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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
. L4 ^5 i  C' K0 w   
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 , B; g0 p5 O8 ?6 @0 P
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 ' p7 h+ K% a4 G- S
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
8 h! w5 `- Z. _! m  j- C3 B# b  
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,   L: r# \0 b3 R
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 : E; [( Y  C) V5 |
2 H2 j* c! X1 D( f( m( @

; \; F" Q5 |+ J: ?7 d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 ; R7 X) n' K+ |* A( d7 `8 i
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 0 x, N  v2 i. f
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
. h! A& D- ^* f7 B, Q) t
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
* U4 O6 ^  \5 B9 R; A: e" G
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
2 |4 [2 K0 s8 L, t+ E& L
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 * x$ X1 }; k: @
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
5 ]5 {6 X6 Q% e' g% V
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 4 Y& U& Q8 o8 N$ ]  j2 O
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
" o; V: r, J) e* N& ?! l
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 ' Y8 Y+ m8 T; U6 j6 g4 C/ j
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, $ V% A6 Q+ G: r% F
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
; U0 a, e: l/ q9 O5 ?  A" \/ R
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 . d+ {. K5 V6 d4 U) C) X8 n4 j
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
6 p1 y9 s% L, ^
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
% S- K4 X% p( z1 ]/ K
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 ' {* [8 f9 _% N9 M" h% [# W
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 5 _3 J/ `" Z' R+ K3 Z$ q
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, , e, L* a! O& t
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
/ C* ^/ `# G" n, V
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
% c. V5 X% y5 p. J% Y+ e
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
8 e8 O( W" ]! C! y. p$ ~1 x% Q
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 6 x0 I, O) z" z) j* i
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
: o* H5 s9 N. e
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
# X' J1 ^& E3 Z% T5 Y% z
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 - b& j% a: R& j! n6 {% O: p* G# `

3 V4 }0 M3 ^1 l- n
  T1 ^2 B9 B- N' L6 C' g- 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 2 Z) s( I! _$ X
    1、氮气弹簧设计原理 5 I! {) g. @" n$ t3 F5 e
    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,
8 p" B) q! x/ k因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 6 b0 H' f# D  _& `- N% f) p3 G
     V/T=C,P1×V1=P2×V2
. @+ x; q; |6 Y  A' M    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。
, l+ c0 p6 v0 \. U8 z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 + B/ A& C$ b/ \
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
, K3 [1 E( K' _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
, z0 S  g/ q/ T4 j2 S, Z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 / n8 B! ]. [% F
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 * a& f) ?! x+ f
综合各项新技术应用的产品。 & F: a" ?' z# p. M' y5 C( _
    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 ! M( n; a/ u* o$ e( G
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, ( J" a! _' K# F7 H$ Z8 x3 S
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 ( E. E7 g6 e( v6 n
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 1 H; H* N4 p) j% s" U0 o6 }
封可靠性与寿命等。
3 w. x/ H  |) g$ g/ k3 S! r    2、氮气弹簧基本性能参数
; S. r4 ^2 d6 v3 E  [    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,
* F. E* k% C6 `9 O2 S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。
4 [/ T: o, @+ ^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 5 j( _' m! a1 ~, F) F! h; j
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 , F$ G! f$ o5 s8 _* v' S
以下几项内容: " C! h) }& _/ x/ @2 ^
     (1)充气额定压力巴
8 \! n5 S; A  a: {  v- a, [     (2)额定初始弹压力牛顿 & ?7 i: j" u, ?* g9 }3 k
     (3)有效工作行程毫米
  G% L; D8 v9 i. ]1 |     (4)一次充气寿命米或次 1 O% @' U% @" f% n& Q0 \
     (5)特性曲线与增压比
. k0 q6 p; F6 @1 i3 J9 a$ A     (6)工作环境温度摄氏度   J) a4 O! R& x$ E7 A
     (7)外观颜色 2 C4 G" r4 g  A+ Y
     (8)结构形式和最大偏载角
9 i* L6 v! g. s1 Q3、氮气弹簧结构形式的选择
$ {6 P) I/ _# i4 |; p3 L8 S    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 ! n" [$ I7 W( [0 T* w7 j2 Y) B2 H
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
/ T. P! \/ G* Z" x$ D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 0 L8 c/ G  E2 X3 h
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。

