基于凸輪精沖模具的設計研究

李玉杰

（同匯模具廠，黑龍江 齊齊哈爾161000）

1 引 言

凸輪作為機械裝置重要的零件，其尺寸的精度和表面光潔度的要求很高，本文以材料為20 鋼，厚度為5mm的凸輪為例，對其精沖模具進行新的工藝設計。傳統加工凸輪的工藝流程為：機械加工或普通沖裁加工凸輪內外表面→精車內圓孔→磨削凸輪外形，該工藝方法存在加工效率低、產品合格率低等諸多缺陷。針對上述不足，采用精密沖裁技術可以加工出滿足其尺寸精度和表面粗糙度要求的產品。

2 精密沖裁的工作過程

圖1 精密沖裁的工作流程圖

初始階段上、下模以及板料彼此分離，送料時，上模在壓力機的作用下，推動壓邊圈往下運動直到壓邊圈壓緊板料為止，同時，凹凸模開始往下運動，凸模往上運動，使板料在三向壓應力的作用下受到剪力的作用，即擠壓變形后得到所需的工件。凹模在頂料桿的作用下往上運動頂出廢料，最后經過吹風裝置分別送出工件和廢料。其工作流程圖如圖1 所示。

3 凸輪精沖的工藝性分析

3.1 精沖件的排樣設計

合理的排樣方式不僅能保證沖斷面的質量，而且還能最大限度地提高材料的利用率，凸輪的排樣方式如圖2所示。與普通沖裁相比，精密沖裁排樣的工藝要求更高，其中選擇合理的搭邊與沿邊尺寸對提高沖斷面的質量起著極為重要的作用，因此，在保證沖斷面質量的前提下，盡量使搭邊和沿邊的尺寸變小。凸輪材料的力學性能、尺寸以及排樣的方式都會制約著搭邊的尺寸。根據本文提供的凸輪零件的材料和厚度，參考沖壓工藝及沖模設計手冊，選取搭邊u=5mm，沿邊w=6mm。

圖2 凸輪的排樣方式

3.2 精沖件的精沖壓力計算

精沖壓力機的選擇主要取決于精沖壓力的大小，也是精沖模具設計的主要依據。精沖的工藝過程是在壓料力、沖裁力以及反壓力的共同作用下，確保板料一直處于被壓緊的狀態。

在精沖過程中，沖裁力的大小通過查閱沖壓模具設計手冊，可根據如下經驗公式： p1=0.9Lttσb式中，Lt-精沖件的總周長；t-精沖件的板料厚度；σb-材料的抗拉強度。

代入相應的數據：p1=0.9×102.5×5×550=253.7kN

反壓力的大小對精沖件的平整度有著重要的影響，合理的反壓力可以確保凸輪件的加工精度，滿足其沖斷面質量的要求，通常選取沖裁力的20%，即：

凸輪件剪切斷面的質量好壞主要取決于壓料力的大小，其大小具體可根據如下公式： p3=4Lthσb式中，h-齒圈齒高。

代入相應的數據：p3=4×102.5×0.9×550=202.95kN綜上所述，精沖總壓力：

3.3 凹凸模間隙

凹凸模的間隙是保證制件滿足精沖綜合指標的重要技術參數，其間隙值的大小直接影響著精沖件的斷面質量和模具的壽命。根據材料的材質、厚度以及形狀，確定出合理的凹凸模間隙。參考沖壓模具設計手冊，凹凸模間隙取0.05mm。

3.4 工作刃口圓角

由于材料內部組織的不均勻性，精沖時使得沖斷面不平整，因此要在落料模具的刃口上修成圓角，其圓角的大小與材料的材質、厚度及形狀有直接的關系，因此，刃口圓角的大小要合理，通常凹模的刃口圓角大小為0.14mm，凸模刃口圓角的大小為0.12mm。

3.5 模具材料

模具材料應選擇高硬度、高強度、耐磨性好的材料，以適應高溫、高壓等惡劣環境，模具選用Cr12MoV 材料，再經過相應的熱處理就能滿足上述條件。

4 精沖模具工作零部件的結構設計

結合零件的具體結構、尺寸以及材質，選擇合理的復合模結構，復合模有正裝復合模和倒裝復合模兩種，通過分析該凸輪的技術參數，該模具選用倒裝復合模結構，可以滿足凹凸模的強度要求。同時為了防止滑塊回程時把工件擠到廢料腔中刮傷斷面，設計了一種推件滯力機構，該結構主要由蝶形彈簧、橡膠圈、調節墊以及球面接頭組成，其具體的工作過程如下：上模回程時，上模柄被橡膠圈彈起，使得蝶形彈簧放松，推件塊固定不動。上模繼續前行，在打桿的作用下促使推件塊運動，從而推出制件。

5 齒圈壓板的結構設計

齒圈壓板是精沖模區別普通沖裁模最為顯著的特征，其具有高精度、高硬度等特點，齒圈壓板的形狀是在壓邊圈上圍繞著沖裁的輪廓一定距離的凸起的齒圈結構，具體的工作過程如下：將齒圈壓板上凸起的齒圈部分壓入板料，使之在板料中形成三向壓應力，阻止剪切區之外的材料流動，避免引起材料產生撕裂，從而保證了沖件的平整，同時齒圈壓板還能達到卸料的目的。根據該凸輪零件的厚度值，需采用雙面齒圈壓板才能滿足其加工的要求。為滿足齒圈壓板所需的強度及其硬度的要求，選用9SiCr 類型的材料，熱處理硬度為58～61HRC。

6 結 語

本文通過采用精密沖裁技術完成對凸輪的加工，精沖過程中對凸輪的工藝性（精沖的排樣設計、精沖壓力計算等）進行了詳細的分析。經過實踐結果表明，凸輪設計的工藝方案達到了預期的效果，此技術極大地改善的工件加工的精度，提高了加工效率及經濟效益，降低了企業的生產成本，為以后類似產品的加工提供了一定的參考價值。

［1］ 馬朝興.沖壓模具設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2012.

［2］ 曹玉寶.凸輪精沖工藝與模具設計［J］.機械傳動，2012（4）：64-66.

［3］ 洪慎章，曾振鵬.凸輪精沖復合模設計［J］.模具工業，2010（11）：16-18.

［4］ 甘瞾.棘輪精沖模具設計與動力學分析［D］.武漢：華中科技大學，2012.