圍繞汽車(chē)后橋從動(dòng)齒輪終鍛模具參數(shù)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，探討了閉式模鍛工藝在齒輪制造中的應(yīng)用及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)工藝分析對(duì)比了開(kāi)式與閉式模鍛的優(yōu)缺點(diǎn)，指出閉式模鍛在材料利用率、生產(chǎn)效率及鍛件精度上的顯著優(yōu)勢(shì)。針對(duì)齒輪鍛件特性，提出了毛坯尺寸計(jì)算模型(坯料直徑233mm,最終選取240mm)，并基于熱鍛件圖完成了終鍛模膛設(shè)計(jì)。結(jié)合單位擠壓力與總擠壓力計(jì)算(F=17571kN)，選定20000kN熱模鍛壓力機(jī)以確保安全性與工藝穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，閉式模鍛結(jié)合合理的模具參數(shù)設(shè)計(jì)可有效降低飛邊損耗、提升鍛件成形質(zhì)量，為汽車(chē)齒輪高效精密制造提供了理論依據(jù)與實(shí)踐參考。


      車(chē)后橋從動(dòng)齒輪作為傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分， 其作用與重要性不容忽視。在汽車(chē)動(dòng)力傳遞過(guò)程中，從動(dòng)齒輪負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過(guò)變速器傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，確保車(chē)輛平穩(wěn)行駛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛汽車(chē)的傳動(dòng)系中，后橋從動(dòng)齒輪的故障率直接影響到車(chē)輛的可靠性和使用壽命若從動(dòng)齒輪的精度不夠，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)效率下降，增加燃油消耗，甚至可能引起傳動(dòng)系統(tǒng)的異常噪音和振動(dòng)，影響駕駛體驗(yàn)。因此，從動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接關(guān)系到汽車(chē)的整體性能。在制造過(guò)程中，終鍛模具參數(shù)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，它決定了齒輪形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到齒輪的性能和壽命。精密的終鍛模具可以顯著提高齒輪的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，從而提升整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。


      鍛件的工藝分析：本熱鍛設(shè)計(jì)的是汽車(chē)后橋從動(dòng)齒輪的模具，如圖1所示。
      齒輪是一種重要的零件，它能夠通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)傳遞動(dòng)力，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)速度。此外，它的齒面之間也會(huì)發(fā)生摩擦，并且會(huì)對(duì)輪齒的根部產(chǎn)生影響。受到各種應(yīng)力的影響，齒輪可能會(huì)出現(xiàn)斷裂、粘合不牢、疲勞過(guò)度以及磨損等問(wèn)題，從而導(dǎo)致其失效。齒輪的故障可能由多種應(yīng)力造成，包括接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。為了避免這些問(wèn)題，應(yīng)該仔細(xì)研究齒輪的性能特征，并選取適當(dāng)?shù)牟牧虾蜔崽幚砑夹g(shù)來(lái)確保它們能夠正常工作。齒輪表面應(yīng)有足夠的硬度。由于齒輪表面的凹凸不平，使得其具備較高的硬度，從而產(chǎn)生巨大的壓力，從而使得金屬材料發(fā)生塑性變形，甚至嵌入到相對(duì)表面，從而使得金屬與齒輪之間發(fā)生直接接觸，并且形成摩擦力。磨損是一種常見(jiàn)的機(jī)械現(xiàn)象，它通常發(fā)生在齒輪之間。為了降低這種磨損，需要增加齒輪的韌性和強(qiáng)度。通過(guò)增加韌性和強(qiáng)度，可以改善齒輪的接觸條件，增強(qiáng)它們的耐久性和耐用性。為了確保輪齒具備良好的耐受性，它們的芯部必須具備充分的強(qiáng)度和韌性，無(wú)論是受到外界的變載還是沖擊載荷，都能抵御外界的影響。此外，不同尺寸的齒輪也需要具備適當(dāng)?shù)挠捕炔睢Ｔ谶x擇螺旋錐齒輪時(shí)，應(yīng)該兼顧其加工性、經(jīng)濟(jì)性以及其他特殊性能。作為汽車(chē)的重要組成部分，它們不僅可以提供動(dòng)力，還可以通過(guò)差速器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，以滿足不同的行駛需求。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，主動(dòng)螺旋錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪都可以發(fā)揮重要的功能。前者由花鍵組成，與變速器的動(dòng)力輸出軸相連，而后者則由螺旋錐齒輪組成，其中螺旋錐齒輪的直徑比前者更大，可以有效地降低轉(zhuǎn)矩，并且沿著圓周均勻地分布著螺栓孔，以便將降低的轉(zhuǎn)矩傳 送至差速器。錐齒輪是一種傳動(dòng)機(jī)械，它既能傳遞高速傳動(dòng)，又能傳遞較大扭矩。當(dāng)運(yùn)輸物品或制動(dòng)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這種齒輪會(huì)承受沖擊負(fù)荷。其常見(jiàn)的失效方式有：磨損、腐蝕和斷裂。因此，齒輪應(yīng)具備以下性能：①優(yōu)良的力學(xué)性能;②優(yōu)良的滲碳淬火性能;③優(yōu)良的抗沖擊性。

