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氮气弹簧在模具中的应用
" E8 z5 ^* F+ | ~一、国内外氮气弹簧发展概况 : E: N& p' i' d( K
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
5 ~1 K7 {! B/ 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
5 q# W- ?, ?! ]5 ~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
. Q$ R( y" @% O称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、! _; y0 u1 a0 [ m7 p V: D+ i
“ GasSpring” )。
5 @2 v4 [4 {3 Q! w1 P6 [6 v0 y9 g+ @. e 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
6 K- j$ {9 R3 L, K4 {# Y: D0 ~! p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
5 G. |# Z- U! R7 K6 ~的作用。
! H* c5 A! ?, t* L8 v n0 j( y — 在模具工业中,一直大量使用着弹性元件。这些年来,模具技
$ m0 n) a' }% I% {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/ X3 y. t0 G/ [; F& N# o; t: T3 K
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0 e/ N6 ?; |6 R* q; m4 a
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,
" }) q) e3 F- ?: S: v9 N" K1 ^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) k9 a, n9 a; `; X0 j. B, q/ R+ I) F
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5 Z- K2 u8 B, T" ]) |
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0 `6 e q4 m0 ]3 r/ ^4 b; z
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
T8 k- f2 \3 K6 V6 l0 d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: r/ ~' q5 u' a W; M2 k" A2 [' m
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 M7 S: [6 D9 e* Z+ Q% F; q
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
8 j5 b2 }4 v4 d. s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
) u* P+ a% t( B! f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
- Z! \$ N/ `1 B! S% p2 A# \; n# O5 Y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! z3 ~# M: f6 ]( @
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
# [& i6 n4 J8 X% H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。* A# W* G/ Y+ H+ f4 l8 O$ y3 U
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
* m2 k% W- @; a2 u6 j, ^& L9 M+ H! h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
0 p0 j( L9 f) O+ q' m9 W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
1 K; e) C* 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 w& Y" n' E* i. t" ~
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9 z. `' _/ a' m( x0 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0 N; |) w: a, J$ S
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
8 [/ S4 c( o/ M6 Q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
8 H5 ~9 Z) s9 F% |# `1 w' k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
* R7 T9 l$ c# ]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
2 S$ ?7 m% a8 W. Q4 }9 n% w6 m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,
/ c ~# l$ T. o; U: k+ g5 ]9 r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' [: q; g8 r% S8 V5 F
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/ N8 {* }. X: l3 v" L* G g) {
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。 v( W, I" m. b x' Y& d8 m( B- }
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
! q! |1 ?5 s1 |1 W1 a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
; j: Z1 ]0 j7 H8 `; J' E- I) R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, 1 \* P& | a5 i2 `
这项技术的发展如今正是方兴未艾。 0 A7 `4 x# O, o5 }
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 8 l* g, f& \$ C. d- `- M1 \
1、氮气弹簧设计原理
4 v- c0 V0 U% [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* d1 N, l7 t4 q0 R4 r
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 J4 A) T' A. m, \# X
(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 . k6 U" o3 r7 X6 i! C0 x
PV/T=C, P1×V1=P2×V2
+ t# Q2 x/ J) L0 Y/ T& Z x应当说明, 除了理论计算之外, 氮气缸的结构设计、密封技术4 |1 A! D4 W- |( Y8 S4 I% Q
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
! i% M% W0 d7 }4 r* j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2 z/ N A: Q/ O: @# 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: `+ ?; F. y3 \9 T0 k
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、. S! f* F( z* x( M
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
; D, I. O9 ~3 b$ ?5 P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
. v* R0 a! m- G" G/ r5 ~3 t6 `7 w( v+ L. ?- L+ y% y4 U
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, " W# E) n2 H$ O f/ i
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。
. e/ i$ P% f) 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
& _# }3 e5 m) s+ _( L G+ ?2 g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* g# T5 P' f3 M6 F) J3 Y; a( T
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3 ^& Z9 @9 e3 v, L
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, * O5 H7 r+ }1 t7 j5 f) ]
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( l) |1 y+ g3 Z4 J7 n' n6 E
面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。
5 ~" k2 K0 Z/ F; N0 a. v1 D* X2、氮气弹簧基本性能参数
, A' H# A$ ~% r+ f0 `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
9 S& `( E; }* f( t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) k+ `' y8 C L( n
