶持新能源汽车的发展, 除了上述国家层面的政策之外，各地方政府也都发布了相关政策来鼓励和支持新能源汽车的发展，
本论文主要闸述了在电动车上的控制器内用于连接电容和IGBT的复合母排的热压模具的设计思想和过程。
首先介绍相关复合母排的一些技术特性等。
然后针对设计出来的复合母排进行关键工序热压过程中用到的模具进行设计，既保证质量又能保证客户的交期，在所有的工序中找到瓶颈工序，尽量在效率上提高产量。
在电动车上使用的复合母排的热压模具设计
一、在电动车上使用的复合母排的介绍
（一）复合母排在电动车上的应用特点及要求
1.电动车的种类及工作原因
目前我国的电动车主要有两大类：
纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）。
在公交、出租车行业，以纯电动汽车为主。
而在家庭用车方面，2种都在使用。
纯电动汽车：
由电动机驱动的汽车。
电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。
工作原理:
蓄电池--电流--电力调节器--电动机--动力传动系统--驱动汽车行驶。
2.电动车三大关键技术介绍
电动汽车的关键核心技术有三个：
一是动力电池，二是电机，三是控制系统。
3.电动车对复合母排的要求
复合母排应用在控制系统内用于连接电容和IGBT。
而对控制系统的保护设计一般是由铝合金箱体密封而成，一般能达到防护等级IP65。
对振动和发热都有相关的要求，所以对复合母排的要求也很严格。
主要有以下几个要求：
（1）工作温度：
在-40-105℃范围内正常工作。
（2）寿命的要求：
额定电压、额定电流、环境温度85±2℃条件下连续运行时间不小于100000h。
（3）阻燃等级：
符合UL94-V0标准
（4）等效电感：
正负输出端子至电容连接端子间的电感≤20nH。
要求低电感复合母排的目的是防止功率半导体元件开关时层压母排上形成的感应高压击穿元器件，减小或省掉旁路电容，让功率元件发挥出最大的功效。
（5）机械冲击：
依据标准：
EN/IEC60068-2-27，脉冲宽度：
11ms；加速度：
40g；试验方向及次数：
垂直：
+Z10次-Z10次，水平左右：
+Y10次-Y10次，水平前后：
+X10次-X10次。
（6）机械振动：
正弦振动（扫频）：
依据标准：
QC/T4132002，频率：
5~200Hz，扫频速率：
1倍频成/分；频率/位移：
5~18.6Hz10mm；频率/加速度：
18.6~50Hz@7g,50~100Hz@4.5g,100~200Hz,3g；振动方向及时间：
垂直方向、水平左右方向及水平前后方向各8小时工作；
随机振动（定频）：
依据标准：
ISO16750-3，频率范围：
10~1000Hz，总均方根加速度：
27.9m/s^2；
能量谱密度10Hz-20m^2/s^3，55Hz-6.5m^2/s^3，180Hz-0.25m^2/s^3
（二）复合母排的材料选择
1.导体的材料选择
导体材料的选择是关键，必须满足电气性能和机械强度的要求。
常用的材料是铜，铝，铜合金。
所选用的材料，经过比较一般选用T2紫铜，它具有较高的导电率和导热系数和相对较小的热膨膨系数。
表1复合母排常用的金属材料的物理性能
金属
密度@20℃（g/cm3）
热膨胀系数@20℃
（×10-6m/m•℃）
导热系数@20℃（W/m•K）
T2（紫铜）
7.83
17
388
H59（黄铜）
8.92
19.9
120
6061（铝）
2.702
23.6
154
表2复合母排常用的金属材料的电气性能
金属
电阻率@20℃（Ω•mm2/m）
导电率@20℃紫铜%
电阻率的热系数（α）@20℃（10-2/℃）
T2（紫铜）
0.018
101
0.393
H59（黄铜）
0.065
28
0.098
6061（铝）1060
0.029
62
0.423
2.绝缘材料的选择
叠层母线使用许多不同类型的粘合剂涂覆的绝缘材料，以允许结构层被层压在一起。
从电气角度有额外的效益。
保温提供了一个内部和外部的障碍，其安装环境。
绝缘材料可以增加电容和低的电感和阻抗。
常用的保温材料有聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜（PET）、聚酰胺聚合物（Nomex）、环氧玻璃、热缩套管、环氧粉末涂料。
有许多不同的可用这些绝缘材料的厚度。
根据使用要求，采用PET材料正合适。
（三）复合母排的导体的表面处理
紫铜的表面处理一般有2种：
镀镍或镀锡。
