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氮气弹簧在模具中的应用
3 U2 i: K5 X8 f( |9 m) p4 g一、国内外氮气弹簧发展概况 , H/ K( ~6 k9 W7 L9 N% Q1 ^$ j- z6 P
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
* p+ z+ J" K/ T$ k' 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( K. B3 i- p6 v% n0 D
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; U7 J/ x; H* @5 U i5 H% W0 ]
称氮气缸弹压装置， 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、
4 D0 A+ S+ V1 @“ GasSpring” )。 + q' g. M' C; o6 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
' d% |8 V+ e+ |# n2 y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) H5 s. e. Y4 p* ?8 T
的作用。
9 a; J1 v' Z* h( l E — 在模具工业中，一直大量使用着弹性元件。这些年来，模具技
- _% _( W- h$ r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) T6 h( W# z' u2 {& c! H! u$ \2 U) _. j
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; m" V, w3 `' h, T5 s' }
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，
5 o' K: c: Y" l+ O( U4 M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
7 F) ?) h( c- J% V6 e. p1 y, S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& }! G/ P/ P% u; Y d( x, S; g0 t1 v
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9 h. @/ y; e, r/ `$ E8 s
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
) b' F) O& X) |( u: |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+ ^9 b/ X) t! U7 C/ x# E [/ Z
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
" S" v- x0 N" n! P t) s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
- X$ r" c3 j5 Y6 O: a2 p: w+ ^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
6 S1 s2 P2 ?+ O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' f( ^$ \) v7 U
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
2 B! g9 {) q3 c5 F3 F, B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
C8 [6 R* I8 C9 n- J+ l& j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。) Z$ G( x g0 x8 J! M( B
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
0 @5 h: U/ `7 W8 `" w5 t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 " k3 W& z* R! r W0 Y+ {
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- {. i5 d8 L$ N: X! A, Y2 d
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
! D% K9 [8 z s! }1 B. i: G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2 K' V0 u3 @! j9 X4 `8 k0 c
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4 ]! ?( A* L% r, B) G0 B
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
' T P" K6 \: `9 G! W9 g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. c$ ~* M1 z. [) f7 ~- o
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
) N2 D2 b2 r0 @( O- W( Q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
0 [! v1 T/ q! c8 h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， - H; P6 g# V- Y8 y" m+ }
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 n: Y8 p9 j( Y0 Y% y( n& E: H b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4 x) N7 r! x( q* }, N+ D# d! v
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。
5 {/ Q) b& l0 E8 D# j5 l0 ~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) }1 K1 U: J" B
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
7 i- T. x6 [9 `0 S# n* T0 p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， ; h' ^0 s% W- ?5 O% |. e
这项技术的发展如今正是方兴未艾。 ; e, ~" M4 C, O; k$ t
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性
4 X* q" B5 y% ]/ D: ]; }+ h( ?1、氮气弹簧设计原理
4 B6 L: }* E( _! e/ l5 R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
) D8 I! C* c2 X; l5 b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
4 n& W" i$ Y0 W* P$ K(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 ) G7 E8 |( c+ ^. [( e+ Y3 l( d
PV/T=C， P1×V1=P2×V2 , |9 \ }- p8 B! ~5 n- y& G
应当说明， 除了理论计算之外， 氮气缸的结构设计、密封技术6 b& j: r: x# I5 o0 K
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+ u" I; Q8 A$ p( K- _- I- K
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: q2 P& U1 l8 U/ u" m o
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% ]& U6 g, R1 `* I
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、, O) \. _. T# S% \) p: L; c
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
. i7 f1 ?6 ~* Y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! o/ H* y% ~) c/ A# [3 K0 z/ t
3
9 o1 k g' m: x0 v; l+ N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， 6 L( v9 }. _3 Q& V7 Z
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。
' Z; y1 \& E( M1 E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
; D( V1 p2 I7 X. |) e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 H% l- M5 w% v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
$ n8 k* @) \4 ]+ p! ~7 Y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， ; n; ?) e: }3 q/ _
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
' C9 n+ X9 c1 t3 O) B& {/ U& h面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。
, j0 O) G0 E/ _2 V N2、氮气弹簧基本性能参数
# @- _; j4 @, F: P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. ^; s/ |: g8 t" Z! q K
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4 d0 E3 e4 w+ s
