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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
) Y* a, A9 z* e) T. Y   
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 0 t' k+ C, c0 z  ~! r) r
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 4 K2 E( G- e& U# E6 U- Z" q# K
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
7 y: I  t( [# }- ^' q" d7 Q* l  
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,
  \. P7 P  G1 h' Z" Z) }
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
; z% A/ F3 c  x. ?- S% K+ R* g4 Y/ r5 L8 X. B/ v  W0 W7 P/ g7 S( [
% u  A7 L5 y/ J2 Z2 G/ O9 z9 |
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 , r( }8 d8 F3 D5 m
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
+ e$ H# [5 v  U) F3 F6 Y5 [
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
$ B5 m' n0 F1 |3 w) \
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 . C3 D7 V# N0 ]" S9 ~* k, 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 - Q: o& x! K9 C( H0 C0 z- v6 U
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 G4 x! t$ A/ U( ^% h! e: l1 l0 l) K' a
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 2 S- B& I8 ?. s
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
8 t* O, m1 ^6 f# n- Q* \4 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 1 S$ F9 p7 o! Z: u6 N0 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
2 p" A* v- f7 n5 j% d, h/ Q9 Z1 A
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,
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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 W1 F% e% P$ a0 z  Y
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
, @6 ^( [3 K6 f' j
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
' H, n- d& P# y& z7 H
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 I/ l7 Y! _" y1 w
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 T# U( O' T7 I9 ^
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
" ~! h0 l7 y' r, {! D! l
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, ) s9 d1 ]" Y* Q5 Y7 G- f( W
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
4 G9 E9 p) [+ K' b8 x0 ]$ z
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 ) {3 b2 y6 o  }  ~9 o* i7 _8 ~
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 8 W, y1 ^# U, e9 l* Z. m# R
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
3 R, G& ^) [* O1 t5 U0 h' ~
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   A) e" `, K* f; Z; ~8 b
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 # `  F( W* Q4 |# a/ H* N9 B, F
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。
/ o& l: b4 t$ [% x6 ?  x8 @
. a6 V: ?: S2 f% @5 S6 e- D2 h
0 w& |% G% G, \' H4 B' O
[ 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
' Q- B' P1 j+ J1 u    1、氮气弹簧设计原理 $ j; b; z, H$ C; f- C6 v4 ?& K
    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,
& F! p; T0 d4 D9 V9 r8 C; G* A因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
7 U1 z# _( w$ L( F! H     V/T=C,P1×V1=P2×V2
, }" u% e& P, t" ~, Q+ a    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。
) o- j9 W  w% G2 T% w) I% Q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
2 B9 K- u7 B3 x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 ' L4 ?) d" `/ w: d" h1 G8 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
1 Z) W( ~$ a0 A! N& Y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 $ M( C# s! e* U
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
( K2 x- B1 E/ R( I2 h, O" j( F综合各项新技术应用的产品。
+ K' _7 d6 O5 b+ X% b2 _    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 4 ~+ D8 r) s" c9 p/ o) P/ Z  W, ^
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, 9 V% l( g7 S, A/ F7 a  U
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 0 w; Q, t( x0 F
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
1 L/ Y; ^: a9 ~" u5 E! z封可靠性与寿命等。
# e3 C1 J2 h" A& j- R# {& w    2、氮气弹簧基本性能参数
$ X1 ]- s2 }& S    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, % S* }( @9 e2 n, ?
