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氮气弹簧在模具中的应用 ' ~8 \0 v$ y* M( \2 g
一、国内外氮气弹簧发展概况 0 S0 y+ V) v7 K. T9 p$ l
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
: Q" N8 A) m$ }# e4 W定的容器内，外力通过柱杆将氮气压缩，当外力去除时，靠高压氮气
0 @2 m4 [5 B* n" o# b2 R膨胀，来获得一定的弹压力，这种部件称为氮气缸或称气体弹簧，或
# A+ X: Q+ Z( G+ z, e/ U' y称氮气缸弹压装置， 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、% U% r3 q$ m) Y" s I
“ GasSpring” )。 % Z/ R) }/ g; u) b1 V5 i2 U2 i
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
) h, l# T* C2 R2 J/ {域中得到了广泛的应用，解决了各种弹性储能的需要，发挥着其应有
; y. o5 k) k( N& x$ U6 k& m的作用。
. S/ G/ b1 s7 w$ w+ }& K) B — 在模具工业中，一直大量使用着弹性元件。这些年来，模具技5 e$ [( M' K$ R, @. ]+ I& S
术和模具制造水平有了很大的发展和提高，工业产品对模具的需求量+ Z, }, h% b' x
越来越大，模具朝着精密、复杂、高效、长寿命的方向迅速发展，而
0 F; ?. l$ e4 K: b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， % |2 I- R7 T9 `2 M" T
不能理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
4 \3 o$ a8 Y, Y- m# R9 _ J设计变得比较复杂，影响模具在压力机上更换的时间；同时常规弹性! }6 Z! l: Z3 T d% L9 Y% ?
元件占有的模具空间太大，增大了模具制造的成本。例如：弹簧、橡
# S& X% s* J4 E) y: s$ |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
% j$ d( C5 o. _. J( v7 |力又是随行程加大而明显地增大，这种弹压力不恒定的性能，可能导
; M% j% l2 w% T6 \5 `# j$ R# U致零件不能成形，对拉延压边是很不理想的。对于复杂的拉延成形零8 ~% f. @3 l+ H% |
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决7 }4 d- @, q2 A8 u+ }
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
8 N6 K3 e8 r9 ]: _较大的弯曲、翻边等工艺，也不理想。由此产生的结果是，冲压制件# u; b5 O/ d. I+ i N9 O
的质量不稳定，调整模具费时费力。对于密集型冲头的冲裁工艺，如) L0 g6 i$ g! P/ S' d
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' e% s& J' ^, }# u& Y
皮，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。7 k7 T7 p! e0 v2 z
当前冲压设计人员只能采用气垫来部分弥补这些不足。但是采用压力6 T: `' ]4 E, ~$ e$ H
机气垫时，模具的设计、调整、使用都不很方便；由于气压的波动和2 + E" R6 d4 I& v1 }, C, X
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' G/ ]% j6 s' w5 V
较大；需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2 S0 b5 H' f# e9 D6 W
垫。在使用气垫时，模具设计均要受气垫顶杆位置的限制，模具安装
, W3 i; n: F1 R+ T) R调试也不方便。为此，人们努力开发一种新型的弹性功能部件来替代
+ p( {, W0 v2 A; ^5 t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8 ^7 E8 I6 v% Z/ Q
规弹性元件，完成常规弹性元件难于完成的工作，具有常规弹性元件$ k$ n$ S1 ~( {% I4 A" S5 l7 F
所不具备的性能，能代替常规弹性元件，完成常规弹性元件难于完成
; ]+ G( K' j: {; O1 r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性- g+ _5 c7 k1 @, G- X" H
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，
6 G) P J5 O! n$ j4 V% t2 N6 b方便模具调整；它可以作为独立部件，安装在模具中使用，也可以设! q$ \1 ^% O( O& s5 d* F
计成一种氮气弹簧系统，作为模具的一部分参加工作，可以在系统中
; ^$ x. I2 I# _/ E7 P* v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。
7 ?$ l! V1 v' o7 G7 \* m) a+ c, h氮气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
' _$ I. T! P4 l1 |1 i领域，如汽车、电子、仪表等行业。由此看来，氮气弹簧的用途相当. H0 B& [ g ^8 ~
广泛， 它的出现迎合了时代的要求， 满足了工业发展的需要， 显然，
# {3 \+ g, Q# E这项技术的发展如今正是方兴未艾。
' j. @% J7 v! n二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 8 v' S8 ?- b2 w/ o1 E' ]
1、氮气弹簧设计原理 ' }3 O2 e) `- f
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
! S% ?6 Q6 w' @认为是等温膨胀和压缩过程， 因此必须遵循波义耳一马略特
, Q0 Q4 I% s, |' F( z+ w- @3 O(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
3 \: x1 r) K. s) I3 HPV/T=C， P1×V1=P2×V2
4 \; ^8 `( I- J- D3 a7 I! j应当说明， 除了理论计算之外， 氮气缸的结构设计、密封技术- G; G* N5 T. f
是氮气弹簧成败之关键技术。从目前国内外产品来看，氮气弹簧的结
' B; P8 o- a2 J ]( R, e2 A构一般可分为：活塞式各柱塞式二大类型，采用单腔或复腔的气室结
% \+ d1 E7 ?2 J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$ l: A9 ~0 Q$ G& G, p/ C$ `( C0 ?
