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氮气弹簧在模具中的应用 $ v$ q7 n1 u5 x4 E6 V1 [
一、国内外氮气弹簧发展概况 7 z' w. \& ~1 q5 y& X
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. t( K4 }* f( E3 @
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
+ r3 V3 W# K0 I* |/ M1 S2 S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
- |" n% j. ]8 N& l称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、0 m! q$ @. e" y0 ?
“ GasSpring” )。 5 T6 c8 y/ M+ F$ `6 k( A
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3 K7 Y3 m- | {- n
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! X0 q+ e" n& u% A
的作用。
+ e1 w4 F; m' r' B' v — 在模具工业中,一直大量使用着弹性元件。这些年来,模具技
( x# B* P, A( M; Q$ f) Y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! o" G7 D8 T3 ]8 X
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
4 X" Z9 M9 ^6 @0 V6 r% w2 h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,
4 T( U4 K. T; b6 w8 c8 C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6 @0 d! ~, ]! I- V
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
: o8 ], {9 ]; r L- g4 m: X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, E* e/ G2 c! j# C4 U- f$ m0 c5 j
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2 a9 X0 B* j6 P& J* S, m' G
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
& }# J3 Y8 u8 e7 c8 P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
4 O T1 B9 R1 I4 y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
! l* V3 r* k& {# o8 F- ?" w: F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
% S4 k6 D; d1 | I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
$ [) `/ [( `( i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7 A- c& D! v. R! ^4 b4 F, M) e
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
) O5 a# O) H8 w0 z( ? h& c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。' t0 f' X3 [ @
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3 y- I$ v% `& m8 S. q0 K* x+ M/ B
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
$ O* W& |4 J! e0 u" T4 U( _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. t2 a3 n: m+ a/ x
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
8 r, y) y& [! s& j" S$ ]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
3 t8 h; ~, L% x, K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3 D% Z( @) X( e- h! w- g! U
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, z: _8 T0 w# r( L' M7 V, T
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! l6 i, P9 K! k# O& D8 @0 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- z- K N& Q( ?: A0 j
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5 L" X; I- |$ s9 ]5 \* @
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,
, K- |# S' r9 _) q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+ |- X' g0 t" g
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
( ]+ Z' [& H1 z2 T& X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。
4 f2 h+ }: T4 ?! Y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
m5 r |. e- v& s: O# S* F* o2 H4 R8 r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
# K9 w) U+ c% l2 \) n3 {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, 8 c: j0 M! e8 V: L' H
这项技术的发展如今正是方兴未艾。 . n9 C! V$ P% t
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 ( k* A* q- }* c" C" Q2 Z# O' ]
1、氮气弹簧设计原理 . X, j; V( }% m/ b
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2 v8 k3 R4 q2 b0 [8 ^
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
5 V V1 N% S t( r( @5 N+ Y(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
* k/ X/ v2 f5 @; Y$ P1 w$ T7 F) W- _PV/T=C, P1×V1=P2×V2
6 v+ I1 h+ K! \" l应当说明, 除了理论计算之外, 氮气缸的结构设计、密封技术
% w& V6 N O! S( ^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
% d" J3 c2 R& b$ t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
3 I' p7 T- C; ?4 o0 H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
. f3 T8 [# \, e ?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、8 k% A% {- B" t" Q
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% y- S, @+ Q1 ~
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1 {$ l7 z9 }% a# s
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/ r2 J+ p8 ]7 K' `" ?+ q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, 4 v3 G0 ]% @) h" g. }
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。 ! m5 p% W+ j; R7 f
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
; W0 B" L5 Z- b' u/ w9 Q4 C. m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: {, S. ?+ T0 `
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& N& R) H1 ?0 O3 `" a+ q" T
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, . W5 c2 C" w+ y5 y
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& G- R6 l6 @# s5 C! D9 W
面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。
- ~& b. U8 K, u) y0 `$ p% j) e2、氮气弹簧基本性能参数
6 X v% k+ l2 i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4 M1 ~+ Y5 W8 @. I: Y
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, ]- b T" G) Z7 t! h
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: 7 x- R/ E, `( S9 r5 V% Q
