正時齒輪精沖成形工藝及模具優化設計

文　琍,呂　琳

(重慶理工大學　a.機械工程學院; b.重慶市模具重點實驗室，重慶　400054)

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正時齒輪精沖成形工藝及模具優化設計

文琍a,呂琳b

(重慶理工大學a.機械工程學院; b.重慶市模具重點實驗室，重慶400054)

摘要：提出采用精沖工藝進行正時齒輪生產的方法。針對正時齒輪零件結構特點進行了精沖工藝分析，制定了正時齒輪精沖工藝方案，介紹了正時齒輪精沖復合模具結構、工作原理，闡述了精沖復合模具設計的關鍵點。生產實踐結果表明：正時齒輪精沖復合模具結構合理，能制造出符合質量要求的精沖件，生產效率高，產品質量好。

關鍵詞：正時齒輪；精沖；剪切面；間隙

精密沖裁與成形技術相結合，能創造出一種能制造復雜形狀精密沖件的加工方法。隨著汽車、摩托車行業的大力發展，傳統機械加工已無法滿足其所需的正時齒輪生產的要求[1-2]。采用沖壓-精沖復合成形的方法將零件的三維形狀沖壓成形，再將內孔及外齒一次精沖成形，無需再進行機械加工，就可直接用于安裝，同時還能提高材料利用率及生產效率，互換性好[3-10]。

1正時齒輪的精沖成形關鍵技術

1.1零件結構特點及成形分析

圖1所示為正時齒輪結構。該零件參數如下：齒數為30；齒形符合GB1244—85；材料為45鋼，σs=600 MPa，δs=355 MPa，伸長率為16%，硬度為225HBW。

圖1　正時齒輪結構

從圖1可以看出：齒面尺寸精度要求高，內孔尺寸精度也較高，齒形與內孔有相對位置精度要求。如采用傳統工藝：落料拉深—沖孔—精車外圓—滾齒加工，不但生產效率低、生產成本高，而且難以保證零件的尺寸精度和位置精度。為此，確定采用精沖工藝加工該零件，分為兩道工序進行：第1道工序用普通沖壓進行落料拉深成形；第2道工序對內孔及齒形進行精沖成形。在第2道工序中通過精沖模具的設計制造來保證齒的尺寸精度及剪切面質量，以及內孔及齒頂圓的同軸度要求。

1.2精沖模具工作原理及結構優化設計

1.2.1精沖模具工作原理

圖2為在專用精沖壓力機上使用的正時齒輪精沖復合模具裝配圖。

工作原理：下模隨工作臺整體向上運動，反壓板與壓邊圈座將材料壓緊，下模繼續上行，凹模、沖孔凸模Ⅰ、沖孔凸模Ⅱ進入凸凹模完成精沖成形。在整個沖裁過程中，V型壓邊圈座接觸材料將其壓緊在凹模上，V型齒的內面產生橫向側壓力，以阻止材料在剪切區內撕裂及金屬的橫向流動。同時上頂桿Ⅰ、上頂桿Ⅱ通過上活塞提供的壓力壓緊材料，反壓板通過下活塞提供的頂件力始終頂住材料，使剪切區內的金屬處于三向壓應力狀態，金屬材料在純塑剪下進行分離，從而完成孔Ⅰ、孔Ⅱ的精密沖裁以及齒形輪廓的精密落料成形。沖裁結束后,反壓板頂出工件，上頂桿Ⅰ、上頂桿Ⅱ和齒圈壓板推出廢料。

1.上模板； 2.上傳力桿Ⅰ；3.上墊板； 4.凸凹模； 5.上傳力桿Ⅱ； 6.上頂桿Ⅰ；7.上傳力桿Ⅲ；8.上頂桿Ⅱ ；9.壓邊圈座； 10.閉鎖銷 ；11.凹模 ；12.沖孔凸模Ⅰ；13.沖孔凸模Ⅱ；14.反壓板；15.下傳力桿； 16.下墊板； 17.隔板；18.凸模固定板； 19.下模板； 20.齒圈壓板

圖2正時齒輪精沖復合模具裝配圖

1.2.2模具結構優化設計

為保證精沖間隙小、均勻性好、模具要求高的精度及剛度，在結構設計上，采用滾動導向方式，保證凸、凹模間隙精度及對中性要求；采用閉鎖銷結構承受沖裁過程出現的橫向力，保證凸、凹模之間的相對位置精度；在沖裁過程中采用V形齒圈壓板對凸模進行導向。

