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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6 r! j  l2 u- G' p( z
   
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
6 j+ B( v4 `* O2 v
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
# G+ ~! F% h' ?. l" f  n9 r
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
) J& }& F$ [, E. `; z  
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, 1 z0 `3 k' w5 {7 `" I8 [+ K1 ^
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 0 ?6 i7 Z, {  {6 U" O5 c/ [" Q+ W

8 l2 ]& K1 S& U: G- ?5 w

  ^& t* [" o: w* I+ a( L& b在模具工业中,一直大量使用着弹性元件。这些年来,模具技术和模具制造水平有了很
  N: ~- n1 |5 L) ]( ?6 Q+ g
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
! B$ L: K) n  d& @
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 ; X$ {2 O9 b& {5 Q
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 * R/ P' [+ |$ s: W7 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 9 ^( s, V3 u+ N3 D2 t0 z
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
( ~. u4 m* X  E1 s+ ]. P, g0 R
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   q+ B# e& V3 o2 o2 S# @! \0 s2 g
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
' m) h  m/ Z1 b& d
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 / y. E0 m2 z. U* p
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 / b4 I  m; k; Z7 {9 u/ ?/ d( C0 Q7 o
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,
7 n2 L. c2 c+ k* e9 B& v
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
4 x% e& P/ H' `, U, U
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 0 ]" C% {" ]6 S' |6 ^7 [: w
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 1 T' K$ }# y  ]# ^; O3 V. Q
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 , A9 w, e( F& }  T& t
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 ! w3 b& s3 A- i9 H2 {
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 H3 ^+ N8 M& F' a$ X
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, 2 `6 E( B0 [* _1 {6 @- m& a
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 S0 I9 F8 u6 ]
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
# y$ M# q: |1 A* Z! t
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 / V  v: l; y* Q- [8 Q/ n7 ?
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
1 k: L+ D' E/ Q% z: t% g
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
+ m. u+ s% }+ p4 X1 V9 h3 R
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 * E) U( m* _" G# y0 s- L- D
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 : y4 g4 R: C3 v% I6 U" I3 M# h

