本文主要介紹了齒圈壓板的作用，還提供了齒圈壓板一批齒形參數(shù)的確定方法，給出了作者為改進(jìn)齒圈壓板而設(shè)計的帶狀斜齒分段齒圈壓板，并對比常規(guī)的線狀直齒連續(xù)齒圈壓板，總結(jié)了帶狀斜齒分段齒圈壓板的四個優(yōu)越性，分析了齒圈壓板有關(guān)選材、制造、表面強(qiáng)化等問題。

精沖是通過對普沖進(jìn)行研究改良，在普沖的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的沖裁技術(shù)。精沖工藝具有優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗、應(yīng)用范圍廣的特點，能夠獲得與普沖相比質(zhì)量高得多的零件。但由于精沖時坯料需在靜水壓應(yīng)力下進(jìn)行沖裁，所以要求工裝能夠為坯料剪切變形區(qū)提供靜水壓應(yīng)力，以抑制起皺和裂紋的產(chǎn)生。這個目標(biāo)是通過齒圈壓板和反壓板提供的壓邊力和反壓力壓緊坯料實現(xiàn)的，這是精沖工藝的顯著特點之一，對提高精沖件成形質(zhì)量具有明顯作用。

齒圈壓板的作用

齒圈壓板的作用是在精沖過程中對坯料施加壓邊力，限制坯料在沖裁過程中向剪切區(qū)流動，防止坯料發(fā)生起皺現(xiàn)象。由齒圈壓板對坯料施加壓邊力，使得坯料在壓邊力作用下被壓緊、固定，這樣能避免坯料受力產(chǎn)生彎曲，有效降低零件發(fā)生起皺現(xiàn)象的概率，改善被加工坯料的塑性變形能力以及減小塌角等。

齒圈的位置和齒圈形狀都會對精沖零件表面光潔度產(chǎn)生影響。齒圈壓板一般被安裝在凹模上以便于使坯料在精沖過程中始終受到壓邊力作用，從而提高坯料的塑性變形能力。

壓邊力的作用顯著。壓邊力過大，坯料與模具之間產(chǎn)生的摩擦力會變大，導(dǎo)致坯料難以被拉入凹模。此時坯料將會在底部轉(zhuǎn)角處發(fā)生裂紋。壓邊力過小，坯料在精沖過程中容易發(fā)生起皺現(xiàn)象，降低精沖質(zhì)量。況且起皺的坯料若拉入凸凹模間隙中就會被卡住，既易損壞模具，又使工件底部拉裂。

眾人對齒圈壓板的作用進(jìn)行了理論分析和有限元仿真。早年曾有人對齒圈壓板進(jìn)行仿真研究，由于當(dāng)時受有限元技術(shù)水平的限制，所得結(jié)果不夠準(zhǔn)確。程萬軍就齒圈壓板在理論上進(jìn)行靜水壓力影響的研究，提出了靜水壓力和齒圈壓板齒形角的關(guān)系。為分析V形齒圈壓板對剪切面的影響，T.S.Kwak 對精沖過程中的V 形齒圈壓板進(jìn)行有限元仿真，結(jié)果表明齒圈越高光亮帶越大，齒距越大光亮帶越小。Lazarev 和Kocov 利用有限元方法模擬后提出了合適的V 形齒圈形狀，并通過試驗確定了V 形齒圈的位置和外斜量的關(guān)系。

齒圈壓板的齒形參數(shù)

根據(jù)精沖件的厚度、坯料材質(zhì)和精沖件的性能要求，需要合理選用不同的齒圈壓板齒形參數(shù)。圖1 為齒形參數(shù)符號含意的圖解。

圖1 齒形參數(shù)圖解

⑴齒形角α 和β，選擇如表1 所示。

⑵齒高h(yuǎn)。齒高的選擇受到坯料的厚度和性能等因素的影響。坯料越厚、坯料強(qiáng)度越低，選用的齒高就大，反之選用的齒高就小。齒高h(yuǎn) 和料厚S 之間有關(guān)系：h ＝ KS，其中K 為系數(shù)。

