精沖片齒輪的沖壓工藝與模具設計

摘 要：介紹了精沖片齒輪的工藝方法及模具結構設計，希望能為類似零件模具設計提供參考。

關鍵詞：片齒輪； 精沖； 工藝分析； 模具設計

1 沖制片齒輪的技術難點

用板、條、帶、卷料一模成形，直接沖制出各種齒型、不同模數和帶孔或不帶孔、輪輻加厚或減薄的圓形、扇形與特定任意形狀的片齒輪等，其沖壓加工的技術難點如下：

(1)齒型沖切面即齒廓嚙合面質量，往往因材質金相組織結構不良、潤滑不到位和模具刃口出現不均勻磨損等因素而使沖件沖切面塌角過大，塌角深度超過 25%T； 沖切面完好率不足 75%，低于Ⅳ級而影響使用； 沖切面局部毛刺過大，難以徹底清除； 沖切面的整體表面粗糙度值大于 RA1.6“m，無后續加工工序時小于 RA1.6”m，就無法使用。

(2) 料厚t<1mm 的小尺寸片齒輪，尤其當t≤0.5mm 時，各種精沖方法都難以加工； 用高精度普通沖模沖制，沖切面質量，特別是沖切面表面粗糙度值如何減小到符合要求。

(3) 小模數片齒輪，如模數 m<0.25mm 的漸開線片齒輪，其沖裁模齒形沖切刃口，包括凸模與凹模的齒形刃口在沖裁過程中，要承受較大的壓力載荷，容易出現崩刃、壓塌、局部過量磨損……，沖制的工件，齒頂部位塌角大，料厚減薄明顯，而且模數越小減薄越嚴重。在齒頂刃口處過量磨損而失效。也有在齒根圓的位

(4)所有沖制片齒輪的沖模，壽命都很低。多數都置，凸模出現了裂紋。由于齒形模數小，節圓上的齒寬B 遠小于零件料厚，沖裁時凸模齒形部位的壓力峰值數倍于凸模的平均壓應力，因而大幅度增加了齒形部位的摩擦力以及由此產生的成倍磨耗，必然導致沖模提前刃磨。

(5) 料厚t≥1mm-3mm 的薄板片齒輪，多采用各種精沖方法，直接從原材料沖制成品片齒輪零件。由于模數小，節圓齒寬 B 大多都小于t，多數僅為 B≤60%T，甚至 40%T 或更小。不僅凸模齒形承載壓力大，而且沖出齒形齒頂部位減薄，塌角深達 20%T-25%T，軟料更為嚴重。

(6) 片齒輪的齒形精度、整體的線性尺寸精度以及齒形外廓與孔，尤其是中心孔的同軸度、輪輻群孔的位置度等，受沖壓工藝、沖模結構型式、沖模制造精度的制約； 沖件材料的力學性能對沖切面質量影響較大。采用連續沖裁工藝沖制的帶孔或輪輻厚度與齒形不同需要減薄輪輻或齒形部位的工件，可采用多工位連續沖壓工藝： 先在壓形打扁減薄的工位內外兩旁邊切口，容納多余材料及料厚減薄增大的面積，而后才能精沖孔或擴孔、精沖齒形，與只有沖裁工位的連續沖裁模一樣，精準的定位系統是確保工件形位精度的關鍵。齒形與尺寸精度則主要靠提高制模精度保證。

2 超薄料片齒輪的沖制

料厚t≤0.5mm 的片齒輪，采用V形齒圈強力壓板精沖，即 FB 精沖有難度，特別是t≤0.3mm 時，因標準齒圈的V形齒最小高度 hmIN 為 0.3mm，壓入材料過深會將材料咔斷，故不能實施精沖。其他精沖方法，如對向凹模精沖，也不能精沖t≤0.5mm 的零件。這些厚度不大的各種材料的片齒輪，特別是t≤0.5mm-1mm或更薄一些的片齒輪，儀表產品中使用較多。

下文筆者舉例一種與安徽電影機械廠合作，在普通壓力機上推廣應用精沖技術而設計的精沖模結構之一。該模具為電影放映機輸片齒零件在普通壓力機上進行精沖的固定凸模式 FB 精沖模。該模具有推件滯后結構，能避免因滑塊回程將工件推入廢料腔內而刮壞斷面的缺陷，確保精沖件的斷面質量。

推件滯后機構由硬橡膠圈、球面接頭、調節墊和碟形彈簧組成。當上模上行時，硬橡圈把模柄彈起，碟形彈簧放松，推件塊不動。上模繼續上行，通過杠桿的作用使推件塊動作，推出工件。使用這種機構時需嚴格控制反推加壓行程及對模深度，否則會損壞推件塊或碟形彈簧。該模具采用通用模架，更換模芯，可沖制不同的工件。

