摘要：分析了比例閥開關齒輪成形工藝特點，并設計了帶氮氣彈簧的落料沖孔精沖模具，對凸模結構和模具材料及熱處理進行了分析，并指出該副模具的設計要點。
　　關鍵詞：開關；齒輪；精沖

　　如圖1所示為某化工產品兩相流體比例混合用的聯動閥門開關齒輪。材料為40Cr鋼，厚度為4mm，硬度HRC35~42。中心12X12mm方形孔與轉軸配合,精度為IT6，表面粗糙度Ra0.8μm。扇形齒輪決定閥門開啟度,直接影響流量，故精度要求為IT5級，表面粗糙度Ra0.4μm。從所給技術條件看，齒輪部分和方形孔尺寸精度和表面質量均要求高，且整個零件表面要求平整光滑，斷面質量要良好。

圖1 聯動閥門開關齒輪

1 工藝分析
　　該零件在產品試制初期階段采用調質后機械加工和齒形線切割工藝方法生產。由于受工藝條件限制，生產出的零件尺寸精度低且質量不穩定。齒面硬度和粗糙度滿足不了要求，影響閥門開啟程度、液體混合比例和使用壽命。經過分析，采用精密沖裁工藝生產，其尺寸精度高，表面粗糙度值低，斷面質量良好。且在精沖時由于剪切斷面成形過程產生冷變形強化，表面硬度得到提高，可達HRC40，這樣又提高了使用壽命，彌補了調質硬度不足現象。并且精密沖裁過程是材料在三向不均勻的壓應力狀態下完成塑性變形的，這種應力狀態阻礙了晶向變形，而轉為晶內變形，減少了晶界雜質對材料塑性的影響，提高了金屬的塑性，改善了齒輪的受力狀況，減少齒面磨損和齒根發生折斷的可能性。這樣就使產品性能提高，質量可靠，成本降低。

1 下模座  2、14 銷釘  3、10、15 螺釘  4 沖孔凸模  5 反向壓板  6 壓邊圈  7 卸料桿  8 凸凹模  9 氮氣彈簧  11 墊板  12 碟簧  13 傳力桿  16 上模座  17 氮氣彈簧固定板  18 閉鎖銷   19 板料  20 導套  2 壓邊圈座  22 導柱  23 凹模  24 氮氣彈簧  25 彈簧  26 凸模固定板

圖2 模具結構圖

2 模具設計
2.1 模具總體結構設計
　　生產中，我們設計落料-沖孔復合精沖模如圖2所示。在精沖工藝過程中，上模下行，V形強力壓邊圈通過其上的氮氣彈簧將板料壓緊，與此同時，凸模下行，落料開始。同時，沖孔凸模相對反向壓板，向上運動，隨著上模不斷下行，至下死點時完成落料-沖孔全過程。上模上行過程中V形壓邊圈和卸料桿分別在氮氣彈簧和碟簧的作用下完成卸料過程。反向壓板在氮氣彈簧的作用下，向上運動，頂出工件，沖裁過程結束。
2.2 齒形落料凸模結構
　　由工藝分析知齒形尺寸精度和表面質量要求高，因而落料凸模設計采用同步剪擠精密沖裁原理，結構如圖3所示。沖裁過程中，隨凸模的下降ab面壓緊并擠入板料，在剪切區p處形成大的靜水壓力，提高了材料的塑性，抑制了裂紋產生，并隨著凸模ab面的逐步擠入，靜水壓力將越來越大，這樣正好補償了板料在剪切過程中塑性的逐漸降低，故沖出的零件質量好。

圖3 同步剪擠精密沖裁工藝過程

圖4 氮氣彈簧壓力行程曲線

2.3 氮氣彈簧選用
　　精密沖裁過程中，壓邊力和反壓力是影響精沖件質量和模具壽命的重要因素。壓邊力大可防止剪切變形區以外的材料隨凸模的流動，使材料始終保持和沖裁方向垂直而不翹起；壓邊力小，起不到防止材料流動的作用，降低精沖件斷面質量。并且，壓邊力太小，增加凹模刃口周圍的應力，使凹模刃口部分產生變形，易損壞模具，同時，還增加壓力機載荷。因此，提供恒定的壓邊力是精沖的關鍵。反壓力的大小影響著精沖件的尺寸精度、平面度、塌角和零件整體質量，增加反壓力可改善上述質量指標，但反壓力過大會增加凸模應力，降低凸模使用壽命。因此，在精沖過程中，需要提供恒定的反壓力。由于彈簧和橡皮的工作過程中彈壓力隨行程的增加而增大，難以滿足壓力穩定的要求。氮氣彈簧體積小，產生的壓力大，彈壓力調節方便，且彈壓力在工作過程中基本保持穩定，如圖4所示壓力-行程曲線。因此氮氣彈簧能夠很好的滿足精沖工藝過程壓邊力和反壓力要求，起到提高精沖件質量，延長模具壽命的作用。
2.4 凸、凹模材料選擇
　　精沖模具工作零件材料一般選用Cr12MoV鋼，但Cr12MoV在工件沖裁過程中容易和零件板料表面產生磨粒磨損和粘著磨損，降低模具壽命。因此，我們經過分析比較后選用W6Mo5Cr4V2高速鋼，可以有效地減小摩擦、降低磨損、提高模具壽命。
Cr12MoV采用1次硬化工藝(1020淬火+220回火)，可以獲得較高的強度和耐磨性。當刃口形狀復雜，沖裁板料較厚時，采用2次硬化工藝(1080淬+520回火)則可獲得較好的沖擊韌性和穩定性，但經過試驗模具使用壽命短，磨損嚴重。經過改進，我們采用W6Mo5Cr4V2高度鋼，采用淬火+中溫回火工藝獲得較高的強度和良好的韌性，其淬火溫度為1220~1240C，加熱保溫速度8~15 s/mm。淬火后獲得的組織為馬氏體(隱晶馬氏體)+殘余奧氏體+小粒狀碳化物，硬度HRC60~64。并且粒狀碳化物更為細小，數量也較多。W6Mo5Cr4V2鋼在淬火后就立即進行回火，以減少或消除內應力，穩定組織，獲得理想的硬度，提高鋼的強度和韌性，且回火必須及時，不超過2h，以保證回火效果。實踐證明，采用W6Mo5Cr4V2高速鋼模具壽命提高1倍以上。

3 結束語
　　該零件在生產過程中，采用同步剪擠落料凸模結構和W6Mo5Cr4V2高速鋼模具材料，沖裁過程中摩擦磨損減少，模具壽命提高。沖出的零件尺寸精度高，斷面質量好，成本低，完全滿足使用要求。

參考文獻
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