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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
9 s7 {" {5 d" i9 h   
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 ( b1 a) P' s& H* N* {( |
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
) l% u7 b% V2 o( ^0 q; f
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) 0 v  l# D# `$ y
  
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, 7 |, j& |$ p9 m
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
! ^5 V, H* r+ N3 _/ T: l0 z: S) P1 F1 @) P- D& P

% G9 P6 w. R6 G! I# d6 ]- _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 : U$ f' P1 y9 ?7 t3 k& c
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 ( ^  V/ @) W" Z4 \3 W
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 ( N. E1 L' o6 s4 s9 d
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 4 U! o' \8 ^  W: S2 i. }
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' F: P& a2 @, c+ Q( e
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
* k  D: v$ c3 u) l( c+ {2 C& o  X
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
  h- q; D  n6 _9 X
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
+ y' A8 z0 e" _7 o* W; [9 ~
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 ) d7 {( S2 ~1 S! x. p
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
, c; t; d1 o6 x! ]* z. {$ v
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,
3 H% e+ R* |0 `, \
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
/ B- E; i0 w1 H9 ]3 u9 A2 F) e! }
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
) t+ q& A( P  y6 F
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 5 u- m% {$ C& T& Z) H8 J# ^  X+ D
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
9 z9 B) i) g1 V# x
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 7 x/ W4 r3 P9 I  a2 U+ G2 K
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 - x2 y8 b- x  ?, Y/ O$ Q9 V  R, @
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, ' {$ p2 e  b2 i' I
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
3 I. C* f; `9 g1 E- C' z2 x! G# ~
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
; M7 @8 a, T7 O1 Y+ K* x4 [
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
) x5 J8 ?* t) z% {5 h
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 % h  I) N4 b. T: W- x
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 ( Z! W5 ^% s+ }. i  v
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
- [$ H; H# |- T2 J) Z
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 : S5 g% J+ W$ B! G$ t8 m
, v% h9 h1 D2 _

