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[分享] 氮气弹簧技术在模具中的应用

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发表于 2006-12-24 01:02:31 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国广东广州

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一、国内外氮气弹簧发展概况
4 m& U+ T3 b; q) N. @$ x9 Y   
氮气弹簧是一种具有弹性功能的部件,它将高压氮气密封在确定的容器内,外力通过柱杆 2 X, p4 ]# @( W+ N/ r8 t
将氮气压缩,当外力去除时,靠高压氮气膨胀,来获得一定的弹压力,这种部件称为氮气缸或
8 U* p2 d+ u1 b' y
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)   `+ |/ v+ a3 S7 }5 }
  
目前常规弹性元件是弹簧、橡皮和气垫,这些弹性元件在工业领域中得到了广泛的应用, " d4 n2 }! a' d8 K
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
% w2 e2 \; {1 a# I8 `/ W2 G2 U7 T  d3 c. b
2 W3 N- |7 p- P6 u! }$ {" a7 A
在模具工业中,一直大量使用着弹性元件。这些年来,模具技术和模具制造水平有了很 " K( y9 I/ s4 Z
大的发展和提高,工业产品对模具的需求量越来越大,模具朝着精密、复杂、高效、长寿命的
7 ^' |3 C+ G: C3 M2 v( ]
方向迅速发展,而原有的常规弹性元件存在着一定的缺点,不能满足这种形势的需要,不能理
7 g' Q. `  g& n
想地解决冲压工艺的要求,往往影响冲压件质量,使模具结构设计变得比较复杂,影响模具在
1 E+ X% t. ?. S# J+ V
压力机上更换的时间;同时常规弹性元件占有的模具空间太大,增大了模具制造的成本。例如 % T, Q; T0 O, A: C7 E1 L, b
弹簧、橡皮均存在着需要预紧,才能达到设计所需求的弹压力,而它们的弹压力又是随行程加 2 \# z# ]/ u* J3 C% d
大而明显地增大,这种弹压力不恒定的性能,可能导致零件不能成形,对拉延压边是很不理想 ) ]" N7 X) w  f$ y. W$ O
的。对于复杂的拉延成形零件,这个矛盾就显得特别突出,有时只好采用增加工序的办法来解 . X2 N( Y. i, v# p5 }9 H
决这类问题。再如弹簧、橡皮的起始力都不大,这一点对要求起始力比较大的弯曲、翻边等工 ) J7 M% E4 _4 k" d+ u9 z7 h* g
艺,也不理想。由此产生的结果是,冲压制件的质量不稳定,调整模具费时费力。对于密集型 , j6 y* d# R8 `1 N6 n) K
冲头的冲裁工艺,如采用弹簧或橡皮卸料,往往会遇到模具的卸料空间不够安放弹簧或橡皮, ! ^0 f* G, g$ J1 L  ~* Y) N  {
因而需要加大模具空间来解决这类问题。还可举出不少这类例子。当前冲压设计人员只能采用   ~5 \$ X+ \) n3 o% |9 i" D+ {; w
气垫来部分弥补这些不足。但是采用压力机气垫时,模具的设计、调整、使用都不很方便;由 ( J! N2 @! U4 V) M, k- v
于气压的波动和管道节流损失,气垫所提供的力量也不是很准确;它所占有的空间比较大;需 0 v9 E3 X: k. v1 q" f" H* Z
要配备专用的压缩空气站,况且并非所有的压力机均配有气垫。在使用气垫时,模具设计均要 0 c" |4 W6 E8 ?1 t5 m+ F$ y
受气垫顶杆位置的限制,模具安装调试也不方便。为此,人们努力开发一种新型的弹性功能部
1 p) @* W8 t2 d& _) V6 {
件来替代常规的弹性元件,这种新型弹性元件具有更加完善的性能,能代替常规弹性元件,完 # }) t/ U: d/ y3 S; M- U9 N7 @
成常规弹性元件难于完成的工作,具有常规弹性元件所不具备的性能,能代替常规弹性元件, + Q( V; y+ n) u. L; P" u. x2 w/ _
完成常规弹性元件难于完成的工作,具有常规弹性元件所不具备的性能,氮气弹簧做为新型弹
7 j! S$ Z2 m# j' _1 p) e
性功能部件也就应运而生。它能够补上述不足,简化模具设计、制造,方便模具调整;它可以
  d+ U( A5 g1 M
作为独立部件,安装在模具中使用,也可以设计成一种氮气弹簧系统,作为模具的一部分参加 7 k, G# F2 Z6 a8 y) e# m5 W, W
工作,可以在系统中很方便实现弹压力恒定和延时动作,是一种具有柔性能的弹性部件。氮气
) z3 S( e4 u1 B
弹簧不仅可以在模具行业中广泛地应用,也可以应用到其他工业领域,如汽车、电子、仪表等
0 L. x  q! f$ C+ Q2 ]5 X7 w% A3 B
行业。由此看来,氮气弹簧的用途相当广泛,它的出现迎合了时代的要求,满足了工业发展的
/ k  I8 m$ U9 ^: Z1 Y9 M
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 ) D- I! W- k* |) k

