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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% S, T5 y  K" J
   
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 # s/ a; P$ t+ O: y
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
6 x; Y. e5 ^( l+ H) V! `7 l
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) 1 t8 e' T! {9 f! v2 ~4 h
  
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,   z. c0 D' U1 S
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 0 |7 C4 ?! y) c$ m; h

9 S3 ]7 ^" D4 R/ `- e. j7 f
% T- r# H  z, o7 o
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 - a" w/ B- Y$ 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 % N1 F6 J5 u; I- A6 a
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
) P* P  y  h" q' L" G
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
" e  I9 @1 n! ?, O* C7 G
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 9 B& B7 v) ^3 }
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
; Y2 t/ }: W% ?
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 % _% P2 L2 n" k% V* l
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 y7 h! [, |  t( i$ o( 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 ; i% ~8 b& O4 \9 S
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 ' g, t3 ^% D& _% d' ?# O
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, 7 E, ~7 m  s5 M2 E7 ^5 U5 o( i
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
+ I8 v) o; |2 [- Y( j2 E% u
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 0 R1 \0 B1 I1 |) f+ i4 @3 ]* o
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
, _, P7 l& w1 R/ U: N& w0 a3 H' p
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 0 ~8 J% ]8 T) k* h
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
6 z2 y: Z: T+ G) s6 G' v1 E
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
' t6 q7 ~8 a# o1 v. L) X
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, " m! [8 w" I- y& x$ J
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 2 L/ J. H/ D0 L/ K+ N: {9 A# ]; O5 W" ~1 X
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
6 A! M* l7 L$ S. [/ Q
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
$ a1 ?' `. A( b1 U
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 5 {) v. w% a: L; ~4 l7 M
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 0 z7 j- D$ h0 t0 S/ c
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 H% j8 I: a5 ]8 R% {! V2 V' O4 S# M- e
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 % c$ p: h6 E! w