+ c& u( R* D3 _7 t5 U, \2 S0 P[ 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 `8 k- c0 }2 ^4 H
    1、氮气弹簧设计原理
( u" B0 b5 i0 [; j9 m: i4 [' N    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, # V, b, M" y3 g9 h7 y7 Y# t
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
0 y4 n% t/ x3 n7 \     V/T=C,P1×V1=P2×V2
8 H4 R" o; w9 ?) H/ X" V) v    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。 : N8 m7 T! |- F* }2 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 1 O9 Y5 h( O8 k; @7 P5 m
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
8 {: D; K3 X! @7 W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
9 t4 S4 T- Y9 }$ j/ i6 B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
# H0 p6 e9 C" t: G) k( ?: [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
8 R# }' B6 t4 k- c- C综合各项新技术应用的产品。 6 B' [$ e1 M/ T: G) G" ]5 |
    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 0 f5 b8 @# I$ B  J8 y: O$ f6 R
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, $ i; E7 F# Q6 r! e- @
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
3 I& d1 ~7 M0 [4 |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
/ |. P6 m3 o9 k! d* w/ Y封可靠性与寿命等。
6 j3 k8 n6 N5 F, Y4 N# ~    2、氮气弹簧基本性能参数
  ^! r: K- P2 }9 n, R6 D    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, * f$ A8 ~5 ^# o1 ]
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。
$ J& H: P$ J+ P* a3 y3 ^, r4 f0 T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 $ v$ w( O9 ]9 D( `! X" \. {
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   q! a. r5 g8 C7 J/ `+ Q# P0 ?
以下几项内容:
2 r; B7 r% k3 k# m     (1)充气额定压力巴 2 z0 }3 s' M- l7 I, P
     (2)额定初始弹压力牛顿 2 A/ M. S8 N3 m
     (3)有效工作行程毫米 & x- M0 ]" S5 n& u4 ^+ p
     (4)一次充气寿命米或次 # o0 ^) _1 b# w
     (5)特性曲线与增压比
- I. b* E% ?: P9 `5 A     (6)工作环境温度摄氏度
# R- H# }0 A6 h7 q     (7)外观颜色 $ P, V, Q- o" b& V# V6 M0 ^( }
     (8)结构形式和最大偏载角 $ ]( y# @, t3 I- V/ I! K$ k
3、氮气弹簧结构形式的选择 ( a3 C$ J. ]& E3 C1 ]' _1 \
    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
2 i* j# u1 `; S# V/ s  ?% M& g! \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
2 o  i: _* g8 b$ Y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   x6 w: z8 r$ p
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。
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3 S* z( O2 H) j6 [  k/ f, X[ 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 6 r# K5 m4 v7 M9 Q
    氮气弹簧技术有其自身的特点和一定的使用范围,正确地去约束该项技术的应用范围,才
) A, b( ?- E% U9 }/ z能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 ( s3 ^: Y! r# S5 x
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择
- A' F. B7 t. O" h6 @. m2 G5 ^# Y! ]$ q    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 8 x# M! N' m) t7 H$ R
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
% X0 ]4 j8 n$ O( `9 i  {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
: O. i# ^% A; t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 " A1 q& n5 L1 z8 V1 _
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 : x/ n* c9 i' `; [, u
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, }* D2 l" W) 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 $ D& |% w5 W6 Y) b9 U" w
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 5 K. y% i. W" K1 ]0 {  {
而获得最佳的性价和最好的经济效益。
8 O' e9 B; w" \$ O7 @/ C     (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
* \2 Y7 Q" H& Z: g3 ]+ m7 s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
2 W  R% W8 m( m/ `: {' J& k+ G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 7 d' e$ e1 |9 `3 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 ' F  {% L# B2 m: V  _
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, 1 X) V6 B* w- x* O* F# ]; f
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
6 e# D% z4 X5 V0 L3 n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 6 ]; \0 z8 M8 O  ]+ U1 K$ I' f5 ~! z
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 5 }! H* ^' M8 ~8 c; F
     (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
0 h# D( G2 j8 D. [4 _$ Q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
3 E( \4 ~9 C0 _" n. Y0 y* L( v; `( Q2 j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 % U1 I+ s7 Y# u; v$ f
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
& O3 T- U1 C7 L3 ^; R; s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
8 V. t" A' b9 ^3 I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
8 s1 M! ~! z; G9 v! f其正位,避免发生偏斜。
; h" k! }! p9 g' Y  {     (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 % p6 }9 m2 U- z9 @
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, : P8 a0 E; Y4 T7 ~5 C1 U1 n, X4 d
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 4 K4 Z5 A- A; g
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, . B7 a' i% H( `7 y5 _6 z3 C
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
# u& J& P# h$ b' O, `3 B! V9 F2 V1 ]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 7 M: I) e+ ~# e) R
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。 ; D+ {4 l- v0 f3 |+ ^; f
四、氮气弹簧应用实例 $ k7 U- Y& o3 t
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、 & N+ G6 ^& g2 h2 B, D3 j, s6 d
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 , `/ O7 ]4 p1 Y$ P
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。
3 c  R) f/ q" a6 Z! e  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 * |( {' ~5 t- Z& q/ Q8 p- w
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。
' i# A4 ]/ q) q7 S: w" k8 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
" ~1 e* B. i$ h) p) f; v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。
7 X/ B/ C9 x* |( m# t0 t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,
% J! b# t" S, H) |. O; F- O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
* }' n3 ?& U' w  p# V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 % y/ o3 w# F; \
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 : J6 L% R0 ^% l+ {1 A: K
簧系统是可行的。
. `/ |; P* P( S    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 8 x) x" m; d0 F; }- c) Y) 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
! [. c- c$ u- b1 \: p, z/ i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 * P$ m: k: b7 @* E6 ^+ h- 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   k8 _6 L; w6 e0 [+ x
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 + k& V8 g% G, c0 H3 [; {# L! C- ^6 t
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,
( {' E  l) B& R7 `4 v! e" {/ r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 9 r$ |: \- a  V* p
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 # a# @3 [, i& r( O6 R+ k
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 6 s1 p1 O$ Q5 t, r* {
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 v3 G, r( i* }9 B" y1 a- 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 * d, {$ K" i1 [; C# M
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 + ^* D6 h: ?( \
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
. s8 h/ |" Q5 u. v* M9 m5 T- v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 O1 h5 I  r/ `' f( h# v) b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 * R' Q5 T: ?# H5 \9 d( |* d
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。 + O; V9 ?! b: L- u* D' b  f, w
    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
9 `9 Y" t# {. s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 . d0 O$ u) Y0 B+ T2 @
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 & @. ^/ g0 n4 B$ s# d" z
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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