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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, p+ b3 D' ]0 X$ B
   
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
+ D0 v  }" B; K# x  y" J
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
; H# ^' Q$ \; ^& l3 Y* ?8 [& Z* T
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
4 [  t5 e+ P  q; r  
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,
+ [( d0 C. }$ K, _6 p: g( X
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
# r4 R1 k: w( d3 {+ C" V4 [: i9 {! n( n) w# `2 }; m

, }# T4 R- B( W5 a& P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
/ C4 M' l2 r, V. h4 x
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 ) n$ ~: B6 E. V
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 1 J( @. |3 H0 H) O
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 3 ~; E/ z4 x, k+ L9 a' z
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
- p1 Y0 V0 A+ w& @) T9 V/ t4 c
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 & M$ ]+ w& @9 b% W- o% ^4 n4 c
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
( D+ W9 X3 c' M0 |: l$ c0 p  ?
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 % ?, v3 v! W! U8 F
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 + F3 I! w, O3 V& w, ^4 Q" r4 H
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 ! z7 P0 A4 Q5 e2 Q6 y. l
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, ( g5 c, H  }2 V6 V, d: T% e
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 v/ Y1 C3 c) p) a: ~9 v& 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 1 T' r8 P& C, _# u/ N, [3 J, k' S
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 : x; f0 ]1 S& g: g* m3 L
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
1 ^6 Q3 ^0 _: m/ i2 D( M* E
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
2 f. o: V4 i/ Q9 A
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 6 c& X! A4 f7 C. {4 [0 t2 f
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,
) q* P( d: u& E+ P% X
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 , P1 D; q. p# K
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
, X/ W9 i) E0 u# O3 |
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
+ h/ j/ C& n. Q; A' g; d
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 % J2 z2 Y2 a' f% y
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
9 ^6 F. }- ]: o) T$ i+ f; i4 q
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 9 H9 \3 w# \% a) f; v
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。
& I( h# Y$ p/ j
# x; O+ x) `8 P$ h5 j+ x) q
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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
0 p7 T8 q* D- R. l0 k( D$ v    1、氮气弹簧设计原理
$ j( j8 ~5 y: }8 j4 F    采用氮气作为工作介质的氮气弹簧,它的工作过程,可以近似认为是等温膨胀和压缩过程, . n8 C9 |- y* i
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 9 a9 p/ q4 }& A4 ^4 |/ ^2 I
     V/T=C,P1×V1=P2×V2
2 ?- W5 f+ h* {& M  }- A$ W    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。 0 `. @0 z2 a% k. `
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 ( i& f& g$ s# G7 i; @0 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
1 B. B6 u4 t8 n' X$ p# t3 g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
$ m! o# \5 B$ Q: [1 A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
8 o5 m+ D: u  P' @, V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
: I5 u' G- h! z; c综合各项新技术应用的产品。 ; ?! m, L* o+ h' L+ O' h
    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
; V& L% d7 |& ~% U3 B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, : K4 M, @( k6 j  N( O- U6 c
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. \$ 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
: i8 M8 b# S4 e" i! E封可靠性与寿命等。 3 W0 i" \$ s$ b
    2、氮气弹簧基本性能参数 $ [: N7 y- T3 Q2 q
    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, ) ?- \  c! f. c% I( 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。
$ G% c" f: r7 F3 o) r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 * Q2 z# F" S4 E0 T) E
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 + H$ v) f$ }( ?: F
以下几项内容: & d" F- ^5 x; h, }
     (1)充气额定压力巴
& p9 `9 ]: I: i6 x0 }8 P7 z     (2)额定初始弹压力牛顿 : m5 b$ B3 j! b" C1 K5 T$ e
     (3)有效工作行程毫米
" {% o! ^! u: P! n     (4)一次充气寿命米或次 4 U1 q3 A7 }" G! @% W
     (5)特性曲线与增压比
: R/ s5 J* |2 n! H9 c# Z     (6)工作环境温度摄氏度
6 B4 x) j" Q$ y     (7)外观颜色
0 E4 |7 l" |+ F$ U3 c4 Y% H     (8)结构形式和最大偏载角 " G4 P* T6 F; u3 ?
3、氮气弹簧结构形式的选择
0 f- P$ Z& q1 p+ P* [    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 6 ~% |/ m" h# E& W3 s, |0 l6 I
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
! z, H) I. Q6 x. m$ m+ W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
$ b/ I" I2 b. d# j) [# [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。
" j4 L+ d# q. X+ f6 q) g