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/
2 d2 j5 t* h0 m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
* N" _7 l& i5 e1 V# i下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容: * g' G4 X& S6 q0 Z5 E- W, C
(1)充气额定压力巴
" f4 \" A/ ^/ [7 q$ d* B# L(2)额定初始弹压力牛顿 ^7 y) [, X- G( M
(3)有效工作行程毫米
% q4 \+ [; t8 s3 b5 f2 N(4)一次充气寿命米或次
2 B: g0 [; S+ O7 S2 P" b- M(5)特性曲线与增压比 1 p0 t- i7 w2 X' t7 R
(6)工作环境温度摄氏度 / _+ B+ Y; s6 O2 z4 U
(7)外观颜色
# g5 l$ L6 v( |2 C(8)结构形式和最大偏载角 2 c" v/ S; v- `8 g. j( W/ ]+ H- k
3、氮气弹簧的特点
3 r" u" x0 M2 @0 I9 ]. X6 ~氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面:
7 K( }5 {$ E! b(1)在较小的空间中, 可以产生较大的初始弹压力, 不需要预" t5 R9 {! A+ o1 ]! |$ z( {
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, L" E* M3 s2 i( D8 {: E0 j4 P
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
( o; l7 ^6 q+ Y- K模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多;
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+ C' B% q6 a& L( D# f(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;
0 U) u0 T5 J' V(3)根据不同的冷冲压工序要求, 其弹压力的大小、受力点的
2 X4 s J7 t7 o2 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
% i% M! W$ _: j9 b$ ~# G4 c$ U方便实现弹压力的平衡; 3 H- x9 h. L5 k, e" O3 P o j
(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制
+ v7 t) c$ d2 b- R$ J0 ~: [6 p造周期;
, Q0 m9 X' T% {9 E(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上0 r0 ^9 a5 s; Y
更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本; + W2 b& q" N4 V$ m1 @+ u+ N( }
(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便;
0 I6 }- P. P0 D' ^4 Y$ M, F. R0 u- O0 f% B(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
+ `- p7 Y, R, D2 e三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
, n) F7 g# X' e+ c' J. c/ W1、氮气弹簧弹压力的选择
& C$ o O" L- e% Y* b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
* X. K5 U* \) K, a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; J. ^# @; y: a! F: R+ w, t3 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
; {; `0 M) a+ p b2 k6 ]8 U7 t e% @方面的问题: n5 A" `& y: _. P2 N2 \; E8 ^
(1)氮气弹簧弹压力大小。 % c: x5 |6 Y2 M. q/ H
(2)氮气弹簧的数量。 ; R4 F4 j# j5 {) L( Y/ F; D
(3)氮气弹簧的增压比。 " ~* O" \, z: w2 H
2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要# ~3 I" [9 L. A
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! U6 G( b! e! y2 Q& W
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
' i& G* v) q0 S/ n1 ] n* m' E% v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,
8 i* H1 B6 d7 ]2 T* a9 k7 C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0 \3 \3 K& _* D5 C: Z
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7 Y$ Q* E# T- { O+ w+ {
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
3 R4 ~, j9 e6 h+ S" M# L+ X% J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
5 c! @$ k* w; b1 Y d. s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* g7 _! P7 o/ M9 X7 b7 m8 U
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,
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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
# o( Z, i# p, C; Q% v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" ]( k0 Y1 \' f
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。
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7 n6 s, c u$ a3、氮气弹簧结构形式的选择
* Q5 @5 z z+ p- {" \8 T0 {4 g7 d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
, f3 n; i. W9 j6 W' w+ Q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$ S& }+ x1 ]3 {. r
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 l& T) N6 D+ P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、
& b- u ~" m! N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
& \4 Y9 J, i/ E! e X选择。 . E/ x: X" ?* V- s4 ^
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 , X4 a- K) P- ?$ U$ Q
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
. [; r0 M/ y( T6 |2 k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。
% I0 b2 m$ {, L5 j) |2 b2 x- P( _ (1)氮气弹簧特性曲线的选择
# H9 \( J* m, O7 ^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 _/ ~% T3 f4 G& c3 k6 M
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- _/ a, W4 w3 L5 ]5 @/ S
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! s* Z/ Z) {& c g3 }/ n/ v
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! B2 }1 W* Y% f2 M9 Y/ m* B
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
' x7 \# _# T" X; b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1 I3 x" i: H7 {( Y+ w9 W
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
$ b, i- C$ C8 q6 m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
" s; O+ X7 z% L$ Y9 W4 { Q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& W' B. ?7 A& W: |; e9 q- ~
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 u, w! A7 H4 D/ \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 |) ~6 f6 t6 x) _) M3 J获得最佳的性价和最好的经济效益。
6 f3 e9 s1 e2 d& X(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡, 4 a0 Q0 _9 b: B* q3 U, ?
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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