此复合母排的铜排采用镀锡≥5μm。
（四）复合母排的出厂型式试验
根据客户的提出的使用要求转化为按标准可执行的型式试验
表三复合母排的型式试验表
序号
试验项目
试验方法
试验要求
备注
1
高温
GB2423.2
105℃72H
2
低温
GB2423.1
-40℃72H
3
机械冲击
EN/IEC60068-2-27
详见
（一）
4
机械振动
QC/T4132002
详见
（一）
（五）复合母排的模型方案
根据客户的三维图设计出符合现有加工工艺的设计，下图为复合母排的图纸：
图1复合母排3D示意图
图2合母排二维图
二、质量体系
（一）ISO9001
质量管理体系要求是一个公司最基本都要通过的一个质量的认证。
（二）TS16949
ISO/TS16949是由国际汽车推动小组（InternationalAutomotiveTaskForce,IATF）,在ISO/TC176质量管理和质量保证委员会的支持下制定的。
三、热压模具的材料选择
（一）热压机的工作特点
热压机主要的工作特点：
把装入产品的热压模具放入平行的上下加热板上，给予一定的压力并在规定的温度下（170℃）保持一定的时间，再降温到规定的时间（60℃）后停止，这样一模的产品就完成。
（二）热压模具主体型腔的材料选择
1.对材料的综合要求
（1）模具材料导热系数与叠层母线导体材料相近，让产品在加热过程中受热均匀。
（2）材料硬度达到HRC12度以上，能承受5N/mm2压力。
（3）要便于CNC铣床或加工中心加工，铣销性能好
（4）重量要尽量轻，适合操作工人在工作过程的装卸等操作和安全性。
（5）价格要具有市场竞争的优势。
2.材料的选择
以下是初步符合热压模具的材料的参数对比表：
表四铜合金和铝合金的性能对比表
金属
密度@20℃
（g/cm3）
热膨胀系数@20℃（×10-6m/m•℃）
导热系数@20℃（W/m•K）
铜合金
8.92
19.9
120
铝合金
2.73
23.6
154
分析：
从以上2种材料大类中对比，从第一个条件来看，铜合金的热膨胀系数和导热系数非常接近T2紫铜；而铝合金在第2到第4条均具符合要求，在第1条上略比不上铜金，故热压模具的材料选择为铝合金。
铝合的分类如下：
一系:
1000系列铝合金代表1050、1060、1100系列。
在所有系列中1000系列属于含铝量最多的一个系列。
纯度可以达到99.00%以上。
由于不含有其他技术元素，所以生产过程比较单一，价格相对比较便宜，是目前常规工业中最常用的一个系列。
目前市场上流通的大部分为1050以及1060系列。
1000系列铝板根据最后两位阿拉伯数字来确定这个系列的最低含铝量，比如1050系列最后两位阿拉伯数字为50，根据国际牌号命名原则，含铝量必须达到99.5%以上方为合格产品。
我国的铝合金技术标准（gB/T3880-2006）中也明确规定1050含铝量达到99.5%.同样的道理1060系列铝板的含铝量必须达到99.6%以上。
二系:
2000系列铝合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。
2000系列铝板的特点是硬度较高，其中以铜原属含量最高，大概在3-5%左右。
2000系列铝棒属于航空铝材，目前在常规工业中不常应用。
三系:
3000系列铝合金代表3003、3A21为主。
我国3000系列铝板生产工艺较为优秀。
3000系列铝棒是由锰元素为主要成分。
含量在1.0-1.5之间，是一款防锈功能较好的系列。
四系:
4000系列铝棒代表为4A014000系列的铝板属于含硅量较高的系列。
通常硅含量在4.5-6.0%之间。
属建筑用材料、机械零件锻造用材、焊接材料；低熔点、耐蚀性好，产品描述：
具有耐热、耐磨的特性
五系:
5000系列铝合金代表5052、5005、5083、5A05系列。
5000系列铝棒属于较常用的合金铝板系列，主要元素为镁，含镁量在3-5%之间。
又可以称为铝镁合金。
主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高，疲劳强度好，但不可做热处理强化。
在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列.在常规工业中应用也较为广泛。
在我国5000系列铝板属于较为成熟的铝板系列之一。
六系:
6000系列铝合金代表6061主要含有镁和硅两种元素，故集中了4000系列和5000系列的优点6061是一种冷处理铝锻造产品，适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的应用。