( s1 j% i& ]7 w& {! w9 z! b# V
7 n. Q* `2 [6 E2 I7 F$ t[ 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 & x" g  f% f- E3 X# t5 x
    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
$ p3 X9 U6 S0 ?能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 8 k/ a  I2 t, y" l, Y+ S
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择
, S0 G- K& ]4 e6 D' v4 s7 {    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 & i4 @6 Y- t0 Y
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
. w! B7 t1 B! a0 [- O* Z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 , Y4 r- w8 t5 H
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 # `1 c* m8 R) k3 T# M! C
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
% i" X" ~7 y0 B$ A; d; e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 % N/ l2 q$ Q3 @
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 0 T5 S. `$ w9 q: l# k$ D& g& l
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 . Q  t' L, d/ O0 L$ b
而获得最佳的性价和最好的经济效益。 $ s0 [+ [4 @- `  _2 {
     (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 ; Z: q- r  J4 v/ Q. `
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 ' q4 v+ H6 z. ?2 m
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
1 C% s6 k/ Q2 P7 i& ?( [( @& s/ v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
% _1 G0 ]" S( M1 i1 _4 |6 \0 U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,
" z' I8 I- O6 i8 K( s6 d' Z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 4 z: ?) t2 p! s& G# ?
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
3 O! ]( K. o0 ]力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 3 a  V3 @5 T  v* P( p& W
     (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 - W5 z8 S, _: U. j5 e
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
2 ?  H$ n; T; E0 q1 k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 & @; F1 T. ?9 _" ~: n
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 ' @+ ^, a4 t" V) _! D
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 $ n& O+ f& Z. `( Q3 M7 }3 B
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
& E0 [6 Z) v! P/ W: A其正位,避免发生偏斜。 ! b- D* _5 O) f( o9 l
     (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
) {" U. h9 l: ]4 ~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, : n7 x/ y8 L! k0 N
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
4 |' f8 N- o4 U- |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,
: _% j$ W% Y+ Y  P1 a" l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 1 q1 A* p$ n7 K) a6 l8 p
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
' C" D% d, z4 ~2 L0 F9 {; ^/ a) f2 S" G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。
5 p. j) n% g# e* T( }  L3 G四、氮气弹簧应用实例
8 n4 U/ S, O3 f" ^" G: E% ]* ]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、 : _4 V" e% J9 F9 r5 @7 A' e
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
) [; E6 K9 K7 m: \- E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。 % S; p2 w, j7 w
  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 ) \# s* l' ~0 R- J; Y3 ]5 Y
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。 % T1 A; T" L, O9 A& J) O) V) }
    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
% e2 c& @: e) F- k+ l+ x: T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。
3 Z$ U' L7 [" E9 Q# }" X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, , V. T# b. ]7 I# ?  E
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 9 A. [, b5 o" ]- l" w
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
8 P: P8 Q. r2 B0 x7 u! E# u& c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 3 b. W8 m! L! K+ {
簧系统是可行的。 9 b" a( L% Q' b! Y' {
    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 / b; D3 I8 M: m' u" R
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   H5 W* K, O5 c8 }( w5 D
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 7 Q1 o8 T# P7 T, R6 b
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 9 D3 S% P" S4 Q9 V8 X" H
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
) |2 f" }, H. x5 X5 ~5 I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 g. W! g; ^0 N  ~: s
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 4 x6 p% ^, J! k
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
6 y6 c6 b6 r. b+ n! s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
7 i" c9 K6 M- T1 Q0 a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
  Y" E9 A3 p$ ?$ \3 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
, z- _$ |( B- @0 o# k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
. @7 S3 s+ s$ `4 L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 4 I9 l2 x1 c- K) n# x$ u8 y8 W
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 7 @0 h# D8 T$ v! j
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
) ?" v6 E; T) P. l8 h6 V5 k/ n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! f) O( a; V+ r! v& S    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 5 n( @+ v1 p7 C4 e6 m5 s' K2 i! I4 y
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 ' M4 a" Q0 }3 \. [( K/ M
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 ( o) h. V+ M% j, C, I
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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