⑶齒距a。齒距是指凹模刃口到齒頂?shù)木嚯x。實際生產(chǎn)中會把齒頂位置設(shè)計得靠近凹模刃口一些，一般取a/S ＝ 0.6 ～ 0.8。

⑷齒根半徑r。一般r/h ＝ 0.3 ～ 0.5，或著r ＝ h。

帶狀斜齒分段齒圈壓板

傳統(tǒng)的V 形齒圈壓板，其齒圈具有封閉線狀的模式。為了提高齒圈壓板的壽命，以下將會對齒圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖2 所示。

1- 斜齒；2- 斜齒間平面；3- 小孔；4- 排氣法蘭外輪廓；5- 大孔；7- 斜齒內(nèi)端輪廓；9-齒圈壓板；10- 斜齒外端輪廓；11- 排氣法蘭

(a) 俯視

1- 斜齒；2- 斜齒間平面；4- 排氣法蘭外輪廓；6—齒頂角

(b) 齒廓剖面

圖2 配套厚法蘭精沖模具的齒圈壓板示意圖

改進(jìn)后的齒圈壓板沿零件輪廓線切線方向設(shè)置呈一定角度的多段斜齒，變原來的線狀直齒連續(xù)齒圈為帶狀斜齒分段齒圈，成組形成斜向分段齒圈，每段斜齒的兩端具有菱形結(jié)構(gòu)。這種齒圈結(jié)構(gòu)具有以下特點。

⑴用具有一定寬度的帶狀斜齒齒圈取代原來的線狀直齒齒圈，增加了垂直于沖裁方向限制坯料移動的材料尺寸，相當(dāng)于增大了壓邊量，可提供更大和更可靠的壓邊力，從而可為精沖剪切變形區(qū)提供更大的靜水壓應(yīng)力，對限制坯料在沖裁過程中向剪切區(qū)流動有利。

⑵使用帶狀斜齒齒圈后在需要提供同樣的壓邊力時，能縮小齒圈高度，減小壓機(jī)對齒圈的壓力，延長了齒圈壓板的壽命。

⑶使用帶狀斜齒齒圈后增強(qiáng)了齒圈的強(qiáng)度，類似于使用斜齒輪代替直齒輪，能達(dá)到減小搭邊尺寸的目的，延長了齒圈壓板的壽命。

⑷由于斜齒端部的菱形結(jié)構(gòu)，使得單段斜齒的結(jié)構(gòu)合理，每段斜齒的兩端不易崩裂，強(qiáng)度更好。

設(shè)計帶狀斜齒分段齒圈時，采用Abaqus 軟件獲得精沖模具和坯料在精沖過程中的靜水壓應(yīng)力分布云圖，據(jù)此調(diào)整并設(shè)計帶狀斜齒分段齒圈壓板的斜齒角度、齒圈寬度、帶狀長度和分布等，使得坯料剪切變形區(qū)具有最大靜水壓應(yīng)力。

齒圈壓板的其他問題

⑴齒圈壓板選材。齒圈材料對壽命的影響主要體現(xiàn)在材料的材質(zhì)、硬度和韌性等方面。齒圈材料硬度要遠(yuǎn)大于加工坯料硬度。

⑵齒圈壓板制造。齒圈壓板制造時，平行度、垂直度、同軸度等形位公差，加工工藝、裝配精度等因素都會對齒圈壽命產(chǎn)生影響。

⑶齒圈壓板表面強(qiáng)化。對齒圈壓板進(jìn)行表面硬化處理，提高其綜合力學(xué)性能。除氮碳共滲、離子氮化、滲硼、滲鈮、滲釩、表面鍍硬鉻和電火花強(qiáng)化外，化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）已逐步采用，良好的表面強(qiáng)化可提高壽命幾倍到幾十倍。

——摘自《鍛造與沖壓》2019年第4期