联动比例阀开关齿轮精冲工艺分析与模具设计

摘要：分析了比例阀开关齿轮成形工艺特点，并设计了带氮气弹簧的落料冲孔精冲模具，对凸模结构和模具材料及热处理进行了分析，并指出该副模具的设计要点。
　　关键词：开关；齿轮；精冲

　　如图1所示为某化工产品两相流体比例混合用的联动阀门开关齿轮。材料为40Cr钢，厚度为4mm，硬度HRC35~42。中心12X12mm方形孔与转轴配合,精度为IT6，表面粗糙度Ra0.8μm。扇形齿轮决定阀门开启度,直接影响流量，故精度要求为IT5级，表面粗糙度Ra0.4μm。从所给技术条件看，齿轮部分和方形孔尺寸精度和表面质量均要求高，且整个零件表面要求平整光滑，断面质量要良好。



图1 联动阀门开关齿轮

1 工艺分析
　　该零件在产品试制初期阶段采用调质后机械加工和齿形线切割工艺方法生产。由于受工艺条件限制，生产出的零件尺寸精度低且质量不稳定。齿面硬度和粗糙度满足不了要求，影响阀门开启程度、液体混合比例和使用寿命。经过分析，采用精密冲裁工艺生产，其尺寸精度高，表面粗糙度值低，断面质量良好。且在精冲时由于剪切断面成形过程产生冷变形强化，表面硬度得到提高，可达HRC40，这样又提高了使用寿命，弥补了调质硬度不足现象。并且精密冲裁过程是材料在三向不均匀的压应力状态下完成塑性变形的，这种应力状态阻碍了晶向变形，而转为晶内变形，减少了晶界杂质对材料塑性的影响，提高了金属的塑性，改善了齿轮的受力状况，减少齿面磨损和齿根发生折断的可能性。这样就使产品性能提高，质量可靠，成本降低。



1 下模座  2、14 销钉  3、10、15 螺钉  4 冲孔凸模  5 反向压板  6 压边圈  7 卸料杆  8 凸凹模  9 氮气弹簧  11 垫板  12 碟簧  13 传力杆  16 上模座  17 氮气弹簧固定板  18 闭锁销   19 板料  20 导套  2 压边圈座  22 导柱  23 凹模  24 氮气弹簧  25 弹簧  26 凸模固定板

图2 模具结构图

2 模具设计
2.1 模具总体结构设计
　　生产中，我们设计落料-冲孔复合精冲模如图2所示。在精冲工艺过程中，上模下行，V形强力压边圈通过其上的氮气弹簧将板料压紧，与此同时，凸模下行，落料开始。同时，冲孔凸模相对反向压板，向上运动，随着上模不断下行，至下死点时完成落料-冲孔全过程。上模上行过程中V形压边圈和卸料杆分别在氮气弹簧和碟簧的作用下完成卸料过程。反向压板在氮气弹簧的作用下，向上运动，顶出工件，冲裁过程结束。
2.2 齿形落料凸模结构
　　由工艺分析知齿形尺寸精度和表面质量要求高，因而落料凸模设计采用同步剪挤精密冲裁原理，结构如图3所示。冲裁过程中，随凸模的下降ab面压紧并挤入板料，在剪切区p处形成大的静水压力，提高了材料的塑性，抑制了裂纹产生，并随着凸模ab面的逐步挤入，静水压力将越来越大，这样正好补偿了板料在剪切过程中塑性的逐渐降低，故冲出的零件质量好。



图3 同步剪挤精密冲裁工艺过程



图4 氮气弹簧压力行程曲线

2.3 氮气弹簧选用
　　精密冲裁过程中，压边力和反压力是影响精冲件质量和模具寿命的重要因素。压边力大可防止剪切变形区以外的材料随凸模的流动，使材料始终保持和冲裁方向垂直而不翘起；压边力小，起不到防止材料流动的作用，降低精冲件断面质量。并且，压边力太小，增加凹模刃口周围的应力，使凹模刃口部分产生变形，易损坏模具，同时，还增加压力机载荷。因此，提供恒定的压边力是精冲的关键。反压力的大小影响着精冲件的尺寸精度、平面度、塌角和零件整体质量，增加反压力可改善上述质量指标，但反压力过大会增加凸模应力，降低凸模使用寿命。因此，在精冲过程中，需要提供恒定的反压力。由于弹簧和橡皮的工作过程中弹压力随行程的增加而增大，难以满足压力稳定的要求。氮气弹簧体积小，产生的压力大，弹压力调节方便，且弹压力在工作过程中基本保持稳定，如图4所示压力-行程曲线。因此氮气弹簧能够很好的满足精冲工艺过程压边力和反压力要求，起到提高精冲件质量，延长模具寿命的作用。
2.4 凸、凹模材料选择
　　精冲模具工作零件材料一般选用Cr12MoV钢，但Cr12MoV在工件冲裁过程中容易和零件板料表面产生磨粒磨损和粘着磨损，降低模具寿命。因此，我们经过分析比较后选用W6Mo5Cr4V2高速钢，可以有效地减小摩擦、降低磨损、提高模具寿命。
Cr12MoV采用1次硬化工艺(1020淬火+220回火)，可以获得较高的强度和耐磨性。当刃口形状复杂，冲裁板料较厚时，采用2次硬化工艺(1080淬+520回火)则可获得较好的冲击韧性和稳定性，但经过试验模具使用寿命短，磨损严重。经过改进，我们采用W6Mo5Cr4V2高度钢，采用淬火+中温回火工艺获得较高的强度和良好的韧性，其淬火温度为1220~1240C，加热保温速度8~15 s/mm。淬火后获得的组织为马氏体(隐晶马氏体)+残余奥氏体+小粒状碳化物，硬度HRC60~64。并且粒状碳化物更为细小，数量也较多。W6Mo5Cr4V2钢在淬火后就立即进行回火，以减少或消除内应力，稳定组织，获得理想的硬度，提高钢的强度和韧性，且回火必须及时，不超过2h，以保证回火效果。实践证明，采用W6Mo5Cr4V2高速钢模具寿命提高1倍以上。

3 结束语
　　该零件在生产过程中，采用同步剪挤落料凸模结构和W6Mo5Cr4V2高速钢模具材料，冲裁过程中摩擦磨损减少，模具寿命提高。冲出的零件尺寸精度高，断面质量好，成本低，完全满足使用要求。

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