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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6 R1 z/ D9 c0 @6 w2 j( a
   
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
1 |9 y" r; I. H! Y( m
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
8 F' j$ D& ?7 u( s; Q4 W
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
) a' m. |+ G4 A' e  O$ J8 _  
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,
$ @* k! J, G7 t
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 1 S, o! E9 {8 w: K9 H" m4 V- I6 G/ P

( D, N& R. o; a) X8 T  }3 w0 E0 e

& v* G4 {4 p! }! }1 s/ Z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
8 b  m, k. v( L% V- \1 V; v
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
9 P. ]- }8 s0 g' S: U8 ^* ?
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 : L: y9 C6 P' R& u" K, f
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 1 \2 _9 u3 I3 H
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
: v% W5 P8 ~* f0 @( R
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
$ z: {, X, u9 n* _* y& k  n, T
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 4 g. d9 u) ^  `3 |. G
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 7 h# c, t" d- m; i( P
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
- \8 }! ]  R0 Y. n5 T7 g. T
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
) B* H" |/ C3 K! 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, + |4 c. o& a# O. Z, b% D! Z
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 ( _: ^1 f$ k0 k3 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 - t3 Z* ?2 t0 M$ n# _
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 - H1 F3 B  A+ G1 V- l5 y9 K
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 * ^! s% ?& ]6 ^- U/ s+ \
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 F2 o0 h& P, G. O9 ~
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
' }8 F/ [" z: N; 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,
3 _7 s% a9 ~+ s6 y, \
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
5 q4 p* f2 c/ N. T* |1 h/ H4 S
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
% f5 x4 y2 k7 ?6 ~9 j0 S
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 / W% o' l7 `3 H# y& Y1 ]/ ^
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
# x6 k# k6 n7 p: m- j: |
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
8 A& J) p" R; w: I" M
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 % \2 h8 g& C, ~' k; G; j
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。
+ H: i9 T8 z0 D% h
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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
6 _( D3 X3 Y% Y2 @    1、氮气弹簧设计原理
4 k' S* v% T$ d9 `9 s- z! d, Z    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,
( J2 N$ T5 ^- g因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 * Z8 ?8 v+ N9 f$ g, ]/ \0 u8 U
     V/T=C,P1×V1=P2×V2 / z* z9 V/ l. d+ n
    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。 % V3 }5 q% s5 s% g) D& h
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 W: n0 ?4 m3 h$ Z
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
) Z/ T# ?* S; K6 E5 ]2 n# E! d2 m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
: |& y. h9 x1 t( H/ v9 u! T5 u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
6 I+ e9 F8 \* v% U% G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
9 V) }# p$ q4 q7 V综合各项新技术应用的产品。 $ B$ q+ t# g! B' t+ f3 L
    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
2 p" m1 h. h& N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,
  s" W0 g- d0 i# Y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 p! J* u/ s3 X
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
- d4 _& w) g; p  ^- _3 D: J封可靠性与寿命等。 ; |6 c" R! G0 @% u- y; @/ K; L( B6 w
    2、氮气弹簧基本性能参数 " T8 R8 q1 {0 ]/ M
    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, 2 q0 i; h. X( f7 J2 y; d# X4 l3 @9 s2 Q
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。
/ S8 W8 S9 E6 T# R- s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 ( c, D1 D- }, ~& {' Z1 J3 }
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
! e# \1 A( G7 D5 `" c, O- K以下几项内容:   q0 a. g, U( Z: {& ~- j/ J: A6 @
     (1)充气额定压力巴
) b- r; `' `- x7 f5 ^- h     (2)额定初始弹压力牛顿 3 k' H) w# u4 E! T5 }! i
     (3)有效工作行程毫米
$ V. i( q! ^+ @  n; Z2 C     (4)一次充气寿命米或次 $ o! C% i& x# q& c8 T! J
     (5)特性曲线与增压比 3 W" X3 b( [, p* E
     (6)工作环境温度摄氏度 1 W0 k* V3 \. U3 S% a
     (7)外观颜色
; ~9 D# D/ p! m4 k     (8)结构形式和最大偏载角
5 \9 z2 }5 R9 O% j3、氮气弹簧结构形式的选择 # |1 C6 V6 z. I: W6 e
    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 1 G5 x, V9 w. }
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 ) w2 y( Y* h* d1 O
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
! F9 c) o0 c. ^, j1 ~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。
$ g' h$ k- X$ g$ n) c

