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氮气弹簧在模具中的应用 & }$ X+ f+ y* o8 r; t
一、国内外氮气弹簧发展概况 " l0 F8 F2 e* F, ^
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8 B8 P8 Q1 I! i; d0 X' m
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* V# A X( T" U6 V, P i6 N" e0 N
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
+ l1 Q+ u9 X' u" m称氮气缸弹压装置， 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、
4 q9 T0 g/ Z2 c" A5 I1 p“ GasSpring” )。 , g' q; ~& M7 R( w# i; N: e
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, b9 w9 e, @ ` U* ^! h
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! ?) Z6 D4 V. ~
的作用。 3 X4 v1 p8 @+ U4 A6 R2 v/ I
— 在模具工业中，一直大量使用着弹性元件。这些年来，模具技
% F8 m# ]+ O2 r9 H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
! D8 K: V$ R3 x) Q. P$ n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
W0 C: J& W1 Z) j5 ~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， - h2 { g- _% g- z# [* U
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
. B6 R/ \3 n) q- q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3 S4 S& k/ @7 |0 F
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- P$ s9 a& K; v v2 i4 T
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 ]5 I: Y* A: w2 |$ v
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, h7 X) N' t0 Z3 ?- g1 S
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
4 F! P0 f5 O; r. Q/ F1 w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
/ c4 F/ `# u% h; 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$ f( ]4 @) P7 f5 }
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
9 E q7 T$ B$ b% b# u g. 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4 b b1 g q+ v) ~! h# K
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
9 E* N; R C+ G3 x) T2 ^0 r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。
/ `3 y2 W% q' d7 c6 t, F6 v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
2 j8 M1 |+ M, M5 E, L- X9 G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
: f/ f/ M- i- [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
9 j& F$ V' n+ U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
R" r! ~5 Y8 R& u& Y& O5 Q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9 y) X$ k0 K: h2 R' g
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
& d/ S; [: P1 C( i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4 P3 P3 K& @- x9 x4 C+ a
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' }% t2 d( F% p
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
, S6 x1 U2 j' B, E& ]( V: \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$ n; a1 t+ c c
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，
9 I* z+ C" r0 k8 \0 Y5 z2 P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
5 m0 }; R! @! d1 j0 m& T# t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( \7 o, S/ O5 A3 L2 @5 X t
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。. A) c" i) q) t
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& E% T0 d- e- x5 t
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# t* {0 G9 r6 K: e U, r
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， ! K5 J& x( s& ~* C
这项技术的发展如今正是方兴未艾。
0 w2 }9 L3 K, m* b$ g5 _+ t7 [ L; A二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 9 t& B% q) h* S' f
1、氮气弹簧设计原理 7 n1 ]; W. x4 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. I9 X" X( G6 g; f
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
' b& y1 s7 E" R0 u! _; Y(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 " a- W/ |9 W. x
PV/T=C， P1×V1=P2×V2 ) g6 b& \; {6 |
应当说明， 除了理论计算之外， 氮气缸的结构设计、密封技术
! o% z8 X, S A% W2 m! p7 w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; V5 N/ q7 t: L( t$ S5 q9 u
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
- g4 Q+ _- \$ O+ y4 D) }+ r' I+ Z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
$ H* ]# L* o% ]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、" f0 i3 k6 Z3 }+ r! r& V
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
) d0 A. S: ?% L+ y6 @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! H; i5 z6 U" Q4 D" w" c% @ {0 B
3 1 v# ~4 o) L* \2 W
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，
7 i' R0 x" V' S, d t* W# L8 G$ Z氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。
' d z' |" C7 W2 }; }/ O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6 U+ o2 B2 m; E/ N
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: {8 M+ L+ h! s/ ^
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& n. j/ z5 K! V0 M
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， ! a b3 v" N, v8 T
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
7 d; m& t$ O2 Z( }5 Z面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。 , J* C6 Q1 {2 C, C
2、氮气弹簧基本性能参数
' x% V3 E _# U; |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
0 M }: N2 R# w. y. 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) ]5 U5 E5 {* g% t
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： ) B' S$ Z. o4 W2 i4 M/ N