對于t≤0.5mm 的片齒輪，使用高精度普通全鋼沖模，沖制薄料、超薄料零件，只要制模精度高、沖裁間隙小、沖裁刃口鋒利，也能獲得高質量零件。

精沖件與普通沖裁件相比，沖切面光潔、平整，表面粗糙度值一般為 RA0.63!m-0.25∮m； 尺寸精度可達IT7-9 級。而普通沖裁件沖切面質量隨料厚t 增加，波動很大：t=1mm 時，其表面粗糙度值為 RA3.0-3.2∮m；T≤0.5mm 時，可達 RA2.5m-2.0m，尺寸精度可達 IT9-10 級。因此，對于料厚t<1mm 的片齒輪零件，尤其t≤0.5mm 的片齒輪零件，推薦采用圖 5 所示高精度固定卸料導板式沖裁模或連續沖裁模沖制片齒輪，可以收到精沖效果，達到 IT8-IT9 級沖壓精度。

3 薄板與中厚板片齒輪的沖制

料厚t>1mm-3mm 的薄板與t>3mm-4.75mm 中厚板片齒輪零件，當投產批量達到大批大量生產的水平，推薦采用 FB 精沖，即用V形齒圈強力壓板精沖工藝加工。實施 FB 精沖，采用專用CNC精沖機組，不僅效率高、自動化

程度高、操作安全性高，更主要的是以人為本，勞動強度低，無噪聲與污物對環境污染，精沖在封閉空間進行，外擴散噪聲控制在 85dB(A) 以下。專用CNC精沖機或成套CNC精沖機組過去一直靠進口，價格高昂，維修技術要求高，配套水、電、空調、壓縮空氣等動力系統及設施投資巨大，專用精沖機與CNC 精沖機國內也有幾家生產，售價仍覺偏高。建議外委協作加工。同時，對于尺寸不大的小型精沖件，也可用特殊結構的沖模，在普通壓力機上實施 FB 精沖。

下圖所示是齒弧板零件在專用CNC精沖機上精沖的沖孔——落料復合沖裁精沖模。該模具采用順裝-結構型式，齒圈壓板件 6 亦是沖裁凸模件 13 的導板，雖采用滑動導向導柱模架，但有嵌裝在模座沉孔中的V形齒圈壓板為內嵌式凸模導向，兩者原本同軸度極好，導向也可達到零偏差或接近零偏差導向，精度極高。

4 厚板齒輪、凸輪與類似零件的精沖、整修及后續加工

料厚超過t≥4.75mm 的片齒輪，如果產量達到成批和大量生產的水平，采用CNC專用精沖機組生產最合算，不僅僅是發展與深化了科學發展觀的理念，堅持以人為本的宗旨，獲得巨大經濟技術效益和良好的社會與環保效益，而且確保沖壓生產安全，消除了多項安全隱患。所以，推廣厚板零件，包括片齒輪、凸輪、棘輪等，用精沖工藝生產，擴大無削加工范圍，使沖壓生產技術得到提升。

目前國內已有內江鍛壓機床廠、徐州特種鍛壓設備廠、武漢華夏精沖公司等企業制造多種規格的精沖機。其性能比世界一流的瑞FEINTOOL公司CNC精沖機有一些差距，但實際使用效果還不錯，其售價也遠低于進口機。用國產精沖機實際精沖，效益也會很好的。對普通沖裁的齒輪、凸輪、棘輪等零件，經過后續整修獲得高的尺寸與形位精度、光潔平整的沖切面。實踐證明，該工藝行之有效。對于厚板高精度片齒輪等零件，不僅可行，而且經濟，特別適合小型零件的多品種生產。

諸如凸輪、多邊形型板、標準孔板、基座等精沖件，厚度雖都較大，一般t≥4.75mm 屬于厚板零件，但其外廓形狀簡單，有利于沖裁后整修加工。微間隙整修變形過程有些類似的負間隙整修工藝，用于形狀簡單、材料強度不大的低碳鋼、有色金屬零件加工，效果很好。例如有種模具是采用負間隙修整，凸模、凹模間負間隙為(0.1-0.2)T，凹模刃口帶有小圓角，其圓角半徑取R0.05-R0.1mm。卸料板既起卸料作用又起毛坯的定位作用，故下端面離凹模刃面應小于料厚(約取0.8T)，以保證毛坯定位，又能排屑。排屑需用壓縮空氣吹掉。由于凸模刃口大于凹模刃口，故用兩限位柱，以防凹、凸模的刃口啃傷。整修完畢，工件沒有全部擠入凹模，由下一個工件整修時將它全部推入并推出凹模。

參考文獻

[1]郭延輝. 圓管沖孔工藝與模具設計[J]. 模具工業，2006，(07).

[2]翟洪凱，段維峰. 端蓋沖壓工藝及模具設計[J]. 模具制造，2004，(03).