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[ 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 8 r& _8 A, x: O# b: U# ?
    1、氮气弹簧设计原理 % T1 J* A" W, w" e9 S
    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,
% i6 w( |$ I5 v8 y! s4 `因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 / [& t, @- V2 `. G. G
     V/T=C,P1×V1=P2×V2 7 d3 c+ y) U3 ~  D
    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。
5 X4 [% A; {% e4 Z' G) f! p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 : x& z. R8 F6 }6 _
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
' o# R' y  I6 i# E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 7 a% y, G! c7 Y6 }9 k9 q- @
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 3 Y' Z3 v! n! p9 N* }
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
. }/ g1 c+ s5 v% ?5 @* K- l综合各项新技术应用的产品。 3 @$ k$ ]$ z5 {
    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
0 g" [/ y$ D4 F; p* o' A7 x, I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, 6 ?6 w5 |" F8 W9 T+ l
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 $ J/ C  t; H2 k. ?, {& C
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
7 V$ {' k/ q7 {: w' [1 w封可靠性与寿命等。 $ O/ E/ }8 F% }  z$ Y7 ?- S% R
    2、氮气弹簧基本性能参数
: a% F9 d+ R9 `    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, , y. n/ k- B: G' J
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。 6 J$ e6 P; O/ q7 H! [
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 3 A! r, M; |1 ~2 X
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
) j4 _8 r* S3 Q. u$ t以下几项内容: $ L+ z0 p2 I4 s; ^$ R: c
     (1)充气额定压力巴
7 t; Z1 O* _1 t& y  A# S     (2)额定初始弹压力牛顿
8 i( c3 f, j, N5 p0 o# x     (3)有效工作行程毫米   M4 W0 N4 K2 {! f! X9 I
     (4)一次充气寿命米或次
7 |1 j; s2 Q) V0 x; ^% E# g     (5)特性曲线与增压比
6 Q% B) ]! A; E: I/ C     (6)工作环境温度摄氏度 3 D) s$ B  o8 Q$ b' s. ]) c0 i
     (7)外观颜色
, Y: I# F) n6 R# w     (8)结构形式和最大偏载角
/ N7 a# [5 Q3 i( T3、氮气弹簧结构形式的选择
7 A8 F. M( f. z* b* [    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 ' r/ Z- M# E# t
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 7 @# L2 s! T- x
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
1 Q5 m- g! {5 a0 X" m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。
+ n9 B( a$ r3 U: m# S
6 e+ Y8 A( T/ }: H  F, }* l
[ 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
* D" Y5 V2 ?- s4 B( P* \% ?    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
$ ]: h2 J$ V9 C. e. i4 r能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
' c" S5 @* C/ e& d( E( W9 {  (1)氮气弹簧特性曲线的选择
+ r- z2 t$ M+ F8 R8 v( d4 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 . _4 n# e; M( L; B% n( b
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 3 M$ O6 k  l& G; Z# r, E$ ^6 I1 g
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
; c+ n8 T; r4 h9 l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 * \: E* Q4 N& g5 a2 D1 |8 t
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
* p$ k. w: }1 j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
- _: _- f4 r; h, ]3 o0 O" N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
, |9 d- k, W, u- `; _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: I9 ~) d: Q* d1 H
而获得最佳的性价和最好的经济效益。 4 j6 L" w( }2 h. H- G0 L* n
     (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 1 }( D2 `: M0 ~- b6 ?2 m( 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 * P9 H$ _! x) {4 D
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
3 I2 @2 D& R- ]4 L* 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
/ p+ j, W; p+ r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, ; d# N8 Q8 k! h
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
+ y, I! |* \8 X4 V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 + y/ U" ^' O: |3 f: q
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 6 G( K5 @) `- h% }) D- h7 m$ v1 X
     (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
# c( O( D% `7 z5 U+ o5 E8 Y8 Q2 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 U7 G+ ]0 T* w# r* M* W* }
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 3 k5 A$ c3 c; S9 w& K4 F4 {6 s
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 % ]# V2 A/ u0 P6 J, Q' V
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 2 j6 ]9 S" X9 [- `3 W( B; j
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
% a1 G/ D3 _( L% h8 g' B其正位,避免发生偏斜。
1 b$ j: L2 I. ?; ?8 a+ p     (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
8 q/ r7 N; i5 }2 _' {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, - n# ?9 K" t* v
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
, e- [% m& i8 H! ^9 j5 F9 ]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,   [2 o, ^9 z" h& i  c- }; o3 a& i( v- 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 2 N( [# z% d& q* t8 e
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 * p& a# a! s2 Z% H
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。 & S% N% y) Z/ S' n8 `3 u
四、氮气弹簧应用实例 / A* [5 x" b& v- ?
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、
9 [7 s/ I, r# O9 d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
' _2 z# X' U) d' Y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。
+ m! S2 {% h; B$ o, ~1 b& C" B( Q  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 7 J& \! p9 t) k
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。
& H4 q- I7 U+ I6 D* m5 r    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 4 K0 A1 t* l$ K. h
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。 $ q" ?  j, w5 K* [
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, 2 ?/ W2 C+ k% o' ?& N8 [8 d2 I
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 L( u7 F' C4 H6 S. p6 ]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 1 Z% K; V7 `+ J, U# |* z
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 - a: Q! S' v% a. S( i5 {* m! K
簧系统是可行的。
( M- N7 D' L. c9 F. f- F& `9 g0 j    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
- ^! W5 n6 q5 a4 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 3 T( R  t4 I" P. o! n+ C* R
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 ! z$ l/ ]! e0 z1 M5 w* ~3 t
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 5 ]6 ]: ^8 d" t" E
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 , e3 {+ D, y( t0 s" k8 d) ]8 f
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,
! t' ]4 ^/ i3 y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
; l  s/ \: d. m4 A; z) o( a: W1 h+ G8 ^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 % ^8 l7 B% z& f  a. X3 J
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 ) L, [! j: L8 o, t
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 4 W  Y. n( F9 ~1 l1 [7 @
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 : l6 k! v. p1 D
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 + a3 P% b, q+ P: j+ b) d
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 ( }/ a% A. Z5 q8 y0 _
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 : p* ]% H1 V3 H
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 3 w$ i* k9 |6 R: q4 w) G
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。 & \% G- ^9 h( Y4 x7 f. }* s* E% f
    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
4 L: L3 `' \0 w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 & }9 c( l- w. I# K. W8 U1 o5 b
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 * U9 v2 c' s) Z( S
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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