& Z. E/ c+ L, x: C/ W[ 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 0 J% V+ M- e% N4 Q' l8 L
    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 - a2 X7 }: c  L2 s0 J) ]
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
/ U; s8 `6 y: Y- u' a  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 1 D4 V) g, x! H/ C5 X: b- k
    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 # B9 l! W8 W1 {8 ~* Q& R4 H4 S$ ?
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 - `8 P6 K# q  n! P& l
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
0 x& ?8 E% C7 q- o7 G/ Q6 b' e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 f& C3 V; x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 # q6 P& d: {; g0 t* _
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
# Z$ x, Y  I7 ]- p/ N8 B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 1 a- B5 Y' h7 x& w$ x& ^; @  _/ D$ n
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 9 G9 }# x; r5 c& S+ E, l8 O$ ?4 s
而获得最佳的性价和最好的经济效益。 7 V9 B1 U' a- I$ R
     (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 V) z# ^# ?) y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 : X# S5 V& F+ v# ]( r
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 + w( W) y3 a5 F0 Z
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 ; v% F' O$ j+ J5 C3 H) Y9 n
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,
  R: ~* Y/ e# T. I6 N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
! B0 S# M& g- F) F- M8 N7 B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 * q, s% p7 [: B  P1 `) Q
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 0 l2 W' l( F) 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
% x9 ?" V0 d# a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 0 {$ Z1 N: n% {( Z+ N1 H/ V. }$ 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
5 E4 {, _5 @# M  [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 ' k3 p! m" U" M# G- E3 R* T" 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 3 i- i4 P$ v+ `$ @
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
( }) N- Y  |* w) ]2 @7 d$ E其正位,避免发生偏斜。 1 l( x7 M* o6 i, B9 f0 g
     (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
# \  g, ~( c7 A' v' M$ P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, ' Q& v9 e! X: V& o8 A' O9 L, u
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
% f4 ]; D& X" H8 p' M3 U( L3 ]! Y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, 7 j- U1 N$ `1 n9 F! A" [
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
" F* y" U+ |+ `+ l6 L4 v0 M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* `( }9 I# I6 F: W! ]8 z, S2 R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。 4 `6 A/ Q1 M6 H" P  E& X! z
四、氮气弹簧应用实例 " k2 L% U3 X! F& _0 F' ?0 f
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、
8 r( w  I8 Y6 t- V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 0 i/ N5 e3 F# f# X  m2 g0 A* q
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。
! x( Z1 C0 J3 z6 |2 s  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 / W+ y/ p2 H; j) H% N3 r
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。
' O* V. ]7 m% G% k3 L, C2 v    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
. z, I# V4 V' ~' J8 e+ c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。 ( F7 p. p) w8 ~
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, & E! `3 I/ t" I! _8 k( H9 v
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
" u: J% d( `: C4 x- i4 }7 ?4 X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 & F. p) L0 n  Z1 \! B5 ]0 _7 l+ G
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 8 h4 G# `" U# i: T
簧系统是可行的。 - \- u  O( M. U4 C) \6 u: a
    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
8 k% z- p! l/ f+ Z+ ]+ M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 ; s& q, R, X: |: ^/ ?1 e" R$ N
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 % v. m' J. p2 w5 [6 [# ]
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
& O1 Q- [7 y7 D) b4 I/ x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 7 c8 o" T- f  [: R( A
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,
0 L# B4 A. \: 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 , I0 m* z/ i' ?2 I  y% H+ [
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 ) R$ O& u; |: q% s; A: n
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
+ T6 k4 r$ M- Z  S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 " `$ y3 R8 g2 A
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
# y# S, p- S  R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
$ j5 {) ^4 s5 @/ t9 F2 a' [6 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
2 K! M$ Z4 x7 J5 _' @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
% ?( B, V* K+ S' ~1 S: U, 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
: j8 R% a9 X& @0 n3 }6 h& V+ d$ f* ^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。   n, C7 n$ S/ D6 G2 }; 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
# h* j9 O8 {1 _2 _+ j5 x/ {7 [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
% u' v9 n1 `& A+ f$ H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 ( ~3 ?  ~. U3 L
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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