5 V* x. W3 ^7 F$ t4 z! }6 ]* O) Z* p! G; o* G& g/ Y3 Q5 V+ E
[ 本帖最后由 sxw68 于 2006-12-24 07:47 编辑 ]

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 楼主| 发表于 2006-12-24 01:03:30 | 显示全部楼层 来自: 中国广东广州
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 5 [$ u$ `2 j- h8 ^' J& z
    1、氮气弹簧设计原理 * F( T- ]" T: B0 o& ~
    采用氮气作为工作介质的氮气弹簧,它的工作过程,可以近似认为是等温膨胀和压缩过程, ) w1 ?9 W5 m$ n' G8 F- ]6 w! ?7 a
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 + {8 P  N. w  L0 `/ C/ I; f
     V/T=C,P1×V1=P2×V2 & k' J$ X# U3 {2 K& L
    应当说明,除了理论计算之外,氮气缸的结构设计、密封技术是氮气弹簧成败之关键技术。
- A; L  R8 X# w  {; n* m' J从目前国内外产品来看,氮气弹簧的结构一般可分为:活塞式各柱塞式二大类型,采用单腔或 . ^: l: S  a6 ^
复腔的气室结构,气室设计上多为背压式结构。从整体而言,氮气弹簧可分为独立式和非独立
( q6 U' ~; c! W- F7 X+ H6 j: @式二大类型。可运动部分和不可运动部分的结构,充气、配气结构和形式等的设计均与制造工 , Y; k7 q: j1 Z# J
艺技术相关联,与新材料、新工艺、新技术的应用相关联,这些新技术的应用程度,都将直接
; M1 s! h4 ]- v/ z" [$ k9 v影响氮气弹簧的技术性能指标,影响氮气弹簧品质的高低。从这个意义说,氮气弹簧又是一种
' N' }% }1 J  v8 q% O0 f( b7 k9 S- V综合各项新技术应用的产品。
- h; U2 ^: r2 Z5 r    气体密封形式和技术是一项复杂的工作,密封高压气体就更复杂,高压气体不仅要很好地
7 x( [2 S; F$ q长期密封,并要在这压力下循环工作,有时其增压比高达1.6-2.0,因此高压气体的长期密封,
7 {/ k6 J" o- i要比高压液体的密封困难得多,它是一项综合性的技术,这其中有密封的结构形式,静密封与
2 R. w" F% v9 ^* B动密封的路径、形式,运动付的制造精度、表面粗糙度、表面处理技术、密封材料的选择、密
0 U' u/ ?( U* C6 `. b封可靠性与寿命等。
, K# F# O. Y% {3 u* l, u$ M5 m    2、氮气弹簧基本性能参数
0 p- b* n* l( g6 V$ T/ W( A    氮气弹簧的设计固然是希望拓宽应用面,能适用于各种不同的环境条件,不同的工艺要求,
! w( d! K  H% y- e) Y* _2 R! d2 g但就目前我们推荐的氮气弹簧,一般说来是在常温下使用,对于高温的环境,应当另作别论。   t2 A' r7 H7 q' j7 j
其使用环境是:频率响应每分钟不高于40次;柱塞或活塞的运动速度应有30-40米/分;备用 0 A, p- O, D' L$ h1 O! s  u+ {
行程一般设计为3毫米;能在常温下正常使用。在这种条件下氮气弹簧的性能参数可以确定为
0 p8 D6 U  [5 P0 m2 j* F以下几项内容: + w$ ]2 K5 m/ S* ]4 u. B
     (1)充气额定压力巴
. K+ K6 B+ O) Q# i) E. Q! u/ g" G     (2)额定初始弹压力牛顿
/ A" J: f3 v4 a: r& i3 P; e; x2 v. s     (3)有效工作行程毫米
6 ?4 e8 o7 a) i     (4)一次充气寿命米或次 ) M& x% ~1 n, |8 F8 s3 h/ D
     (5)特性曲线与增压比 : W. x5 M3 `& S5 K  S
     (6)工作环境温度摄氏度 5 `. a9 s+ z) b3 s; ^/ J) X9 N: s
     (7)外观颜色 0 Q, k+ g- b7 a& d% X2 l
     (8)结构形式和最大偏载角 / Y- y1 [: o& P  I5 k2 O5 y$ _: C
3、氮气弹簧结构形式的选择
6 @5 R+ q  `0 _, ]# Q  a    在模具设计中使用氮气弹簧时,首先需要决定氮气弹簧的结构形式。有以下几种形式可以 3 F" f) T! ?1 x* N7 T- I; B) }4 s
供选择:独立式氮气弹簧、氮气弹簧座板式、管路连接式等。这些基本的结构形式都有各自的
# j4 g( r& |) S1 c! a特点和一定的应用范围,需要根据零件的冲压工艺要求、模具的结构形式、使用设备、工作环
/ f% N, Z0 u/ h& l# c7 @境、工作条件、模具的成本和调整维修方便等因素,综合考虑选择。

