【文章推荐】汽车后桥从动齿轮终锻模具参数设计

　　围绕汽车后桥从动齿轮终锻模具参数设计展开研究，探讨了闭式模锻工艺在齿轮制造中的应用及关键参数优化。通过工艺分析对比了开式与闭式模锻的优缺点，指出闭式模锻在材料利用率、生产效率及锻件精度上的显著优势。针对齿轮锻件特性，提出了毛坯尺寸计算模型(坯料直径233mm,最终选取240mm)，并基于热锻件图完成了终锻模膛设计。结合单位挤压力与总挤压力计算(F=17571kN)，选定20000kN热模锻压力机以确保安全性与工艺稳定性。研究结果表明，闭式模锻结合合理的模具参数设计可有效降低飞边损耗、提升锻件成形质量，为汽车齿轮高效精密制造提供了理论依据与实践参考。

　引 言 | 1

车后桥从动齿轮作为传动系统的关键组成部分， 其作用与重要性不容忽视。在汽车动力传递过程中，从动齿轮负责将发动机产生的动力通过变速器传递到驱动轮，确保车辆平稳行驶。据统计，一辆汽车的传动系中，后桥从动齿轮的故障率直接影响到车辆的可靠性和使用寿命若从动齿轮的精度不够，会导致传动效率下降，增加燃油消耗，甚至可能引起传动系统的异常噪音和振动，影响驾驶体验。因此，从动齿轮的设计和制造质量直接关系到汽车的整体性能。在制造过程中，终锻模具参数的设计尤为关键，它决定了齿轮形状、尺寸精度和表面质量的关键因素，其设计的优劣直接影响到齿轮的性能和寿命。精密的终锻模具可以显著提高齿轮的生产效率和质量，从而提升整个传动系统的性能。

锻造工艺方案设计 | 2

锻件的工艺分析：本热锻设计的是汽车后桥从动齿轮的模具，如图1所示。
齿轮是一种重要的零件，它能够通过转动来传递动力，通过调节转矩来调节速度。此外，它的齿面之间也会发生摩擦，并且会对轮齿的根部产生影响。受到各种应力的影响，齿轮可能会出现断裂、粘合不牢、疲劳过度以及磨损等问题，从而导致其失效。齿轮的故障可能由多种应力造成，包括接触应力和弯曲应力。为了避免这些问题，应该仔细研究齿轮的性能特征，并选取适当的材料和热处理技术来确保它们能够正常工作。齿轮表面应有足够的硬度。由于齿轮表面的凹凸不平，使得其具备较高的硬度，从而产生巨大的压力，从而使得金属材料发生塑性变形，甚至嵌入到相对表面，从而使得金属与齿轮之间发生直接接触，并且形成摩擦力。磨损是一种常见的机械现象，它通常发生在齿轮之间。为了降低这种磨损，需要增加齿轮的韧性和强度。通过增加韧性和强度，可以改善齿轮的接触条件，增强它们的耐久性和耐用性。为了确保轮齿具备良好的耐受性，它们的芯部必须具备充分的强度和韧性，无论是受到外界的变载还是冲击载荷，都能抵御外界的影响。此外，不同尺寸的齿轮也需要具备适当的硬度差。在选择螺旋锥齿轮时，应该兼顾其加工性、经济性以及其他特殊性能。作为汽车的重要组成部分，它们不仅可以提供动力，还可以通过差速器实现自动换挡，以满足不同的行驶需求。由于其独特的结构，主动螺旋锥齿轮和从动锥齿轮都可以发挥重要的功能。前者由花键组成，与变速器的动力输出轴相连，而后者则由螺旋锥齿轮组成，其中螺旋锥齿轮的直径比前者更大，可以有效地降低转矩，并且沿着圆周均匀地分布着螺栓孔，以便将降低的转矩传 送至差速器。锥齿轮是一种传动机械，它既能传递高速传动，又能传递较大扭矩。当运输物品或制动器停止运转时，这种齿轮会承受冲击负荷。其常见的失效方式有：磨损、腐蚀和断裂。因此，齿轮应具备以下性能：①优良的力学性能;②优良的渗碳淬火性能;③优良的抗冲击性。

工艺方案设计：为了制造汽车后桥上的动态齿轮，使用了两种常见的锻造成形技术：开式和闭式。(1)开式模锻。开式模锻是金属在不完全受限制的模膛内变形流动，模具带有一个容纳多余金属的飞边槽。模锻开始时，金属先流向模膛，当模膛阻力增加后，部分金属开始沿水平方向流向飞边槽形成飞边。随着飞边的不断减薄和该处金属温度的降低，金属向飞边槽处流动的阻力加大，迫使更多金属流入模膛。当模膛充满后，多余的金属由飞边槽处流出。开式模锻作为一种古老的锻造方法，在近代的技术进步中，它被用于制作各种各样的机械零件，其中包括辗环和摆动辗压等。采用开式模锻技术制造零件的工艺流程包括：加热→预锻→终锻→切边冲连皮。开式模锻的缺陷显而易见：投入巨大，材料利用率极低，生产效率极低，噪音极高，振动极大，劳动环境极其糟糕，生产成本极高。(2)闭式模锻。闭式模锻即无飞边模锻，一般在锻造过程中上模与下模的间隙不变，坯料在四周封闭的模膛中成形，不产生横向飞边，少量的多余材料将形成纵向飞刺，飞刺在后续工序中除去。闭式模锻成形工艺过程：下料→软化热处理→石墨润滑→锻造→冲孔连皮。