在結構設計時，盡可能使結構簡單，加工制造容易，凸、凹模安裝及拆換方便。圖3是傳統固定凸模式模具典型結構上模部分，本研究對其做了改進，去掉圖3結構中的上墊板，直接將凸凹模4固定在上模板1上，齒圈壓板20平裝在壓邊圈座9上，用閉鎖銷10定位，去掉圖3中的圓錐凹槽面定位，以期便于加工和裝配。此外，由于間隙很小，在制造時常常需要采用慢走絲線切割配作加工。

圖3　傳統固定凸模式模具典型結構上模

2模具主要工藝參數的設計

2.1沖裁間隙

間隙的大小及其均勻性是影響精沖件質量的主要因素。保持間隙小且均勻是實現精沖技術的關鍵。因此，合理選擇間隙、保證刃口周圍間隙均勻，使精沖模有足夠的剛度及導向精度，不僅可提高精沖件質量，同時還可延長模具壽命。精沖模間隙主要取決于材料厚度，也與工件結構形狀、尺寸、以及力學性能等因素有關。精沖間隙一般取料厚的0.5%～1%，本研究間隙取0.02 mm。為延長模具壽命，間隙值可稍大。

2.2凸、凹模刃口圓角設計

在精沖模間隙正常的情況下，凸、凹模設計圓角半徑可使裂紋產生時間延遲，在成形過程中使材料始終保持塑性流動狀態，直到工件與材料分離。根據材料厚度和工件形狀,齒形落料凹模刃口設計成微小圓角，落料凸模設計成鋒利刃口，沖孔凸模設計成微小圓角，沖孔凹模為鋒利刃口。刃口圓角半徑越大，沖裁面斜度越大，對零件尺寸精度的影響也越大，因此刃口圓角在不發生二次斷裂的情況下應盡量取小值。本模具刃口圓角半徑R=0.1 mm。

2.3齒圈壓板設計

在精沖過程中，齒圈壓板上凸起的V形齒部先壓入材料，阻止非剪切區材料在剪切過程中隨凸模流動，同時齒圈的壓邊力與沖裁力、反壓力結合，形成三向壓應力，提高了金屬材料的塑性。此外，齒圈壓板在沖裁過程中對凸模進行導向定位，沖裁結束后又起卸料作用。

齒輪精沖V形齒的高度與一般精沖又有區別。圖4為齒圈壓板結構。從圖4中可以看出[6]：V形齒α=45°，a=1.5 mm(0.66～0.75 t)，h=0.6 mm(一般h=0.2～0.3 t)。一般取其上限值，主要是為了限制金屬材料的流動。由于齒形模數小，齒圈上齒的分布設計成圓周分布。

圖4　齒圈壓板結構

3結束語

采用上述設計制造出正時齒輪精沖復合模具，并進行生產試制。生產試件實物見圖5。可見試件質量良好，剪切面光潔，垂直度好，無翹曲，表面無撕裂等缺陷。通過生產實踐驗證了所設計的精沖模具結構合理，能制造出符合質量要求的正時齒輪精沖件。

圖5　生產試件

參考文獻：

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[10]華林，胡亞明，宋燕利，等.精沖技術與裝備[M].武漢:武漢理工大學出版社，2015.

(責任編輯劉舸)

Timing Gear of Fine Blanking Process and Optimization Design of Die Forming

WEN Lia, LYU Linb

(a.College of Mechanical Engineering; b. Chongqing Key Laboratory of Mold,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:Fine blanking technology was adopted for the timing gear production. According to the characteristics of gear structure, the fine blanking process was analyzed, and the fine blanking process of timing gear was formulated, and the structure of fine blanking compound die, working principle of fine blanking compound die and the key points of fine blanking compound die design were introduced. Through production practice, we verified that the timing gear of fine blanking compound die structure is reasonable, and manufacture parts meet the quality requirements of precision, high production efficiency and good product quality.

Key words:timing gear; fine blanking; shear plane; clearance

收稿日期：2016-01-18

基金項目：重慶市教委科學技術研究項目(KJ1400927);重慶市教委高校優秀成果轉化資助項目(KJZH14107)

作者簡介：文琍(1964—)，女，碩士，副教授，主要從事材料加工工程研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.007

中圖分類號：TG38

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0037-04

引用格式：文琍,呂琳.正時齒輪精沖成形工藝及模具優化設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(5):37-40.

Citation format：WEN Li, LYU Lin.Timing Gear of Fine Blanking Process and Optimization Design of Die Forming[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):37-40.