, m: H. @& d& X( @: ~
8 M/ z$ J) }8 V[ 本帖最后由 sxw68 于 2006-12-24 07:46 编辑 ]
 楼主| 发表于 2006-12-24 01:05:44 | 显示全部楼层 来自: 中国广东广州
4、在冷冲压模具设计中选用氮气弹簧时应考虑的几个问题 6 v9 v7 T0 C+ `- r. ]8 d5 r8 C
    氮气弹簧技术有其自身的特点和一定的使用范围,正确地去约束该项技术的应用范围,才 3 C3 J- Z) b# Z1 Q4 d& u2 H+ k% t- p
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
. T9 _5 G; Y  d- {; i% w* @  (1)氮气弹簧特性曲线的选择
2 t0 u2 u8 H. ^( ^8 s% _% e    对于各种不同的冲压工艺,都有不同的工艺要求,选择采用氮气弹簧技术时,要适应其工
8 f2 C0 g$ ^) O! N/ ^艺需要。例如在整个工作行程中要求弹压力基本保持恒定,这一点应当说仅仅对于拉延压边作
: ^, z% u7 C4 U# t, q用而言,对于其他的工艺,就未必都要求弹压力基本恒定了,弹压力的恒定与否,影响不是很
& b: V& u: [# g' j大。但是从经济角度说,就有比较大的影响,因为各个工厂生产的氮气弹簧价格,是与其性能 4 r! A1 V$ F9 ^; H
相关的,同样的弹压力,采用力量恒定的氮气弹簧要比力量不恒定的贵,同一规格的氮气弹簧 , C& k6 y7 r4 W! ]/ r
行程越长越贵。目前氮气弹簧技术投入市场的历史不长,采用氮气弹簧一次投入的费用相对于
/ ]- H2 l" R( L. v9 n) l其他弹性元件要高,如果不充分考虑其经济性,盲目选择高性能的氮气弹簧,必将影响模具成
* j5 |3 i, _6 R2 \/ u8 J本的提高,且也无比必要。因此,要根据不同的工艺要求,选择不同的氮气弹簧特性曲线,从
% b  d- i  C! q% `而获得最佳的性价和最好的经济效益。 2 `; ]3 q& e. A! [
     (2)弹压力平衡在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡,选择应用氮气弹簧往往不止 * S: V; u) l; P4 i& P
一个,那么,着力点的布置等都需要围绕解决一个平衡问题,从冲压工艺角度说,也是需要考 ( Q1 }% X4 [* j6 U- k+ C3 V
虑冲压力平衡的问题,以利于提高模具的使用寿命,保证冲压零件的质量。从氮气弹簧的使 ; |6 y" i! P5 Y
用得知,氮气弹簧是同零件直接发生接触,都是通过设计的顶件板、顶件块、压边圈、斜楔
; l* s3 @+ b* u/ N块等模具零件将弹压力传递给模具工作零件,那么顶件板等模具工作零件的运动平衡与否,
) X6 q0 @+ F6 B4 q! w% z+ g% D" j同力系的布置有关;另一方面顶件板也是起到传递力量给氮气弹簧的作用,因此为了避免产 - B# I+ \2 ^7 p
生氮气弹簧承受偏载,提高氮气弹簧的使用寿命,提高模具的使用寿命,应采用氮气弹簧压
, V! C; I3 y- N* r/ Z5 s8 v' B力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 0 Y9 |, O# A/ C: g. W$ ?9 s, [
     (3)稳定性氮气弹簧无论在安装时或是工作时,都需要相当的稳定性和可靠性,正因为
/ ]- o6 \9 p6 x$ q它的弹压力相当大,一个氮气弹簧在不大的体积内,要释放出几百公斤甚至几吨的力量,而这 8 I/ n0 u% x1 i" g# r
个过程又是在反复不断地进行,因此,保持其工作的稳定性就相当的重要。安装紧固时,尤其