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： + k6 ]5 U+ m3 v4 y& }$ g
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/
" ]: {' z8 ^* {* b. n4 r9 l/ n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
" X+ C* Z+ t6 {; w w7 M. g$ \6 Y. l; G1 k下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容： + b9 l E: E6 _" T# f/ B
(1)充气额定压力巴
8 E( }2 D# Z0 Z# w; z(2)额定初始弹压力牛顿
# `* H! M' _/ c# L- |(3)有效工作行程毫米 2 p1 k" Z. y$ q6 A) h% f
(4)一次充气寿命米或次 - G2 N( ^* L. I
(5)特性曲线与增压比 # ?& a) c& T7 w0 f
(6)工作环境温度摄氏度 3 f/ I' s" c9 p$ t i- Y
(7)外观颜色
1 v, ], [$ l5 w- k Y( a$ D# R6 e(8)结构形式和最大偏载角 6 ], \ R* k1 T
3、氮气弹簧的特点
6 f0 b0 w7 J9 A3 \+ D3 P氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面： , n* P) [8 d9 k+ W. `# J. N% k
(1)在较小的空间中， 可以产生较大的初始弹压力， 不需要预
& w$ L7 d/ Y3 n S' q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
1 L: ^% g# `8 R$ n$ h5 `/ \3 m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# s2 t! K6 X* X2 u7 [* [
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多；
2 o2 r x, C! O+ H) L1 K9 T, M0 s2 d4
( i# k- |* _/ q(2)弹压力在整个行程中， 可以基本保持恒定；
& S/ W# ~! `$ T" 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) h2 n% ?& `5 L7 C: E! Y" b0 m
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! S) z' t4 ]- v/ `' A/ i- R
方便实现弹压力的平衡； . e# {( e. [: J) K
(4)简化模具压力、卸料等结构， 简化模具设计， 缩短模具制
) j! R( t5 U% k造周期； ' |4 x+ ]* c- t, r" w- W# B
(5)提高冲压件质量， 保证冲制件质量稳定， 缩短在压力机上; ]. y1 v+ X: |8 u' G
更换模具时间， 提高劳动生产率， 降低成本；
; B+ f& [; z L" l& n5 H(6)使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、可靠、方便；
1 M& L" Y: ]- v/ n N7 C9 x8 ~(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。 ) t' I2 r: D* \( p- n- u
三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
1 Z6 o; h. h" Z% T( h. i+ O+ x& n1、氮气弹簧弹压力的选择 + g' C/ Y# s' j8 E
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+ }; Q- z* U- M% S. w
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4 c" w, {* t1 w% w9 ]! D
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
5 N [* w8 G) z8 ^& p& {; I$ [4 v方面的问题：
5 i5 B: V: ?5 |2 Q; U' d$ G(1)氮气弹簧弹压力大小。 , W3 d1 _( p- h" N/ s
(2)氮气弹簧的数量。
4 s9 V" T9 L" J: d. V (3)氮气弹簧的增压比。
: ]; d0 [3 g! i) p- K# H2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要1 h0 l1 A& C% T4 V
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! l" e) K7 {+ H* G" E
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2 Y4 M1 J9 q, b2 \( f8 E
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，
3 x. a2 Z, m7 k+ N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
! n7 r8 y0 j; q, o+ ~7 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" {+ ]* R2 K5 ^$ O+ D5 i# p
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6 O* ~) z' z5 p. O) h
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
3 D* w% _" G& G* N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5 J! Q7 L# y ?( a
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，0 ?" Y0 c. Q- D! G# R+ T2 m
5 ) ^ x" `- x9 |6 C% L: X7 }
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
7 ]4 a# y' f/ H6 H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
- _- ]: J, r* D% }4 m# D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。
' g2 \; r0 t# _) ]
+ m% z- _& [. Q4 ]7 Z3、氮气弹簧结构形式的选择 4 d0 E5 f z3 O1 c
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; n5 F$ j& K) {$ }
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
$ ?6 ^9 k+ d1 G+ B9 a7 U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
7 w' ?3 b, ]' a0 m; n, {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、+ h6 x8 K4 ]- g: r" C* U# p- H
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
. a" X: e5 F; S选择。
( c8 y6 q1 \0 X* N' G& w4、在冷冲压模具设计中选用氮气弹簧时应考虑的几个问题 ! n% E' w, U( m6 h
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
: h1 \7 l8 V$ d0 |5 p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。 $ U7 j3 W2 E5 ^
(1)氮气弹簧特性曲线的选择
5 L- U/ s" _/ X5 u9 ^. p% |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
2 e5 v; \: g6 Q, _/ g. g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
* E/ T! `$ J) n1 M1 T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& C; r( c! ]; d+ D
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
! m- U' K4 e' @4 `/ J! @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
( m \0 ~4 D/ A j* o" L3 w: Q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
6 B# c. h# }0 c" D& V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
E# h3 a$ u# e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
/ m: @; ]$ z* T) C( D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" p6 J4 i4 i6 b1 {8 i g
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。2 c% r/ m4 S( h- v0 h0 ]8 Z8 C
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0 m0 E- K( }8 l9 ~
获得最佳的性价和最好的经济效益。 7 p7 E7 `9 N* s( W
(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡， # n. Z8 m, E$ h# B% T
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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