根据45钢金属力学性能和热作模具钢(4Cr5MoSiV1)材料性能，提出热锻模具预热(温度250℃)、动模压锻速度(70mm/s)和摩擦系数(0.3)等工况参数，
并通过设计复动模具结构(浮动模芯、齿模内/外圈)来增加流动性并提高型制精度、结合使用压力垫板减轻压应力和灰铁模座降低模具制造成本、应用复动顶出结构来解决锻件卡模问题、
采用组合式凹模和弹簧复位以解决飞边问题来实现螺旋伞齿轮制造，为其高生产率、高锻件表面品质的制造提供了可靠设计理论和制造依据。
近几十年来，中国汽车行业取得了飞跃式的发展，“一带一路”政策的实施和新能源汽车的普及，使得我国汽车产业的发展更加强劲，未来几十年， 将会迎来一个更加繁荣昌盛的时代。
尽管一二线城 市的汽车拥有量极为可观，但三四线城市以及农村地区仍然存在巨大的发展潜力。
汽车行业的迅猛增长也促进了汽车零部件制造商的迅猛崛起。随着汽 车发动机的重要性越来越高，螺旋伞齿轮作为关键零件的需求量不断增加，质量也日益提高。
本设计主要设计螺旋伞齿轮复动闭式模具，以闭式模锻的方法设计汽车发动机螺旋伞齿轮。
在设计过程中， 仔细研究齿轮坯的几何形状和承载能力，以最大限度地提升其综合性能。
工作模具设计
本锻造模具设计的发动机螺旋伞齿轮，零件材料用的是45 钢，为碳素结构钢，具有较好的塑性和冲击韧性，在常温以及不同的温度下具有较好的塑性，因此在对螺旋伞齿轮的锻造成型进行模具设计前，需要对材料组成成分进行了解。
模具材料采用热作模具钢(4Cr5MoSiV1)的参数为：碳0.42%～ 0.50%;模具初始硬度55HRC;模具预热温度250℃; 动模运动速度70mm/s;剪切摩擦;摩擦系数0.3。
力学性能：屈服强度大于355MPa。在锻造高温金属时，模具预热温度在 200~300℃，模具预热可以减少因温度差异引起的热应力，避免模具因组织应力不均匀，导致锻件出现裂纹或变形。
同时预热能够显著降低金属在锻造过程中的黏滞性，从而改善其流动性，避免金属表面过早冷却和凝固，保持金属的流动性和塑性。
预热还可以改善模具材料的组织结构，通过减少马氏体相变带来的体积变化，以降低热应力。
在实际应用中，通过精确控制预热温度，可以有效延长模具的使用寿命，减少因热应力导致的裂纹和断裂现象。
模具结构设计
螺旋伞齿轮零件在锻造过程中需要依靠模具的闭合来进行成型，从而达到预定的形状和尺寸。
一般而言，模锻是指在外力作用下，当坯料的温度达到金属材料变形范围内，使得材料产生塑性变形并充满锻模型腔的成型方法。
因此根据模具结构的类 型主要分为开式模锻和闭式模锻两种。
一般而言，在锻造过程中，由于模具型面受到材料的挤压和剪切，导致部件之间发生摩擦磨损，从而使零件的初始品质无法达到设计要求。
因此，在确定其尺寸时，应当综合考虑材料的抗拉强度、表面冲击韧性以及耐磨性，上下模加工过程中虽然公差满足实际要求，
但由于装配和调试后期尺寸公差发生变化，导致上模型面与下模的平面发生一定程度的倾斜或板料与上下模的间隙不均匀。上模可分为整体模具和组合模具，本次设计的模具采用的是组合模具，由浮动模芯、齿模、齿模内圈和齿模外圈组成，其形状如图1所示。
图1 齿模结构图
压力垫板的设计
在挤压过程中，由于模具型腔内的单位压力非常大，若是将上模和下模的轴向压应力直接施加于上下模板，就会导致模板的压塌，为了减轻这种压应力，需要在这两个模板之间安装一层淬硬的压力垫板，也就是所谓的垫板。为了满足使用要求，压 力垫板必须具备良好的强度和刚度，通常使用45钢制作，经过淬火处理，但是，当承受的压力超出正常范围时，也可以使用合金钢来增加它的承载能力。如图2所示。
图2 上模垫板
模座的设计
下模座一般用于安装模具零件，如导柱、导套， 连接上下模固定板等零件，通常采用灰铸铁制造。
本设计的螺旋伞齿轮零件的锻造模具尺寸不是很大，为了减少制造成本，同时符合结构设计，查阅模具结构设计手册后选择标准模架。如图3所示。