; B4 |, w4 C8 d% s' x0 e是使用力量较大的氮气弹簧,必须是被确保牢固,特别是反置氮气弹簧或是安装在上模的,氮 : b* S) a* t2 I- n- c2 X  v8 W, q' y
气弹簧需要随滑块的运动而不断地相对运动,只有牢固的连接才能保证氮气弹簧正常、稳定的
! [3 Y' j) M2 S' e$ L9 U7 v3 N工作。因此往往设计安装氮气弹簧时,或在缸体或在柱塞开设有一定深度的安装沉孔,以确保 4 T7 Y1 a9 `, Q0 r' j- t
其正位,避免发生偏斜。 - m* [- f0 u% A' S* Q
     (4)避免冲击应当说氮气弹簧的工作性质是属于柔性范畴,在模具工作过程中,开启与 " {3 [* n, M1 m7 k$ y( ]* J
闭合都应当是比较平顺,不应当出现冲击现象,为了达到这个目的,对于采用独立式氮气弹簧,
. G5 k: ]2 I( [' k  K设计人员要充分考虑到这一点。因为如前所述,氮气弹簧的频率响应是很高的,零件一经接触
2 ~: q- o& m5 U  Z: \) n氮气弹簧柱塞杆就可产生弹压力,根本不面要有预紧的过程,那么随着压力机滑块上、下运动, & _3 [4 G# q( E2 {& t7 ^
氮气弹簧开启(膨胀)和闭合(压缩)响应是很快的,如果设计不当,尤其是在小吨位压力机上使 ! H5 Q+ _7 B8 s: X
用氮气弹簧,就有可能会出现氮气弹簧推动滑动块回程的现象,破坏了曲柄压力机滑块运动曲
- b- b7 g0 Y' b线,导致出现震动冲击现象。因此,应当尽量避免出现这种现象。 : N! C  a! k* k, N* T# H+ o" ?, E
四、氮气弹簧应用实例 " G: w6 m) ]! W) R+ Z: \
我国采用氮气弹簧技术已有十几年历史,通过学习和消化吸收,现在在我国汽车、电子、 & y1 E' k" |; ~7 z7 c
仪表、轻工等行业中,都在不同程度地将氮气弹簧技术应用到模具中,使模具设计、制造均上 - W! }* U. E& E- z1 M  q
了一个新台阶,提高了模具制造水平,取得了较好的技术经济效益,推动了这项新技术的发展。 % B8 |, U* k9 N
  1.汽车工业北京吉普车公司和上海大众汽车公司等从日本、台湾进口的不少车身覆盖 . ^/ F! f7 D& F. a7 U6 q
件模具中,使用氮气弹簧技术的效果比较理想,至今仍在正常使用。 6 W1 ^3 x, k. ^: \2 `: w1 @* p+ M
    重庆嘉陵工业股份有限公司在消化吸收台湾引进模具的基础上,自行开发设计使用氮气弹 9 u+ i3 S4 G. ~: \" ?' M
簧新技术,在9套大型模具上采用了氮气弹簧技术,共使用各种不同规格的氮气弹簧约50个。 ' d* ~& @3 Q5 O( Z9 h4 A
目前,JD90车架5套模具和JH125车架2套模具已经投入生产使用,模具在生产中经受考验,
% |: p1 c0 D$ k* y5 B# M使用状况良好。JD90车架累计已经生产了5.4万件,至今氮气弹簧仍在正常工作,模具还在
5 W' N& u8 z& z+ X8 K: i7 W+ f- u继续使用中。河北鸿运汽车冲压件厂采用氮气弹簧技术,解决了汽车纵梁弯曲中出现的回弹问
9 E6 A% `% j6 U) }  r3 J& F题,提高了5.73米汽车纵梁弯曲件的质量。实践证明,中国技术人员自行设计的模具氮气弹
9 K3 V& B7 P# r1 n' u( e/ }簧系统是可行的。
& y3 V  A1 H9 ~3 l# a    2.电子工业微电机在电子工业中应用非常广泛,微电机外壳是尺寸精度要求比较高的冲
8 N$ D+ }- i& x+ J# E2 c& O压件,如安装轴承的底孔与外圆的同轴度要求不大于0.03毫米,对于冲压件来说,这是相当 $ m: `; X8 G, J! v; {( u& M3 K2 u3 l