      工藝方案設(shè)計(jì)：為了制造汽車(chē)后橋上的動(dòng)態(tài)齒輪，使用了兩種常見(jiàn)的鍛造成形技術(shù)：開(kāi)式和閉式。(1)開(kāi)式模鍛。開(kāi)式模鍛是金屬在不完全受限制的模膛內(nèi)變形流動(dòng)，模具帶有一個(gè)容納多余金屬的飛邊槽。模鍛開(kāi)始時(shí)，金屬先流向模膛，當(dāng)模膛阻力增加后，部分金屬開(kāi)始沿水平方向流向飛邊槽形成飛邊。隨著飛邊的不斷減薄和該處金屬溫度的降低，金屬向飛邊槽處流動(dòng)的阻力加大，迫使更多金屬流入模膛。當(dāng)模膛充滿后，多余的金屬由飛邊槽處流出。開(kāi)式模鍛作為一種古老的鍛造方法，在近代的技術(shù)進(jìn)步中，它被用于制作各種各樣的機(jī)械零件，其中包括輾環(huán)和擺動(dòng)輾壓等。采用開(kāi)式模鍛技術(shù)制造零件的工藝流程包括：加熱→預(yù)鍛→終鍛→切邊沖連皮。開(kāi)式模鍛的缺陷顯而易見(jiàn)：投入巨大，材料利用率極低，生產(chǎn)效率極低，噪音極高，振動(dòng)極大，勞動(dòng)環(huán)境極其糟糕，生產(chǎn)成本極高。(2)閉式模鍛。閉式模鍛即無(wú)飛邊模鍛，一般在鍛造過(guò)程中上模與下模的間隙不變，坯料在四周封閉的模膛中成形，不產(chǎn)生橫向飛邊，少量的多余材料將形成縱向飛刺，飛刺在后續(xù)工序中除去。閉式模鍛成形工藝過(guò)程：下料→軟化熱處理→石墨潤(rùn)滑→鍛造→沖孔連皮。


      坯料直徑計(jì)算：齒輪坯屬于圓形鍛件，坯料的直徑用dp表示，計(jì)算公式為：
      式中：       經(jīng)過(guò)計(jì)算得Vp=701229.18mm3,得dp=233mm,按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選取dp=240mm。根據(jù)分流鍛造原理，將毛坯加工成圖2的形狀。
      坯料長(zhǎng)度：下料長(zhǎng)度公式為：
      閉式模鍛模膛設(shè)計(jì)：終鍛模膛是鍛模各種模膛中最重要的模膛，它是完成鍛件最終成形的終鍛工步，通過(guò)終鍛模膛可以獲得帶飛邊的鍛件。而坯料需要在預(yù)制模膛內(nèi)進(jìn)行預(yù)加工，這主要是為了讓坯料金屬在鍛造過(guò)程中充分填充模腔，并合理分布在模腔內(nèi)。同時(shí)也是為了使形狀復(fù)雜的鍛造模具坯料金屬在加工時(shí)更接近模腔的形狀。對(duì)于本設(shè)計(jì)的齒輪鍛造，通常只用鐓鍛和最終鍛造兩個(gè)步驟。坯料圓型表面上的氧化皮一般都是在鐓鍛過(guò)程中去除，通過(guò)豎立并輕輕壓鐓鍛的圓餅來(lái)去除毛坯端面上的氧化皮。而本設(shè)計(jì)只需要終鍛模膛就行，因?yàn)椴捎玫哪＞呤峭ㄟ^(guò)最終鍛造一次成形的，不需要設(shè)置預(yù)制模膛，故不考慮設(shè)置預(yù)制模膛。為了使齒輪的毛坯能夠在1,150℃的溫度下完成模鍛成形，需要根據(jù)熱鍛件圖來(lái)設(shè)計(jì)模腔。

      壓力機(jī)的選取：

      熱鍛壓力機(jī)的確定：壓力機(jī)是一種多功能的設(shè)備，它們可以應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，并且具有優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)和高效的生產(chǎn)能力。壓力機(jī)是一種廣泛使用的設(shè)備，可以用來(lái)處理多種復(fù)雜的加工任務(wù)，例如切削、鉆孔、剪裁、拉伸、焊接和成形。當(dāng)機(jī)械壓力機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，三角皮帶驅(qū)動(dòng)大皮帶輪(也被稱(chēng)為飛輪)，通過(guò)齒輪組件、離合器以及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使得滑塊與凸輪之間形成一個(gè)垂直的動(dòng)作，以達(dá)到設(shè)定的目的。當(dāng)機(jī)械壓力機(jī)完成了鍛造工作，滑塊就會(huì)朝著目標(biāo)方向移動(dòng)，此時(shí)，離合器就會(huì)被松開(kāi)，同時(shí)，曲柄軸上的自動(dòng)控制系統(tǒng)也會(huì)被喚醒。從而將滑塊穩(wěn)定地停留在起始位置 。壓力機(jī)有3種主要類(lèi)型：螺旋壓力機(jī)、曲柄壓力機(jī)和液壓壓力機(jī)。其中，曲柄壓力機(jī)是最常見(jiàn)的，也被稱(chēng)作機(jī)械壓力機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的工作需求。機(jī)械壓力機(jī)具有出色的運(yùn)行性能，能夠在沖壓、擠壓、模鍛和粉末冶金等復(fù)雜工藝中發(fā)揮出色的效果。本設(shè)計(jì)主要選用機(jī)械壓力機(jī)中的模鍛壓力機(jī)，模鍛壓力機(jī)是用于熱塊成形的設(shè)備。這種方法通常被用來(lái)生產(chǎn)大量的模鍛和精整鍛件，它能夠提供高精度的鍛件，更好地利用材料，提高生產(chǎn)效率，并且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。除了這些優(yōu)點(diǎn)，這項(xiàng)工藝的操作難度很低，而且噪聲和振動(dòng)都很少。

