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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
2 p1 V- A, l5 X6 \- q   
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( H* f. o% h* p& H7 b
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
# k+ K" ]9 F7 S. @' b
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
2 e; q9 A1 y6 `$ I$ C! ?" {  
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, : c, B6 B/ k& @2 {# z3 j  F
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 1 V: d: @$ }* E
* t5 r0 }$ ~) {

, |- w5 d' _% A% I! `) ~% f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
3 ]1 O$ Z( f$ h' B4 k. {5 p
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 i( o6 p' `4 |( h  g
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
; d; k- l, @5 q1 I4 M$ @
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
: b. t. x  F: q: ~9 `. s1 i: f. \
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 % F1 d  |- h; f7 x
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
) ~1 {! [' T# ^. V  F
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
+ j7 ?/ P8 b3 f1 X
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
/ S8 Q/ ]# O; ]0 g0 v% {
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 - ~0 B' D* c9 O  J7 K! V
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
4 d; O1 X5 ^7 S% U- 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,
5 f: `; V+ d& {! E- N# p! f( w
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 3 y% I  [' _+ @& X
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
" D2 f- Z1 F: P! u2 ~
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 / y& Z2 s5 p/ Q$ z8 K+ j9 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 2 E5 E2 S: ?4 \/ ~
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 , _1 e1 n( |8 Q3 F, s
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 0 [4 V1 z/ g+ w7 T
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 V) E$ m% ?) \- M( ^5 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
$ O9 R% I6 q& ]$ @) x, e
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
0 L+ Y9 Q  r+ g
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
/ A& V3 h9 D# c6 N% L. e" n
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 0 _! n' Z0 W" \; Q, @1 M; N
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
  K% v6 p1 a& {# Y+ g
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 ; G. {1 K. D1 I+ \, j( R, ^
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 ' m, [8 H% t' W3 A! r: U5 I, l

+ @/ `7 U) M8 X3 [1 H3 I  V) u6 E* S% F/ r/ d2 `5 m
[ 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 3 Q) Y! E" o4 q; {( r( I9 B2 ^* F
    1、氮气弹簧设计原理
# E. l# A/ i& o! V, u    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,
" R" r! H9 Y, G因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
- ^6 ~3 K4 K9 @9 s, B     V/T=C,P1×V1=P2×V2 9 X+ Z$ b: M! G- \+ N* x2 k; R1 L4 u& @
    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。 ' m6 h7 Q2 ?/ w- m+ i7 ~
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 6 e; z" @0 A; z3 j  ?1 p/ y
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 / J8 G; g$ E( K0 {8 ~' u" E2 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 $ ]% k2 B% `/ t; P0 O( R
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
  A. ~& M& l. Z7 O& Q; K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
, b. P% c% N1 [/ [) m综合各项新技术应用的产品。 1 I% i+ z+ |/ |. w
    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
7 K# m) G2 \6 B. b: G* E# `7 j; G) E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,   H" y7 e* \) l! G" W( A
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 6 x% j. W6 X5 B
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
4 m! Q% A( D# y, ?  K! {封可靠性与寿命等。 ) u& l) G1 a9 z- x0 @! O. \+ v* I
    2、氮气弹簧基本性能参数 + s7 l# ?2 c3 z! @9 m( n8 Y# G6 T- Y
    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,
* o* _9 b* v, \& u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。
* P. I# o  B% 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
- P$ t$ Y. O& B4 s7 a' m' D+ _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
& p- b; l) z) `6 K, ]/ l以下几项内容:
+ o1 ]2 {7 N- Y, v# @0 l$ C8 ~     (1)充气额定压力巴 . K0 U; L1 E1 d# V7 k+ g
     (2)额定初始弹压力牛顿 # ?+ z3 m$ J+ u6 N6 G* T+ \0 ^
     (3)有效工作行程毫米 * Y; z, x9 T7 N
     (4)一次充气寿命米或次
7 v9 N2 o* D3 l, S     (5)特性曲线与增压比   ]2 f% Q# V9 j- B; Y
     (6)工作环境温度摄氏度
9 s2 w6 x3 Z) Y0 C2 K! T0 B     (7)外观颜色 ) M" c/ k" C; ~6 A7 t: E
     (8)结构形式和最大偏载角 4 c( Z" |& k7 T1 c$ X
3、氮气弹簧结构形式的选择 : M" h' M5 H9 s1 D
    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
. D4 v/ I6 J, C9 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
" G) j  l0 y' K9 P- V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
( N: m( C( p$ Y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。
& Y" ?- H& ]) f. @+ L  |
5 |' E8 ^6 w1 f( H; i, s& Z) n
[ 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 ) Q9 @) c/ m% p! ^% H) J; p& S
    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