高的尺寸精度,并且生产的批量也比较大,为了提高生产率,往往是采用大台面压力机多工位 : ^( T0 A& K% |: j
级进模生产。设计、制造这类零件的级进模具,模具结构不仅需要紧凑,模具零件的制造精度 ( n' p( a4 C: H5 O  O! Q9 C
要求也非常高,属于高、精的模具。由于模具制造精度高,要求的使用寿命高,因此,在这类   e1 f1 l) ?% h$ q/ D4 y1 `
模具中 ,如果采用常规的弹性元件来进行拉延压边、压料、卸料,便不能满足结构上的需要,
3 P- b& @2 N/ T7 b! V也不能满足冲压质量稳定的要求。北京市机电研究院精密模具公司在参考国外同类模具基础
( W. y- e2 r2 A: A3 n上,自行开发设计采用氮气弹簧进行拉延压边、压料的连续拉延级进模,采用美国“海森”公
% i4 U. m& K0 s" T司生产的氮气弹簧座板系统,共使用七个氮气弹簧,模具制造完成后,在深圳派力机电研究所
1 B( Y7 ~/ ]4 t" M5 a) ^5 P. ]( J大台面压力机上使用,压力机工作行程为每分钟40次,已经生产了几百万件微电机外壳,机
" Z. K3 C( Z! `& _1 |, I5 j壳的质量达到了国外同类产品的水平,且一直非常稳定,模具至今仍在正常使用,受到用户的
( U$ |5 @$ N6 R# Z, R+ |. Z好评。这是目前我国使用氮气弹簧座板系统最好的模具之一,也是我国首例自行设计制造使用 % h0 X0 h$ r8 a* r1 ~: F/ V1 D/ y% t
氮气弹簧的级进模具。计算机驱动器外壳零件也是一种比较难于成形的冲压件,宁波余姚市
; ~9 m& j3 |2 w3 L  Y, G灯具电器厂采用美国“海森”公司TNK型号氮气弹簧,自行设计制造模具将氮气弹簧安装在800
3 W$ y8 e6 z' L7 Q1 L5 D4 m8 w千件压力机下,作为氮气弹簧气垫使用,该零件第一道拉延工序采用氮气弹簧压边,解决了零
* r7 Z+ W( L  m- m件在拉延过程中起皱的问题,保持了拉延件的高度和质量,取得非常满意的效果。
( v' i% i2 w% a( X0 n    录音机磁头外壳是外廓尺寸不大,尺寸精度高,生产批量很大的冲压件,广东深圳粤宝集 ) h. \7 N  o& w4 f
团在消化吸收日本模具技术特点的基础上,自行设计了磁头级进模具,在拉延工序中采用二个 3 i; C/ h4 }+ Y6 _% f6 n
氮气弹簧压边,使拉延件的质量大大提高,外壳的尺寸精度达到技术要求,生产率提高了好几
; m! a$ w. V% K# W  ]倍。
发表于 2007-1-3 13:43:47 | 显示全部楼层 来自: 中国广东广州
多谢楼主分享,很好的资料.楼主看一下是否少了内容"三……"
发表于 2007-6-1 15:20:13 | 显示全部楼层 来自: 中国香港

氮气弹簧在模具中的应用

详细介绍了氮气弹簧的发展概况;设计原理、基本参数和特性;选择应用;应用实例。欢迎爱好者下载使用。

氮气弹簧在模具中的应用.pdf

26.81 KB, 下载次数: 19

发表于 2007-6-6 23:02:22 | 显示全部楼层 来自: 中国江苏常州
氮气弹簧在汽车模具中应用普遍,在家电类模具中应用较多。价格太高,是国产普通矩形弹簧的几十倍甚至几百倍。
发表于 2007-6-11 21:53:19 | 显示全部楼层 来自: 中国广东深圳
楼主,让人长见识了.
发表于 2007-7-23 09:52:58 | 显示全部楼层 来自: 中国天津
正在寻找的资料,谢谢楼主
发表于 2007-7-23 11:17:59 | 显示全部楼层 来自: 中国浙江金华
楼主,氮气弹簧的弹力最大能达到多少?????
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