可使用性好，容易涂层，加工性好。
七系:
7000系列铝合金代表7075主要含有锌元素。
也属于航空系列，是铝镁锌铜合金,是可热处理合金,属于超硬铝合金,有良好的耐磨性.也有良好的焊接性，但耐腐蚀性较差。
八系:
8000系列铝合金较为常用的为8011属于其他系列，大部分应用为铝箔，生产铝棒方面不太常用。
九系:
9000系列铝合金是备用合金。
表五常用铝合金的机械性能
铝合金牌号
及状态
拉伸强度（25°CMPa）
屈服强度（25°CMPa）
硬度500kg力10mm球
延伸率1.6mm（1/16in）厚度
5052-H112
175
195
60
12
5083-H112
180
211
65
14
6061-T651
310
276
95
12
7050-T7451
510
455
135
10
7075-T651
572
503
150
11
2024-T351
470
325
120
20
表六常用铝合金的物理性能
铝合金牌号及状态
热膨胀系数
（20-100℃）
μm/m·k
熔点范围
（℃）
电导率20℃（68℉）
（%IACS）
电阻率20℃（68℉）
Ωmm2/m
密度（20℃）（g/cm3）
2024-T351
23.2
500-635
30
0.058
2.82
5052-H112
23.8
607-650
35
0.050
2.72
5083-H112
23.4
570-640
29
0.059
2.72
6061-T651
23.6
580-650
43
0.040
2.73
7050-T7451
23.5
490-630
41
0.0415
2.82
7075-T651
23.6
475-635
33
0.0515
2.82
从各种机械、物理性能和价格等综合考虑选用6061T651铝合金。
这个材料的硬度和紫铜的硬度差不多，设计寿命至少约1万模，按目前的客户订单来说，至少够用2年多了。
（三）热压模具的定位结构件的材料选择
1.定位结构件的材料选择
一般的定位销主要用来定位导体和绝缘膜，故在强度和耐磨性上考虑采用CR12的合金钢。
此复合母排在有PET的平面上没有任何的孔用来定位铜板，故只能用铜板的折弯的端子来进行定位，结合以往的设计及应用经验，直接在铝合金模具上铣定位槽，在产品热压完再起模时，由铝金金比铜的热膨胀系数大，且起模时过程中产品不能平行模具直接起出，起模时会有点紧，把铜排的折弯的端子表面的镀锡层磨黑，后期很难处理。
所以必须采用更合理的定位方式或防护措施，这里我们采用一种比铜板更软的板料来定位，这样就不会把铜排表面磨损，选材必须考虑材料的玻璃化温度必须大于热压机设置的温度，且有一定的强度。
根据以上一些条件选用聚四氟乙烯（PTFE），具有优异的耐高低温性能和化学稳定性、很好的电绝缘性能、非粘附性、耐候性、阻燃性和良好的自润滑性，其耐热性能极好，其熔融温度为324℃，分解温度为415℃，最高使用温度为250℃，脆化温度为-190℃。
2.导柱和导套的材料选择
导柱和导套主要用来在合模时用来定位上下模具用的，故比定位销的要求在更高点，故采用CR15的合金钢。
四、热压模具的结构参数设计
考虑到热压时热压机的型腔面、热压模具的平面的平整度的精度，在热压过程中由于叠层母线受力不均匀性，故需要用硅胶垫垫在热压模具的型腔内隔离叠层母线来保证产品受力均匀性，进一步提高产品的一次压合的合格率。
（一）铜排与模具间各个部位的间隙
铜排与模具各个部位的间隙主要根据硅胶垫和叠层母排表面各落差、模具分型面、铜排和模具的加工精度来确定，以下表格是根据不同落差的高度来制定的：
表七模具型腔间隙单位：
mm
型腔高度
铜板与模具型腔边间距
（1）
铜板侧面出头有≥3端子，其与型腔间距
（2）
型腔边倒C角（3）
型腔高度差
≤400mm
401-700mm
701-1000mm
1
0.8
0.9
1.1
0.9
C0.80
-0.025
1.5
1
1.1
1.3
1.1
C1.20
-0.025
2
1.3
1.4
1.6
1.5
C1.70
±0.01
2.5
1.7
1.8
2
2.1
C2.20
±0.01
3
2
2.1
2.3
2.5
C2.70
±0.02
3.5
2.3
2.4
2.6
2.9
C3.20
±0.02
4
2.6
2.7
2.9
3.3
C3.50
±0.02
4.5
2.9
3
3.2
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