式和非独立式二大类型。可运动部分和不可运动部分的结构， 充气、
1 A* s; y% X" y: _4 r# }配气结构和形式等的设计均与制造工艺技术相关联，与新材料、新工
0 Y; S _4 w6 v* | N艺、新技术的应用相关联，这些新技术的应用程度，都将直接影响氮
+ y' d3 x% X1 L' r3 / G4 L: k' l* v4 x1 @. `1 c
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， 3 y2 E" n. ^2 t6 J* c8 s) m+ \
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。
) f2 C1 w M/ Y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
* U9 d/ m) d* [% Y/ t7 A杂，高压气体不仅要很好地长期密封，并要在这压力下循环工作，有
, R) v( y' [. } y- J( M* J9 P/ J时其增压比高达1.6-2.0，因此高压气体的长期密封，要比高压液体
- ~4 f5 ]) R2 e6 t9 r' J; n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， # P. Q& c, ?' o3 M7 Q. R( y% S
静密封与动密封的路径、形式，运动付的制造精度、表面粗糙度、表
8 k" j8 g1 i1 f* P" T面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。 / c0 D6 J' ?+ W3 e' M8 \9 m: u
2、氮气弹簧基本性能参数
) W/ `* ]) ]' K6 P7 O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2 u, R9 k6 d+ C3 p) ^) U
环境条件，不同的工艺要求，但就目前我们推荐的氮气弹簧，一般说* J8 N9 d9 s1 I1 P) m
来是在常温下使用，对于高温的环境，应当另作别论。其使用环境是： & h/ v- s8 L( z" |' l* D1 R
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/
, D( F5 z1 i- X) S ?+ S9 q8 `分；备用行程一般设计为3 毫米；能在常温下正常使用。在这种条件+ k0 k2 N2 V7 `* ]( {9 w6 U8 a
下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容： 4 P; ?( R, g! o7 E
(1)充气额定压力巴 1 L! X) m) L# l+ A; q" P" X# y
(2)额定初始弹压力牛顿
% O% o& w* S' r& G5 _(3)有效工作行程毫米 $ ]# G) r5 I2 R) R0 E# p. S/ ]
(4)一次充气寿命米或次 / g3 S) w& V- l3 e. W7 ~
(5)特性曲线与增压比 : ?. K7 a1 H+ ^; M% i4 O9 h
(6)工作环境温度摄氏度
7 D2 p8 z z2 e9 ~& H; f% X(7)外观颜色 1 G0 T6 c. J! M* K+ y* N2 h
(8)结构形式和最大偏载角
# n0 A5 `* ]5 C' J5 ^# r3、氮气弹簧的特点
; J1 ?7 }3 }: L4 t, O氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面： 1 H3 P1 f! u% `4 P `1 R& |
(1)在较小的空间中， 可以产生较大的初始弹压力， 不需要预. n5 a% ?& v! E2 S5 [
紧，传力模块一俟开始与氮气弹簧柱塞接触就具有弹压力。一个氮气
/ G o. r4 K" [1 g; E! n y8 W( Q5 j弹簧可以代替多个弹簧，对于工作行程相同的模具，采用氮气弹簧的 L2 i5 H% M5 b; m
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多； ( [4 \% H+ e6 ?0 _
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: ^' H/ p& B( w0 M2 k& h+ g' p(2)弹压力在整个行程中， 可以基本保持恒定；
! d- j6 A1 T' e3 \( i1 l! O6 P(3)根据不同的冷冲压工序要求， 其弹压力的大小、受力点的
. K5 }" I- R0 r5 a5 }位置可以随时调节，调节准确、方便，在模具设计和调试中，可以很7 U- D+ C( U& N# x
方便实现弹压力的平衡； 6 X$ U3 h- Z; v3 P. I% W8 l0 f
(4)简化模具压力、卸料等结构， 简化模具设计， 缩短模具制
6 U6 B# I1 p+ T- \5 z) Q造周期；
+ y) B/ A2 p, p' K/ E, J(5)提高冲压件质量， 保证冲制件质量稳定， 缩短在压力机上9 f2 c$ k7 b2 {
更换模具时间， 提高劳动生产率， 降低成本；
: X: G: k3 ^& N$ k. s9 y1 [(6)使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、可靠、方便； & }4 D6 f" g4 V3 @
(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。 ! R& e( {+ B3 M2 n( G
三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
: {/ m: }3 q% S2 [ Q1、氮气弹簧弹压力的选择
& f" B5 p5 M* D; t2 R在进行冷冲模具设计中应用氮气弹簧技术时， 第一个碰到的问