图3 下模座
复动顶出机构设计
完成挤压之后，由于弹性变形，挤压件可能会被紧固在凸模上，也可能会被卡在凹模的内部，因此，必须采取措施解决这个问题。
一种方法是通过卸料装置将挤压件从凸模中卸下，另一种方法是通过顶出装置将其从凹模的内部释放。
当挤压成型工件因贴模力作用滞留在凹模型腔时，必须借助专用顶出装置实现脱模。该顶出系统通常集成在压力机底座部位，其工作机理可分为两种典型配置方案。
1) 没有配备专门顶出机构的压力机，其模具需要自行设计顶出机构。
顶出机构采用上模安装的反向拉杆机构配合动作，顶出机构利用上模合模后冲程结束回退时反拉杆带动总成动作，利用顶杆装置的传递，进而由顶出杆顶出。
这种机械联动机构需要根据各机构运动进行行程配合计算，使顶出时间能与模具开合动作相配合。
2) 有标准的顶出系统装置的压力机。
在模具设计过程中，模具的顶出系统可以只设计和压力机顶出系统行程配合的顶杆，使机械接口能够很好地实现标准化的对接，可提高模具与机械的匹配性，也能节约模具的研制成本，是目前模具设计的一种趋势。
本设计的模具没有专用的顶出机构，采用的是设计的顶出装置。通过顶杆和顶板的运动把零件从模具上取下来。
螺旋伞齿轮零件模具的顶出杆的直径与模具配合的公差采用H7/g6。
模具的装配
当上模座、下模座、顶杆、垫板、定位圈和顶料杆等工作部件设计完成后，将螺旋伞齿轮零件锻 造模具进行装配。
为确保装配质量，需要精心挑选合适的装配基准件。这些基准件包括上模、下模和固定板，它们与零件的加工密切相关。
接着，需要安装其他组成部分。图4为模具的装配图。
图4 模具装配图
模具是一种复杂的制造设备，它包括齿轮模、凹槽模、浮动模、固定模、垫片和砧板。
为了降低更换和维护模具的费用，选择了组合凹模的方式来制造齿轮和浮动凹模。通过使用浮动凹模，能够更好地利用模膛和坯料之间的摩擦，从而提高金属的流动性并减少成型难度。
这种方法使得坯料能够完全固定在模膛内，避免出现飞边现象。
在上下模合模准备过程，浮动模芯14在弹簧7的作用下被先压到底部位置，组合凹模在弹簧1的作用下向上顶升到预定位置的上限，
此时，将已经预热到工艺温度的环形坯料放入组合凹模型腔内，再经过定位垫块3实现径向定位。
上模下移过程中， 组合凹模和组合齿模先行导向配合，并使浮动模芯14和固定模芯2实现轴向对合，从而共同构成闭合的锻造型腔;
上模继续下行，弹簧1、弹簧7被压缩，毛坯在封闭的模膛中成型;压力机回程，上模上行，组合凹模和浮动模芯14在弹簧作用下恢复到初始位置。
本研究研发了一套创新型间接顶出装置以优化锻件脱模工艺。该装置采用模块化设计原理，在下模座下方配置了可移动模块作为动力传递载体。
当顶出行程达到预设阈值时，可移动模块受斜面楔块驱动实现径向位移，从而解除对顶杆20的支撑约束形成悬臂结构。
脱模周期完成后，活动模块在重力作用下自动复位至初始工位，同时通过拉簧预紧力维持模块闭合状态，为后续坯料装夹提供可靠定位基准。
值得注意的是，顶杆20下行阶段设置的弹性复位机构可确保活动模块的精确闭合定位。
结 论
文章针对汽车发动机螺旋伞齿轮采用闭式模锻工艺进行闭式模锻模及其设计，并针对4Cr5MoSiV1与45钢两种锻模材料对锻模结构进行了优化设计，结合组合模及压力垫板结构提升汽车发动机螺旋伞齿轮成形的生产效率及质量。通过对模具加热及弹簧复位结构的设计保证冷热应力和卡模状况。复合凹模的使用可有效防止飞边的出现，提升汽车发动机螺旋伞齿轮成型的金属流线及质量。
选择模架及采用灰铸铁下模座可进一步控制模锻模具的成本，整体结构合理，在保证结构稳定性的前提下，简化结构。
在模锻模具的组装中采用浮动模芯的顶出结构，保证组合模在顶出及复位方面的合理性及易操作性。
为汽车发动机关键部件的精密模锻设计提供创新方法，具有一定工程适用价值。
参考文献：略
作者简介：王颜霞，硕士，讲师，研究方向为控制工程;