　终锻模具设计 | 3

坯料直径计算：齿轮坯属于圆形锻件，坯料的直径用dp表示，计算公式为：
式中： 经过计算得Vp=701229.18mm3,得dp=233mm,按照标准规格选取dp=240mm。根据分流锻造原理，将毛坯加工成图2的形状。
坯料长度：下料长度公式为：
闭式模锻模膛设计：终锻模膛是锻模各种模膛中最重要的模膛，它是完成锻件最终成形的终锻工步，通过终锻模膛可以获得带飞边的锻件。而坯料需要在预制模膛内进行预加工，这主要是为了让坯料金属在锻造过程中充分填充模腔，并合理分布在模腔内。同时也是为了使形状复杂的锻造模具坯料金属在加工时更接近模腔的形状。对于本设计的齿轮锻造，通常只用镦锻和最终锻造两个步骤。坯料圆型表面上的氧化皮一般都是在镦锻过程中去除，通过竖立并轻轻压镦锻的圆饼来去除毛坯端面上的氧化皮。而本设计只需要终锻模膛就行，因为采用的模具是通过最终锻造一次成形的，不需要设置预制模膛，故不考虑设置预制模膛。为了使齿轮的毛坯能够在1,150℃的温度下完成模锻成形，需要根据热锻件图来设计模腔。

压力机的选取：

热锻压力机的确定：压力机是一种多功能的设备，它们可以应用于各种工业领域，并且具有优秀的结构和高效的生产能力。压力机是一种广泛使用的设备，可以用来处理多种复杂的加工任务，例如切削、钻孔、剪裁、拉伸、焊接和成形。当机械压力机处于工作状态时，三角皮带驱动大皮带轮(也被称为飞轮)，通过齿轮组件、离合器以及曲柄滑块机构，使得滑块与凸轮之间形成一个垂直的动作，以达到设定的目的。当机械压力机完成了锻造工作，滑块就会朝着目标方向移动，此时，离合器就会被松开，同时，曲柄轴上的自动控制系统也会被唤醒。从而将滑块稳定地停留在起始位置 。压力机有3种主要类型：螺旋压力机、曲柄压力机和液压压力机。其中，曲柄压力机是最常见的，也被称作机械压力机，可以实现各种复杂的工作需求。机械压力机具有出色的运行性能，能够在冲压、挤压、模锻和粉末冶金等复杂工艺中发挥出色的效果。本设计主要选用机械压力机中的模锻压力机，模锻压力机是用于热块成形的设备。这种方法通常被用来生产大量的模锻和精整锻件，它能够提供高精度的锻件，更好地利用材料，提高生产效率，并且容易实现自动化。除了这些优点，这项工艺的操作难度很低，而且噪声和振动都很少。

单位挤压力的计算：本次设计挤压为正挤压，单位挤压力为：
总挤压力的计算：在锻造过程中，模具的表面需要做润滑处理，而润滑所使用润滑液的机械性能和零件的氧化层的清理，以及零件表面粗糙度也会产生影响，故选取压力机的时候需要一个安全系数用来确保压力机正常工作，这个安全系数用C来表示，得总挤压力的计算公式为：
式中：
选择压力设备的时候，挤压力是非常重要的因素。本设计模具的总挤压力为F=17,571kN，考虑到以上原则以及在日常实际中坯料的热加工、氧化层的去除等，同时也考虑到设备安全工作的问题，最终选取F=20,000kN 的热模锻压力机。

结束语 | 4

闭式模锻工艺通过无飞边设计显著提高了材料利用率(火耗率降至1.0%)，减少了后续加工工序，同时降低了噪声与振动，改善了生产环境。基于分流锻造原理的毛坯尺寸计算(d=240mm)与终锻模膛设计，确保了锻件在1,150℃高温下的充分填充与精确成形，提升了齿轮的力学性能与表面硬度。通过单位挤压力公式(正挤压)与总挤压力安全系数(C=1.3)计算，验证了 20, 000kN热模锻压力机的适用性，兼顾了工艺可靠性与设备经济性。

轴套外圈过盈量，使用液氮进行冷装，进一步提升安装效果，避免在长时间恶劣工况下出现脱套的问题，进而封死轴去发生松动而产生润滑脂内泄的通道。轴套增大的过盈量有利于市场机型的更换，因市场挖掘机工况恶劣工作时间长或多或少已经出现动臂后支座轴套安装孔孔径微量增大的情况，原有配合公差已无法满足现安装要求(见图7)。
改进效果：通过对该型号挖掘机增加密封圈及更改轴套尺寸的方式进行调整后，不仅增强其密封效果，防止润滑脂内泄，而且增强轴套与动臂后支座的紧固度，更好地满足恶劣工况下的使用。通过市场更换及后续小批试制，该型号挖掘机未出现润滑脂内泄情况，说明此改进取得成功。

　结束语

挖掘机动臂后支座作为挖掘机工作装置结构的重要组成部分，设计时应该考虑其重载下的润滑以及润滑脂流向。在选择动臂后支座的结构形式时，在兼顾强度与精度的同时考虑润滑效果以及润滑脂加注后的密封性确保在需要的部位满足润滑效果。考虑挖掘机在工作时可能会配套不同的属具进行作业。在破碎工况及恶劣工况环境下动臂后支座需要承受较大冲击载荷，因此轴套的选择尤为关键，轴套与动臂后销轴装配的过盈量应尽可能大。保证在长久恶劣工况下不会发生配合失效。

参考文献略。