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。
0 Z$ V+ r: D. 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 % W) j" D2 J; ?: E5 L5 @  I
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
9 m' v0 v9 e% {) f9 ~以下几项内容:
: ~8 `5 B+ a% n% C0 \' t8 C% e     (1)充气额定压力巴 9 }# x; K. B0 K: e! w" d
     (2)额定初始弹压力牛顿 0 [, T' ?% `; e# V
     (3)有效工作行程毫米
( T) P: Z, C# d, y3 K* d0 S     (4)一次充气寿命米或次
3 j: h1 g  {; ~3 y. D! \  A     (5)特性曲线与增压比 , s2 E. X8 S7 K4 C
     (6)工作环境温度摄氏度 - [0 m! t2 D  g5 A
     (7)外观颜色 ! |5 _  k/ {' ^4 [2 h* X
     (8)结构形式和最大偏载角
% d/ f* n' ?% S1 L) h3 V3、氮气弹簧结构形式的选择 / W! h8 q( }: K, 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形式。有以下几种形式可以 ! R$ J. ~, G' D5 J+ e
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
4 z8 o5 T' e# \6 U6 O/ m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
) k) B1 w9 [1 G" q( w5 X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。
! _; E- ]* S3 Z$ w

8 D! U  i$ l, n( A$ q[ 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 : Y& R, W" Q& m; ]. Y( |
    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
: x% r% M" }6 h1 j% D2 E能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
3 R  k7 m! M% d. s, D4 O: G  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 ( r0 {' b2 e3 ?8 Z* D+ W( s
    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
1 c/ t6 K3 e% J8 q* g1 H: v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 / W7 p! G( E; h7 P7 k
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+ J, v3 N  V) q9 s8 Z2 L" Z8 X. O
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
7 D$ D+ N, |6 D( }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 % R& _) w$ g6 B0 D
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
/ c1 t6 B+ B/ w7 |3 Z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 ' _  z8 S4 n, c
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
# P. v5 S6 i. i- l+ {而获得最佳的性价和最好的经济效益。 " p: T/ `4 E( }$ H/ 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 ' @* z2 k: e, Y; g8 y( ?+ u; k1 R
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 8 A$ o2 |' O( g5 a" S
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
. X3 S  x4 w6 N8 D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
+ i- U' O% I5 |/ K/ z( D7 [$ H: u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,
3 t' U1 j) ~; s7 [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
# M( @& x, q2 }& u! U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
- T$ p4 D( p3 O7 E$ A' D) Z3 p力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 & N6 o$ {% w' J/ n$ p5 G3 D' v8 V
     (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 ' i6 `" A: i% }: @7 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
  c+ S& }: a% H5 R0 S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 ! O% k' ^# V; Q2 a2 ]- d6 f/ Q8 U
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 5 |3 d6 X+ S1 s8 J$ o- y. ~: |( ]% H
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
" `4 \' f1 z$ m$ K: O# @* [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 ( m" z8 j1 s& S; n, B; C
其正位,避免发生偏斜。 + E4 {4 B9 @; U' U
     (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 r  ?4 n9 _$ }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,
- a+ a) M3 F9 W6 t" k9 {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 ( {) F: G; J7 F
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,
1 B1 _( r: N/ h4 X% Z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 - N, @' i+ Z( U8 ~& ~
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
, I/ Z& Y4 F- [' K& v7 `/ {" m& A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。 ) {, `* [, R8 P) K& l
四、氮气弹簧应用实例 1 l: D8 ^" C$ A: c/ F. U8 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、 7 M$ v" K' C# Y: G9 Q+ M& m
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 $ M9 ^- Q* E  N: T' s, }% }
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。 + _5 n7 S9 Q: F# T: G0 |& d& Z3 i
  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 # P" I) d+ P, W! U' Y
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。 , w/ Q8 D) \& 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 / v% R" P1 M9 {2 }8 |" U: Q
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。 ( y8 l3 w0 k; z% F
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, / }! l* Y% ^: p3 I' H
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 3 }8 v' j" G7 T6 n1 c- 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
; g, H! S' J+ 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 5 g" c$ ]4 |% X
簧系统是可行的。
( N& M. }" [9 ?+ {$ z    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
! d. \: d4 k+ a5 n; L; N# c8 ^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 O) Y' E  f0 R( s4 R- x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 ! g& O' M* b( f1 Z3 S$ G# c
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
- w/ d1 p+ R- S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
( R2 T2 D. S! Z9 j" W. ^# 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, * ~2 |. X5 c" 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 & h4 l- N0 g. |+ k4 s
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   B/ @% _# x* L6 M0 F( f: Q
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
- S0 d. \" J4 i9 i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 2 h+ Y. T) d3 S, r
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
7 O& b6 j5 j: w& N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   H6 n) V- `7 Z; n
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 : y6 q! p  G+ A+ I5 T
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
% G% y9 l% {1 p5 W! n: o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 - n' ^9 p8 W. L" i1 C; 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。
4 Z% n1 M- |% W- a    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 7 M* y3 R1 J( k4 k% k
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
! A- C: z, s" |# }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
! A# V* U9 q9 @9 Q, t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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