) e) [% G% Z, K) S* a- m
1 e! P# K/ n+ l7 ?6 V- j4 Q& s[ 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
8 D8 q8 G3 k8 `$ f0 O0 _5 }. X- U    1、氮气弹簧设计原理 $ A+ c. C6 ^2 n  Y( E; y
    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,
9 p7 t- n% _9 G$ o" U因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 5 f  K6 r. f: |2 i9 C8 v
     V/T=C,P1×V1=P2×V2
+ S7 b2 s+ Q! Y) A. m    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。
4 `* O6 c% C. J5 f: D9 B3 i4 n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
, ~  Y! n& a/ Y& B  B8 l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
' ~9 t3 P  p. f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
2 |1 O3 x( p/ ]/ X+ M+ w9 {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 : S0 d9 ], c/ Y% F2 a# [$ X
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
/ H+ @0 S( k1 c+ M' G综合各项新技术应用的产品。 ; C6 M1 L& C) z" u2 `: n. x
    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 % i% i; q2 W) S7 `
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,
, g6 W& u! ?0 K" D! y+ ]/ M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 : i. W/ m" b* T' E3 b4 w3 j
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
! }) g4 @5 T. R3 {, W8 u, R封可靠性与寿命等。 ( G, [9 I( @# ]" K
    2、氮气弹簧基本性能参数
) ^+ A' c. o- E2 @2 M2 ?$ m0 ]    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,
& {( o9 ^. p, D$ h- @1 c( W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。
: o, }; ]: n% w. D$ r. @4 I; 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
) S1 z2 S/ f% P+ [1 G  f  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 " d2 S* m8 V3 M, s* D
以下几项内容:
# T* Y0 ]0 N% |& q" K; V3 X0 R     (1)充气额定压力巴   {  ?4 ?1 ?: t, _6 c
     (2)额定初始弹压力牛顿
" I# t5 b2 `$ e( u9 \4 F6 a9 ?1 {' L7 ]     (3)有效工作行程毫米 7 x8 B( L  A6 i, a  H  k
     (4)一次充气寿命米或次
. T' N5 X) B! p     (5)特性曲线与增压比
6 v& b5 M, \1 m" x* \) o/ [     (6)工作环境温度摄氏度 7 A5 F& @2 N4 G
     (7)外观颜色
1 l8 Y1 }4 x- J3 B0 g     (8)结构形式和最大偏载角 7 i3 Q  E" i8 i  r8 C- g
3、氮气弹簧结构形式的选择
/ r0 {6 t$ B% Q- Q    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 & N1 H1 i; }3 @  S. k
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 % v* X9 I  F3 M1 [
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 # T1 O9 |% P8 k# d4 T% d% f
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。
, _5 O0 e5 [; c; ~4 n$ y
8 S8 s: [; g' z  T9 b/ z
[ 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
8 L5 r+ t$ f# a1 F3 _    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 3 t) U' m( G* B" D
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
9 F" h" b3 F+ @5 L/ u- f2 D  (1)氮气弹簧特性曲线的选择
( N# O7 {% s* P$ C9 P# v    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 ! t6 x; e6 Q# s! Z
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 ' I4 A# [$ M3 [% E
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
6 M$ _5 v' W) s  v* [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
9 R; \1 t2 |  y( ]: c$ G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 8 \4 c  }7 P; @( N  m! X+ O
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
* F) ]& X/ i( ]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 # T8 s8 j3 N' P
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
3 m. k* m/ m% p' E) L0 o2 I9 G而获得最佳的性价和最好的经济效益。 2 T1 K: C2 i0 D5 @- u6 h9 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
9 a( Q$ O9 D7 }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
) I5 f3 a$ L5 D5 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
! K7 N( ~6 z/ f- E& s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/ N9 F- \* q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,
9 E! M: t& \& {! b+ r3 b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 ( ~  }) j* k1 V8 q) E4 ]
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 h, K( ~5 {9 f2 e力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 / e* |+ e. x  S" s/ v% r% |
     (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
9 x7 i7 g1 G5 {, a1 o$ t9 _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
' W) k4 F7 t( b! L9 a) ~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
+ R& R' q1 V: p+ U" d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 - F* l9 i1 L6 {4 ~
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 , {& m, a( ]. a- Y4 q
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
+ g" P8 R1 `3 B* [% N. h6 ^其正位,避免发生偏斜。   ?( W0 D) a. |" J+ R
     (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. [7 y4 Z" E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, 7 p& G5 g, l/ b! K8 G1 E, q5 B
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 . E6 G$ p$ j( ^. |; K
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, % N) o4 d, P! J2 ?8 n
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
! D8 ~/ X8 B5 A6 N+ l) }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( U  r- X8 x  E) X  L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。
. {! F3 ?0 Z/ ?# z四、氮气弹簧应用实例 6 g1 j/ k: b  }/ t! g- X
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 J. u0 [& D6 S; g7 d  _  n& 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
! m) s4 T& _* c- _8 i/ B( ?- z5 `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。
+ u  i9 o8 r6 |/ }, _  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
( q5 d- t8 P. P1 d3 C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。 0 G  T" {- L  {4 X0 I2 N/ q4 Z8 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 - ]! z8 F8 |- K( X7 A) |7 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。 9 z* _& P  H  K" f% w) e
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, % |$ s# i% {2 }6 r
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
6 W# ]7 R) o4 z9 h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 $ w- w1 q* V5 C4 g: w0 p! _
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 ' ]3 g6 n3 |0 W. F# \9 t  k
簧系统是可行的。
4 P! X6 u& g, K# d9 x7 l* x    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 + J6 `6 w; t2 P0 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 " ]! B8 l* X7 |# g* D
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
! A0 v  s, {& ?- N# R$ B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 ! M% [3 o. Z  c; n; m; Y, i& E' _
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
8 Q* c  o% ~! q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, : y" X$ c# D9 c% V: W
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   m5 A3 C! X: x. `/ b6 w$ Y) J
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 / S. i; V( o% u( L1 o0 _
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
, X  V2 Q, v$ m! R( M8 V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 ( x8 @7 n- J  b8 b1 D) b9 L' i5 y0 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 : j9 X+ Y. Q  \( }: z+ d0 j
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 6 d, S4 V. m6 a. Y
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 G6 B) p9 E* E2 T: F& T! c2 @# ~
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 ( `5 T2 m3 d' Q* k, O" D. A% l
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 0 |% O5 K: \1 ?7 _7 A% F( [/ Z
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。
! c/ [' c$ }3 W  j9 B3 p    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 5 z/ S+ M0 T! `* d
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 2 C/ _* V5 n. t4 ]3 r
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 , j% S7 `, M: ~3 S& 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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