* L3 V/ W5 D0 {. g" J题就是弹压力的选择，选择什么型式的氮气弹簧，选择多大力量的氮 u- k$ `5 q% c$ S# J+ N
气弹簧来满足冲压工艺的要求，解决这样的问题，通常需要考虑三个 E; u; L. i. q: |5 n1 S1 Y
方面的问题：
, S3 ]; `' [' J(1)氮气弹簧弹压力大小。 ! m$ ] `$ Q9 J( f P8 _1 a
(2)氮气弹簧的数量。
1 @, E- I) p4 Y, Y# u (3)氮气弹簧的增压比。 " ^* W V6 ~5 N# k7 C: y: x% c/ n
2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要
) W6 c: W r9 @求，不同的冲压工序，要求的行程大小都不一样。冲裁分离工序，要4 O) R: }; |8 T& Q
求弹压力大、行程小；拉延工序一般要求行程比较大，作为压边力功
' M {! V. ]# _1 d能的氮气弹簧， 要求氮气弹簧的特性曲线比较平缓， 在拉延过程中， - {2 z# W; W$ A* k
压边力基本上变化不大，也就是弹压力基本保持恒定；对于顶出、卸
" p9 h5 d, g6 g( J. D9 b9 d件，那就要求有足够的力量和行程；在弯曲和翻边工艺中，通常都要/ v* m! l: F8 g) d1 E) p
求起始力大，以便能压住工件，防止工件在弯曲过程中产生侧滑或移2 q- t% b0 D1 e" @" f) e
动，一般说来行程也要求比较大。不论哪一种情况，氮气弹簧的总高4 `3 P/ ?5 ^6 m1 H
度不要太高，以避免发生不稳定的现象，避免氮气弹簧在模具上安装& s& m* _4 P% _1 a
时， 结构过于复杂， 增加工装费用， 如果将氮气弹簧安装在上模内，
' z3 M$ Z, ~3 D2 ?" N5
* J$ B$ n' J6 Y6 Q8 q7 q无论是顶件板或是压边圈，都必须留有间隙，以确保氮气弹簧平稳地
8 T" n& K; `) G1 |* W/ z$ L工作；有时为了安全起见，避免意外的情况发生，在设计选用氮气弹; n& r: ?9 }" [+ R _# `
簧时还考虑加大3-5 毫米安全行程， 从而保证氮气长久正常地工作。5 N% `% H! F6 O5 d
. f- j+ [* e) A) E. ]
3、氮气弹簧结构形式的选择
1 ~3 U& S( E( z' o6 w0 ]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
: \8 X4 m( {( s8 m B! d形式。有以下几种形式可以供选择：独立式氮气弹簧、氮气弹簧座板 k" y& P* o% N7 ^
式、管路连接式等。这些基本的结构形式都有各自的特点和一定的应* s" ?+ i1 }, X0 |2 k+ |- b# G
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、
% T& I' @3 q7 |" d! H6 r工作环境、工作条件、模具的成本和调整维修方便等因素，综合考虑
t) V: R. i- Y' B; D: D选择。 ) ] A$ t. _, `9 X" k
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
' n3 s! ?5 B) D2 d U& m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
# X# \9 b+ |0 x8 L束该项技术的应用范围，才能充分发挥其作用，从而得到理想的效果。
2 U- _/ E% d+ Y0 ~# _) z6 s (1)氮气弹簧特性曲线的选择 5 R' M# Z2 I7 H0 c0 s9 V( v, ?
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
& ^2 e+ L/ C" n @' o5 {9 Q! u气弹簧技术时，要适应其工艺需要。例如在整个工作行程中要求弹压
: P& R8 ?: w* o; x5 Q力基本保持恒定，这一点应当说仅仅对于拉延压边作用而言，对于其; b6 k* C" H8 B z
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5 @. O- u- o9 X+ x' t$ j
响不是很大。但是从经济角度说，就有比较大的影响，因为各个工厂2 T. Q+ |0 s& g7 @+ w5 L% ]3 }& l
生产的氮气弹簧价格，是与其性能相关的，同样的弹压力，采用力量# u; x& H/ r1 o0 c$ l
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行程越长$ w) b& Y1 [7 L
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
# g' M0 g |( s7 [- `; q入的费用相对于其他弹性元件要高，如果不充分考虑其经济性，盲目
- Z- j# i- T0 C选择高性能的氮气弹簧， 必将影响模具成本的提高， 且也无比必要。; D- A4 D4 j9 p+ `. z8 M
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，从而
6 o9 g! f2 n8 T Z8 O获得最佳的性价和最好的经济效益。
( ^7 ~9 X+ n' O z- w(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡， |0 Y: K7 R" N+ y- k0 M& e
选择应用氮气弹簧往往不止一个，那么，着力点的布置等都需要围绕 |
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发表于 2008-5-24 22:16:04
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