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/ ! { G* D, L: a9 V
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
! b4 u0 x8 p9 X9 C5 S: N" Y( ^8 Z8 p下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容：
, |' f3 ^! i' _& _(1)充气额定压力巴
2 f& u+ X# C7 J S% g8 w(2)额定初始弹压力牛顿
! K1 n) {; `! f1 ~: w6 k(3)有效工作行程毫米 % }) W0 E2 S1 |/ E& f7 w1 r8 Z
(4)一次充气寿命米或次 + a+ u4 g- w( e6 ]0 A9 ~- U: P
(5)特性曲线与增压比
* n; s% I6 x8 f' {$ I' d- g' U(6)工作环境温度摄氏度
* K o" Q3 V& X3 ~8 s, h(7)外观颜色 5 F. {$ d+ k7 i' i4 l2 {1 b: F
(8)结构形式和最大偏载角
+ a9 I" I+ T/ T# p' x3、氮气弹簧的特点
( a7 R/ W4 b/ Y: G8 ^$ Y氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面：
3 \9 V- _. t, q# F- Z(1)在较小的空间中， 可以产生较大的初始弹压力， 不需要预
( K) I! [( U3 D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. M: T' {" H6 [* L
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2 w- i( Z7 Z4 b2 x3 p5 R7 {! h2 B# e
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多；
* ?" G5 G$ b! {# A" F+ N! n4
7 k% i7 `# s8 S/ k7 S* X# S. S(2)弹压力在整个行程中， 可以基本保持恒定；
) }8 Z! z+ n: X1 ~( _: J(3)根据不同的冷冲压工序要求， 其弹压力的大小、受力点的1 I% _, I' l; ] G' d E% u
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( g: Z5 O% `! J V" G4 p
方便实现弹压力的平衡；
7 X7 T+ ~1 a$ ~(4)简化模具压力、卸料等结构， 简化模具设计， 缩短模具制. V0 `! _, Q) b3 F# g! n5 T; t6 | Q: A
造周期； $ b$ D! w( ~# ^& m: s5 y
(5)提高冲压件质量， 保证冲制件质量稳定， 缩短在压力机上4 |; ~4 S9 u4 \2 A" H# R! [* [
更换模具时间， 提高劳动生产率， 降低成本； 2 R+ M0 ? N8 D; Z" }( r+ w( @
(6)使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、可靠、方便； ! h" y) ]6 j+ V& ?) o2 o+ v& c
(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
Y2 @- i0 G! w三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
( K: I* `: ^! ^$ q0 s* m0 ?1、氮气弹簧弹压力的选择
6 q/ `" ` x3 a- i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
- W, J# p9 e, p g4 a) _8 a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
! `1 P8 s# i2 h7 B% V/ y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
1 Q9 ?$ R4 U1 w+ ?8 U2 T方面的问题：
, @8 H. h% m! F* A( p9 b( T- l; s(1)氮气弹簧弹压力大小。 ; \3 \3 h' r+ E" k8 F
(2)氮气弹簧的数量。
9 G3 A7 i: s W/ W (3)氮气弹簧的增压比。 3 e) @' p% n$ b' Z
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
- t8 S5 p1 ]8 `; C& P* D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2 v# n; P. z8 P0 A9 G
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
7 ^$ r2 ~# F" n7 I7 P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， ! W% L; M6 j3 e
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0 q: ^8 K; U( W' S$ p o: _
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; B+ k- k9 R% E% S1 o
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
; h+ j2 l2 Q, {. ]3 S$ `8 j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0 C" b0 A7 i' m1 X
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( L: q/ Q3 [. N# D
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，- D+ n) _( ^+ r' p" S
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& z9 S0 E8 k$ A- t0 _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4 Y1 i4 U( G+ ^2 R3 p
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1 s5 i* ]; p9 ?; ]' E( `
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。% n8 ^2 n' w8 I- _* b0 m, n
: T" D* e$ t( G8 v. |3、氮气弹簧结构形式的选择
; y' F; T, r5 _& N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 K$ I( k( W+ A& `) f- n/ O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7 b$ e$ x" ?, E3 W
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 }, Y; U) \# H
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、 ^, X# }: ~' i9 ^- z
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
2 X. D+ w4 g) P8 C- D5 n) f9 v选择。 6 d- j+ U2 R! P" @9 ^
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 $ B7 P) Y2 i8 X; C* D
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
7 S" E2 \2 N* T* H! Z! O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。 # Q. \0 c+ ~3 ~6 V5 d. I
(1)氮气弹簧特性曲线的选择 + a& K L% {( l# y
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
3 {$ x; K: B$ U& T L& T. n4 n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
* A# O7 P" }$ s, K `/ D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' q2 y9 b: n- n" r; S9 K& `, M8 ]5 ^
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# d* s( X5 r: }! B* a
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: D/ U8 A" M/ `# ^, K
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; i3 D# _, x2 @ x: I
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1 {7 W$ j3 z. h* d5 ~3 b: t
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
4 H4 X4 x4 ^* a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
d* }: G- M2 f& {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。8 Y6 p2 I( M5 K$ X9 j& s
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2 j, a3 a/ E' f* h* V) {' m, v' l
获得最佳的性价和最好的经济效益。 ) I% M8 @* c* B2 b/ T1 b% ~0 d6 Q+ T% L
(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡， " I8 F5 {- V+ i/ f
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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