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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
' L" x* F1 p& l7 n   
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 X+ }% i" Z: y9 x/ ^( E
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
& N5 R9 l) A- W, u6 m" W- O: P
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) % G; @' F9 l8 ]/ l( I/ n; i/ O
  
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 `+ R4 ]5 @0 O% @( w3 T! t4 p+ N
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
* K! W1 L( K5 V8 O, @/ Z  f* I( C8 v$ g- S! V; d2 x
  b) M4 w- W$ H9 ^! h
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 6 s  q. |" J" {& ~) B2 V: f
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
& a& }& r7 }: Z& F0 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
9 M7 W9 E& l0 V- g( i% l1 R( 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
8 e8 @0 n4 N9 n, C) T& g, U6 ?, [
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 ; {/ z' p( ~/ t7 {: H
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 % t& A; x* Y4 C; W) N- M, ^
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
# H% o) R8 F9 g) V6 c
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 2 _: e( N2 Z8 C9 G' s9 g6 p6 i
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 ; W* w% U; p+ x8 Q
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 0 @9 O2 j  s/ B, M
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,
! N6 @( j4 N5 q1 F0 A
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 $ ~0 [2 `, v5 _; i1 t0 M5 G/ t
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
% P& z% m. I4 }/ j1 u% n! i- U
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 b/ F5 d3 |6 A
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 % \9 P* @# }' b$ [! K. Y2 q
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
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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 m+ ]4 B+ d9 s( K+ a0 h8 p; x' ?9 o  I
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, / f' C. y! P( X2 \( g0 i0 B
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 # V. b, `2 P0 ]: g2 b( h4 o1 L
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
- g" k7 l+ W& [: M7 N
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
6 a# y% j) M% w. o8 f
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 + I0 u4 X. o; v4 M
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
2 T. }+ Q: O, o, }0 ]
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
4 m1 N0 h' o% n
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。
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, P: _% \; {' S9 U; X8 q( B5 @+ a[ 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
1 }* |+ e( n* i7 ]. _. v; u    1、氮气弹簧设计原理
5 J. ^( x! b1 j    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,
( j7 \4 w' l4 O' [( r' O% V1 Q因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
2 j- L" _" @; _, S     V/T=C,P1×V1=P2×V2
/ N: A! r* X$ j1 M$ {, n0 O, W: {3 f    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。
, \* g/ t: E) s6 b5 Y: V3 B0 [7 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
# n+ X$ ?! H/ ^  I& t/ |$ g* X: w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
7 z( M7 J" p- p0 V6 i6 _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
' q2 M: E4 Q. P7 U  G- o$ H+ ?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 ) w0 n0 m1 `9 j% u. v/ Y' e
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 * V& k* \9 R! E. z6 H1 ]
综合各项新技术应用的产品。
* n; e  I+ h7 a$ x0 J    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 - g+ [/ |/ \! x5 S2 M
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, 2 e" z5 R* G& D  }% F+ @% A$ q
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
- _3 {) h( j+ _' U/ R/ B) G0 N6 w3 j/ 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
# D# u5 A6 g. n+ o封可靠性与寿命等。
! H9 r9 {) g" Z, A1 a8 h3 x$ D( }    2、氮气弹簧基本性能参数
! ~' s: [6 L0 M7 t# S: c" K7 ?$ Q% |" E/ w    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, ) b- N2 }- K, M5 i5 ~! h8 b, B3 N- B/ @
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。
( _$ O2 t, ~6 F, A1 {5 E; m0 W! e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
! ], P0 \+ ]& t" 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
2 F  `/ r( y1 ?0 e$ T以下几项内容:
: v( |" \# G  v     (1)充气额定压力巴 # g' p' Z% Y7 n1 T% o
     (2)额定初始弹压力牛顿
% U' c5 b9 G/ F# l# B  O     (3)有效工作行程毫米 : b) m" |4 x. [2 B% V$ b$ B/ A
     (4)一次充气寿命米或次 + G. L: p9 P& t) Q4 A# H
     (5)特性曲线与增压比
; e& b0 N. I# }$ o6 e: d7 d% H5 m     (6)工作环境温度摄氏度
* M. \2 l- J: v' v( h1 q5 ^" U7 Q     (7)外观颜色 % G6 l% [1 a, E2 l# D  R& L% R/ r, s
     (8)结构形式和最大偏载角 0 f$ n# Z! C, a' a# J# i, p6 k
3、氮气弹簧结构形式的选择
6 t+ k3 F+ h* 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" h$ `& }0 B7 _! t! ~5 n
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
- B7 s6 o( Q4 G' w( o  V6 X3 ?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
- ]" f4 G% e* y9 ]9 \; F0 ?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。
- X, r3 W+ X2 R1 u& M1 i5 t2 u
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[ 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