. R% e' r4 \4 D能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
: ]' c& Z. }: L$ w& J  \  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 4 n7 K5 S2 }( d& {% l, c+ `4 D
    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   T$ o3 [$ ^# G) w& i! g; ]) F4 \
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 t' p/ d: M5 t" Z, q( i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
8 D6 F# `' S7 ]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
" O4 B" f, \; F2 x* l1 p7 ^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
- s% U& b$ ~- U! M. w0 q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
. g5 b9 Z) j( X0 {' R0 {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
2 r& ?7 o" t$ _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
% G2 u% a- x/ J; u$ b8 s. n8 n而获得最佳的性价和最好的经济效益。
2 [" Z6 ^& ?: t% _/ g; M  n3 Q) m& [, d     (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
4 U  q- y) r" v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 ( L3 K; V- p/ d# `% |# v$ g
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 . ?( B7 V& `0 w$ P5 K& i+ ^
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
4 N4 p! @; _' a+ A" J! B& y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,
$ {% o. g' P  G+ _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 / T# y  a& Z, T
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 2 e) L0 u# i$ M+ D/ g
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。
" v0 {9 X) c$ J     (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 ! o% e- f! F! |* z0 g9 _/ g
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
/ {* B9 b' \6 J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 - u) d: y( G2 ^. |. ?
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
' q. L7 p- I6 M9 V: R& s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 $ r, C. S/ }# K5 p
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
- [9 t4 y8 d: R6 U其正位,避免发生偏斜。 & j! ^! Y  b* {; i9 |
     (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 % v& e) z7 o! w2 l  d2 @
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,
* ^4 F# s4 J, j8 v6 G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
" N, |8 G$ ~0 A6 E  A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,
( E+ _. H. P" U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 9 G, ?9 u  j, _1 e0 }- s
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
$ e! @+ k9 g' `2 G/ j, ^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。
8 n+ I1 F+ c& G* U9 `$ D四、氮气弹簧应用实例
# b/ m0 E" O/ i2 H" N5 X" k$ I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 e4 D: S0 r( c) I1 r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
# T. o1 \- N( A0 |% Y% {1 L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。
; F8 h# I) R& x3 J; r  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 . \9 H( ^, h- i: Y' Z' 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。 * }: Y. m  q; u. s+ 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 $ I- C' S. G" u. F# |
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。   m% m, O7 i+ X  k' a
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, 4 N8 L4 T  A% b+ y6 d0 F& N5 Q' S
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
- k) V$ w& }# Y* @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 7 R# i# E' _- I1 H& t4 r
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 " \1 U; M7 U6 Y7 w6 `: r
簧系统是可行的。 & }& m+ X, l2 k) j7 Z# D
    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
6 E: }1 h7 m( k/ u- r  G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 0 h3 X- Q8 X: ]- s
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
; C% U1 W3 b! r" }% 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
$ h  z3 h& f# _% i  ~% D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
  N& Y( A& d) ?4 Y. {2 |( E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, 1 J! J3 ]: k& e8 }+ P4 z- C
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 * J% w( O' [" L6 ?* r
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
/ ~; f$ S* 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 ) b) u# D4 E! J: m0 X% 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 0 U# E3 H$ l. [# A1 b3 t
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 % D/ G8 f+ P1 e. i" G1 e
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 p. M' R3 u2 D8 o3 y( J
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
# r3 e7 [+ S! q+ l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 ) b1 Z$ D" l- a0 P. i
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
" e% ?: a4 n2 Z7 \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。 4 n" s! J8 a2 e0 @5 j, p4 r3 Z
    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
8 K) c; M$ b6 @/ N! ~3 `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 " T2 l3 o, Y# n
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 ' L& \1 U9 ?4 z# p: a9 Z. T) x
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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