      單位擠壓力的計(jì)算：本次設(shè)計(jì)擠壓為正擠壓，單位擠壓力為：
      總擠壓力的計(jì)算：在鍛造過(guò)程中，模具的表面需要做潤(rùn)滑處理，而潤(rùn)滑所使用潤(rùn)滑液的機(jī)械性能和零件的氧化層的清理，以及零件表面粗糙度也會(huì)產(chǎn)生影響，故選取壓力機(jī)的時(shí)候需要一個(gè)安全系數(shù)用來(lái)確保壓力機(jī)正常工作，這個(gè)安全系數(shù)用C來(lái)表示，得總擠壓力的計(jì)算公式為：
      式中：
      選擇壓力設(shè)備的時(shí)候，擠壓力是非常重要的因素。本設(shè)計(jì)模具的總擠壓力為F=17,571kN，考慮到以上原則以及在日常實(shí)際中坯料的熱加工、氧化層的去除等，同時(shí)也考慮到設(shè)備安全工作的問(wèn)題，最終選取F=20,000kN 的熱模鍛壓力機(jī)。


      閉式模鍛工藝通過(guò)無(wú)飛邊設(shè)計(jì)顯著提高了材料利用率(火耗率降至1.0%)，減少了后續(xù)加工工序，同時(shí)降低了噪聲與振動(dòng)，改善了生產(chǎn)環(huán)境。基于分流鍛造原理的毛坯尺寸計(jì)算(d=240mm)與終鍛模膛設(shè)計(jì)，確保了鍛件在1,150℃高溫下的充分填充與精確成形，提升了齒輪的力學(xué)性能與表面硬度。通過(guò)單位擠壓力公式(正擠壓)與總擠壓力安全系數(shù)(C=1.3)計(jì)算，驗(yàn)證了 20, 000kN熱模鍛壓力機(jī)的適用性，兼顧了工藝可靠性與設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。

      軸套外圈過(guò)盈量，使用液氮進(jìn)行冷裝，進(jìn)一步提升安裝效果，避免在長(zhǎng)時(shí)間惡劣工況下出現(xiàn)脫套的問(wèn)題，進(jìn)而封死軸去發(fā)生松動(dòng)而產(chǎn)生潤(rùn)滑脂內(nèi)泄的通道。軸套增大的過(guò)盈量有利于市場(chǎng)機(jī)型的更換，因市場(chǎng)挖掘機(jī)工況惡劣工作時(shí)間長(zhǎng)或多或少已經(jīng)出現(xiàn)動(dòng)臂后支座軸套安裝孔孔徑微量增大的情況，原有配合公差已無(wú)法滿足現(xiàn)安裝要求(見(jiàn)圖7)。
      改進(jìn)效果：通過(guò)對(duì)該型號(hào)挖掘機(jī)增加密封圈及更改軸套尺寸的方式進(jìn)行調(diào)整后，不僅增強(qiáng)其密封效果，防止?jié)櫥瑑?nèi)泄，而且增強(qiáng)軸套與動(dòng)臂后支座的緊固度，更好地滿足惡劣工況下的使用。通過(guò)市場(chǎng)更換及后續(xù)小批試制，該型號(hào)挖掘機(jī)未出現(xiàn)潤(rùn)滑脂內(nèi)泄情況，說(shuō)明此改進(jìn)取得成功。


      挖掘機(jī)動(dòng)臂后支座作為挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)的重要組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮其重載下的潤(rùn)滑以及潤(rùn)滑脂流向。在選擇動(dòng)臂后支座的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，在兼顧強(qiáng)度與精度的同時(shí)考慮潤(rùn)滑效果以及潤(rùn)滑脂加注后的密封性確保在需要的部位滿足潤(rùn)滑效果。考慮挖掘機(jī)在工作時(shí)可能會(huì)配套不同的屬具進(jìn)行作業(yè)。在破碎工況及惡劣工況環(huán)境下動(dòng)臂后支座需要承受較大沖擊載荷，因此軸套的選擇尤為關(guān)鍵，軸套與動(dòng)臂后銷(xiāo)軸裝配的過(guò)盈量應(yīng)盡可能大。保證在長(zhǎng)久惡劣工況下不會(huì)發(fā)生配合失效。

      參考文獻(xiàn)略。