7 N2 n4 ^0 w, d! Y: ~8 h/ t[ 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
( I" r- _7 F" Q7 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 ! G4 X! N5 Z% [( m
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
2 x( o( x: w# W2 P' C% [8 ^  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 9 p  U; K$ r5 H4 ]
    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 # D% o4 q4 W( p2 Q6 X
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
5 j: J4 Q/ b; U$ s# |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
% p3 J, S, K8 m1 H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 + q5 V0 u. t3 x9 V$ r/ n2 Q
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
" p  r* z; n: K8 d+ q) D4 m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
/ s% ]( T7 f0 z- z) J* ?6 i! L: E6 s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- |' n9 i' [, m6 i2 e% x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
2 E4 R2 ]2 }% I而获得最佳的性价和最好的经济效益。
$ i" f; E$ v& Y: Q. ], H( {     (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
/ `. H+ z- [$ a( l" L. E  }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 7 S! G+ ^3 X2 I! x7 \: Q
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 . l5 M* |5 Z! ?. O, ?8 j1 C2 K' l
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
; j5 Y* e* V/ f1 N' B- m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,
% _$ H8 z/ K: ~! \# w5 L6 Q6 ?  A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 . M2 e. n+ [( q
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   U, m( _2 v" f5 m: s$ g$ l
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 5 F# [& `+ @$ p% C
     (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 " D6 w" U7 {/ a! ?8 I3 ^
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
, Q1 V7 C! m6 e4 l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
4 m, N! P8 X, E# s: @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 9 M; X/ O6 x" [1 e. e& E8 L$ F
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
: X0 r& i& P, B# m: e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 : F4 T' Q- D" g* W2 ~+ H9 ^
其正位,避免发生偏斜。
$ v1 a) T( T5 C( m" ^! F     (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 " y8 r. I$ r9 L8 O, T2 D( l- Z
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,
3 V  X5 m8 G& J3 v5 q" Y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 0 }! R. D$ o- j) B" 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,
: N0 o: R* h+ D& R* ?9 X$ T7 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
; w: \+ S& I9 h  ?+ a: K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   L9 p# Q. U% L% F
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。 ' X* W" E  k* `! N4 w4 v$ z) Q/ u  Z. R
四、氮气弹簧应用实例
! Z# {7 A3 {( ]$ e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、 0 w+ D4 s) E4 `
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$ t5 G6 M! q$ x+ _: T, i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。
: L5 C: e; N5 Q  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 3 M+ p' S: J( `2 g
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。
1 X1 E+ V! A; `$ t1 J9 y    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
' ^4 Y" b) `* T* m, A+ R# \  u; }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。 ! ]8 Q! M( k; C: q
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, 2 f) i( o* S! ^& o8 [/ \! A! j2 r0 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 / ~) o6 q/ x+ D6 b9 M( I3 L
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 2 }# z: }0 P: G6 y* S
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
! J) E, n; E: j0 l2 A! i) E簧系统是可行的。 ; l4 z7 ~, ?$ z: d. y' K
    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
, P! Z8 M7 {% `- U$ t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 - B+ T" j* {4 h; e! G& l- J
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 1 a+ D/ j$ t- E9 G/ @
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
5 p+ E% P2 i& w* p3 G1 L4 J  t' ]: K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
  {- g7 i" {$ b1 `( Y1 h6 n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,
! c; i% ?: Z; @  n6 W) y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 ( H3 B( F: }5 |; E# Q! W$ l( K
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
$ e# K: g  m4 t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
1 X3 ]1 B6 ~1 d8 m( ]7 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 6 N6 u$ p" Q8 N
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 2 L# |! `/ U2 h8 C- F7 g
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 : T8 }' u* O1 Z) @4 O) m
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
* h8 I8 N$ Q' S3 s6 _9 E& J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 , V" v) Z4 a$ u% E3 W& {! J
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 % y! R2 Q6 [4 q* o
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。
/ ~+ s1 R) J3 B; s, R3 Q    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
% p. y" k- ~( i: O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
6 f7 U9 z) T: f+ r6 T- }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 & v  x, m# U5 F0 C- m! e, ~( ^
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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