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 R! ~* [7 O" I4 X% I$ W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/ & S0 E' W" `. Q
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
; ~8 j; s# a" N$ N8 }9 N& o下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容: ) `2 ^* v" d/ j6 U+ c3 ~
(1)充气额定压力巴 ' ^3 @! f" G* V% m M0 v* s1 N
(2)额定初始弹压力牛顿
* ~4 l0 ~5 X1 m5 ]/ D(3)有效工作行程毫米
! g; V! P( \( K% O(4)一次充气寿命米或次
" s: u5 L8 _/ i6 y& q$ V(5)特性曲线与增压比
' d% g5 @& h- y. {6 p(6)工作环境温度摄氏度 * V& z/ g! Z. x5 w+ T1 y
(7)外观颜色
; Z' T4 u9 q, i* u8 q6 g(8)结构形式和最大偏载角 5 e- O2 Z2 n3 ` Y1 h" l
3、氮气弹簧的特点
2 o+ j% `. l2 C) g/ U2 U$ k氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面: . Z* ?% c8 g8 a. O; n
(1)在较小的空间中, 可以产生较大的初始弹压力, 不需要预) F) b3 H) a1 U: S7 |, Z* h7 `
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2 c* [/ f6 o1 r' J& Y
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9 Y# Y% B. u) q( P8 _: Z
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多; ) d' A" A; s* ^: ]! z3 o
4
0 g( X |6 J$ _# n* X( e' u3 f( K(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;
$ ^ o, F% T. `- @! C( \6 A. a(3)根据不同的冷冲压工序要求, 其弹压力的大小、受力点的. B, U/ c+ l! {9 E8 G2 t
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
* L6 A$ e! T, u" N, R8 ^方便实现弹压力的平衡; 7 t( C6 [9 f ]6 C* _6 V) R
(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制
e |0 S, A% @' Q" F4 ^" [2 G造周期; 1 u7 S0 T1 J9 M# n% `
(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上& [4 W& O5 T; f. Z* g2 ?
更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本;
! `! L X$ U" Z7 }& g(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便;
4 i3 {5 y0 M4 F: l6 H( ]- F(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。 8 J. M4 ]: G" q/ l. I: l$ u
三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
! t M9 ~! A: _0 c) i3 ?* x4 L1、氮气弹簧弹压力的选择
$ R# l( r( C" j s0 u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/ s4 f9 u+ u; l8 E8 Z5 C5 e# V. R
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
+ \6 J8 f0 F+ B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: F8 }( {8 o% l7 z( F! E, W' I# b) B
方面的问题: J9 p3 d8 }# }6 H- G$ O0 _
(1)氮气弹簧弹压力大小。
& R* { r# O& g4 `5 }+ |# B(2)氮气弹簧的数量。 . H' |6 c% x I7 R# G0 L
(3)氮气弹簧的增压比。
7 \% R( A$ t1 m5 U2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要& d% j1 V! E* q7 q
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 f K5 K1 V" U4 Z) W8 }7 d* d
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* S( S+ ]2 H5 K f. X7 [! L# Z$ }
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, 1 A+ w& I2 `# }5 ~4 g. `
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
+ o% ~& M, \+ D) K3 d% a7 f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
6 T( r8 ]2 u* b' P1 R0 V( t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+ `0 d+ N5 v R Y* m! U
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% |. L1 ?/ `* }+ u' A! Q
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
& L3 w% H& U1 i7 B5 H6 m: P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,
5 d6 o; t8 M9 k' A/ `! Q5
0 h; n+ Z3 L' b/ a6 d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
" a: Z6 _. p" x# q7 D1 T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4 @6 |& W+ l5 |$ [! Z
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。% g1 l [+ e5 g. F
3 u2 D! T2 z6 \3、氮气弹簧结构形式的选择 9 y( c) R9 h# h+ Z
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/ D7 Z- G( b/ h
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
5 K9 P: G' G% X: T4 t: `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
% T! K; v# w* I: e4 f. O. i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、) u7 ?5 y# ]/ E$ ^+ n y5 u
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; I0 ]7 Z+ i2 V4 s8 ?& T
选择。 * t1 P. f M9 C% e
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
0 F' [0 A# J7 N5 I/ f/ C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9 G6 l' |0 M7 s! q( @ Q0 s
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。 % D& {' e- r$ j' N# _* ?
(1)氮气弹簧特性曲线的选择 ! a. u, Z) J+ @8 e6 X
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
8 R6 ^: @) `: @) `: L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
6 ^/ q# y2 p" w+ G& K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, q7 _' X4 E8 V; P2 L u+ 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
, s2 {+ d% \1 w/ I# d Z( h* D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, \! {9 r/ S9 x+ B3 W3 m' j' u3 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2 W; H. v( }$ s I1 j# S2 ^
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7 P+ D% G) H; f0 A
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$ N" M5 i' Q3 Z. R+ b8 `7 k% R
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: u" ^$ A3 f) d+ |# I
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。
/ v/ {* C$ _* h0 {: o1 u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
4 w! o. d2 f( D获得最佳的性价和最好的经济效益。 6 j2 V' t- O" A+ g' o$ }- @8 b5 \
(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡,
; W* M ^) @- ]) ?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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