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

　　如圖1所示為某化工產(chǎn)品兩相流體比例混合用的聯(lián)動閥門開關(guān)齒輪。材料為40Cr鋼，厚度為4mm，硬度HRC35~42。中心12X12mm方形孔與轉(zhuǎn)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(shù)條件看，齒輪部分和方形孔尺寸精度和表面質(zhì)量均要求高，且整個零件表面要求平整光滑，斷面質(zhì)量要良好。

圖1 聯(lián)動閥門開關(guān)齒輪

1 工藝分析
　　該零件在產(chǎn)品試制初期階段采用調(diào)質(zhì)后機械加工和齒形線切割工藝方法生產(chǎn)。由于受工藝條件限制，生產(chǎn)出的零件尺寸精度低且質(zhì)量不穩(wěn)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(jīng)過分析，采用精密沖裁工藝生產(chǎn)，其尺寸精度高，表面粗糙度值低，斷面質(zhì)量良好。且在精沖時由于剪切斷面成形過程產(chǎn)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(diào)質(zhì)硬度不足現(xiàn)象。并且精密沖裁過程是材料在三向不均勻的壓應(yīng)力狀態(tài)下完成塑性變形的，這種應(yīng)力狀態(tài)阻礙了晶向變形，而轉(zhuǎn)為晶內(nèi)變形，減少了晶界雜質(zhì)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(fā)生折斷的可能性。這樣就使產(chǎn)品性能提高，質(zhì)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(dǎo)套  2 壓邊圈座  22 導(dǎo)柱  23 凹模  24 氮氣彈簧  25 彈簧  26 凸模固定板

圖2 模具結(jié)構(gòu)圖

2 模具設(shè)計
2.1 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　生產(chǎn)中，我們設(shè)計落料-沖孔復(fù)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(jié)束。
2.2 齒形落料凸模結(jié)構(gòu)
　　由工藝分析知齒形尺寸精度和表面質(zhì)量要求高，因而落料凸模設(shè)計采用同步剪擠精密沖裁原理，結(jié)構(gòu)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(qū)p處形成大的靜水壓力，提高了材料的塑性，抑制了裂紋產(chǎn)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(zhì)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(zhì)量和模具壽命的重要因素。壓邊力大可防止剪切變形區(qū)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(zhì)量。并且，壓邊力太小，增加凹模刃口周圍的應(yīng)力，使凹模刃口部分產(chǎn)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(guān)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(zhì)量，增加反壓力可改善上述質(zhì)量指標(biāo)，但反壓力過大會增加凸模應(yīng)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(wěn)定的要求。氮氣彈簧體積小，產(chǎn)生的壓力大，彈壓力調(diào)節(jié)方便，且彈壓力在工作過程中基本保持穩(wěn)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(zhì)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(chǎn)生磨粒磨損和粘著磨損，降低模具壽命。因此，我們經(jīng)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(dāng)刃口形狀復(fù)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(wěn)定性，但經(jīng)過試驗?zāi)＞呤褂脡勖蹋p嚴(yán)重。經(jīng)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(xì)小，數(shù)量也較多。W6Mo5Cr4V2鋼在淬火后就立即進行回火，以減少或消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)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(jié)束語
　　該零件在生產(chǎn)過程中，采用同步剪擠落料凸模結(jié)構(gòu)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(zhì)量好，成本低，完全滿足使用要求。

參考文獻
[1] 周開華等.精沖技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，1979.
[2] 徐光祺.精沖技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社，2006.
[3] 周開華.簡明精沖手冊(第二版).北京:國防工業(yè)出版社，2006.
[4] 崔昆.我國模具材料與模具熱處理的研究進，中國科學(xué)技術(shù)信息研究所加工整理.