+ J+ e0 n. z5 W( }4 ?+ {. B3 ^& D* _    氮气弹簧技术有其自身的特点和一定的使用范围,正确地去约束该项技术的应用范围,才 ' k  ^" f8 E8 z' b& V5 K" j
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
* y9 Z7 ^  U! f4 Q( U  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 % n5 Y5 L5 g" _
    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 , G, e1 j! Y" s3 R/ n- g5 Q- w
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 0 a/ W9 ]+ g- [3 G5 b
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
$ m) t5 ^6 s0 }( Z. m  M& x0 U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
8 a( G* o0 i6 L+ @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
6 U3 G' h6 F4 {  c9 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 0 {5 N! D4 O/ T9 `& A
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 ) j- l5 K3 v! V3 D2 k
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
/ x/ G9 C  S, ]. F而获得最佳的性价和最好的经济效益。
" `0 M3 Y1 c5 ^; T  \- @) G     (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 J9 T5 p$ W( Y4 H+ r0 ]3 ]
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
2 T& C5 O( N, {0 d4 D$ o3 Y4 R" h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
8 o$ Z$ b* v6 d2 T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
8 ^' ^; j4 F3 R1 `, C) M% s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, ! m2 f, V) o& E& 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
. x; H; b$ b- T" v: ^; l/ w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
4 f9 r" h- a# Y- t( K力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。
' l7 O6 c9 D2 r: A/ T. c. k% Y     (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
# k, J' q* }, J5 \( x; ]$ ^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 6 _: ^- k- [. `5 b: X" Z
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
& d2 s, X" b: ~6 O1 x' I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
$ ^% o' ~: M6 g. g$ W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 ; ?( @5 M( E, L; S9 {6 T+ _
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
6 ?# n4 s% z$ L0 T9 `3 A其正位,避免发生偏斜。 * c/ \' F/ }4 O9 ~4 O
     (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
1 {$ S* U# f: W' u- i2 d3 a2 e" v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,
5 ]) s: e# N/ x9 D+ 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
  G! |0 @3 l, E4 I9 a( w  |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, $ l: n" Y! @9 c2 S
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 4 |5 `) f. L4 R4 S) ~4 j/ t
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
$ N) u3 T; S3 l( S2 ?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。
" Z$ k! B0 E3 e/ I8 K7 C! ]0 L四、氮气弹簧应用实例   x2 H0 _- ?. D
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、 / O; K4 k2 \/ A8 m9 A
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
! `( @$ \% s. r5 J6 O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。
! L0 t4 x: x3 n$ L% o  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
2 n8 F  h9 {! I5 M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。
) {' s( d( @( U* c  w7 p    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
/ Y, ?& f2 i! N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。 # H& ~) S- @# Y, R$ s5 F) \( j" M
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, 1 K6 Z0 p% i! @! N* Y" Z" x
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 4 ~. [3 q4 m1 s, P
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 _# T: g% t' D# Q9 ^
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 & M! }. a; N1 w
簧系统是可行的。
- I( C  f, }3 k$ S9 i. |% z* B/ z4 X  f' H    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 3 X1 u: y0 g3 H
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 # ?/ r  ?# V0 j" p" |3 m6 @
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
5 u: U. w( Q) c+ q" K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 ; N7 b# l; `& \
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
1 g- w+ M7 V) w7 S8 O) A: E. G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, , f/ |. \% |+ ]; [5 e% `# \/ X0 n: K
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
  t- C- Z) j( }6 i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
5 r( u  c6 ]4 r( m0 v6 V( {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
, c% c: J8 [: i0 k& R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
1 v% u1 j6 J- Y" `' @- 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
; A' H  v, d" ~+ }9 e0 t3 y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
0 m! [3 _  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 5 Z9 Q0 Q" X) H  ~
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 " [/ z. m% @) p+ M  y4 p) h" P4 f
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
, `; c% U* x0 Z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。
8 X1 _4 N) T- Q7 b+ V    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
; b  s/ t/ h3 W' v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 N0 J6 {4 B7 Q
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! Q7 e4 g8 A& P
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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