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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
) m; z& Q$ P* K, f2 G9 `! V% ~0 ?   
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
( v  e; O- o, x, u
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
& [, |: t  n2 J7 k- g8 ]8 b
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
; Y5 V) F2 P% t/ f) l  
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, / ?( }- {9 f  r& I. M8 |
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
3 L& c. [1 q2 x6 o7 L5 t
. R0 n8 g3 m2 L. B0 n# |
- }/ D$ s$ @* j. p
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 ' W+ _) ]( t) L& k
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 % W) l1 T2 T$ W7 J* X9 r
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
+ o( \) s, [0 q% p
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 ; n1 E0 `$ p/ w5 R) R" f: [8 d/ ]
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
6 m4 }2 f. \8 Q5 @
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 6 \/ k. k! h& u; B  K9 k, R
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 ! o8 o9 r& j- \0 s* o7 j& J
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 . e1 ~. {* n3 w& e, G: L7 L+ x9 E
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
1 B" @' p, y. P) B
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 8 A  o" o5 D% V( \2 j
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,
6 F. a- F& |4 v0 S" V: `9 O
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 d3 {% {3 O5 n/ H' a' h
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
4 C& X5 X1 P+ E3 z: h- ]+ G# p
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
, M: ~% Z7 N& F6 P' h
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 ( n9 b. R0 z, t7 @. r8 t
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 + q0 l* W4 `/ A4 \/ m# \
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
0 E& P! }" P) ^9 ?
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, - L6 B3 a! x, A& n3 i* i0 b1 |
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 0 p! H& T- V  k: G  f5 @
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 3 o0 P7 h7 ~5 r0 Z/ q: W7 y
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 1 t8 z5 r& d. l5 q# q- O5 m2 N
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
/ p+ K2 j- s1 w3 F- b, {4 c
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 ( b7 V3 h( S3 ?0 X1 a/ s# Q
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
+ p  P- ]  z$ e8 {# j
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 ; _" C  [: I4 j6 l/ Y; ^

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+ i) a% m8 a' h2 _[ 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
5 X" n" B+ f/ C# e  z- u2 U8 b    1、氮气弹簧设计原理
5 d2 b+ `: {) m$ 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, ) ?) F8 l) a7 a0 b
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
8 M  }: [) k3 b; U( g$ Z     V/T=C,P1×V1=P2×V2 0 D! b0 O4 q0 }, l& W
    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。
, _- ]8 H0 }! z1 A- K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 p* ~1 z# b, n" @  M- U7 b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
3 B8 k* n, n0 W2 t) n( G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 e7 D# d3 S% O  M: i
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
5 i, W& M5 ^; V! ?  V6 S8 G7 F9 o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 ~, h2 B$ J/ C7 H7 M
综合各项新技术应用的产品。
  ^/ ]; i& r, S! h5 B" j) G    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 * w: a- K% I; `2 K" G7 W* M
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, 9 F% G8 j8 E6 M6 |) P
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 4 }1 I: Y- O3 ^' P2 s
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
0 g8 I  O- k! A. }0 Z6 w封可靠性与寿命等。 8 V# J0 h, k  @# |$ o+ |7 A
    2、氮气弹簧基本性能参数 5 v) Q/ e6 Y. E. Q- ^* A" W
    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, 6 x( o4 C/ S% ?4 g0 D( S! S7 [2 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。 5 D2 A. c. ~" G) k6 ~/ 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 8 p% C' V* [. j! \5 u9 O$ ~4 s
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
' i  i. m0 w0 X0 @以下几项内容:
; n' O, i* G+ o8 a     (1)充气额定压力巴
9 ?( }, w# y: K+ @" E     (2)额定初始弹压力牛顿
- H) O) b6 ~, J+ u! q+ ]8 S, K% m     (3)有效工作行程毫米 ( P! w0 A; _4 i5 @: O
     (4)一次充气寿命米或次
% f& Y. g- R/ _7 ]/ L. y! {% b     (5)特性曲线与增压比 / G9 I5 T- J+ P
     (6)工作环境温度摄氏度 8 f9 J5 R; X! |4 D" Q. g
     (7)外观颜色
+ f# U; x  ~( j     (8)结构形式和最大偏载角
8 _# `% @) w* D: `3、氮气弹簧结构形式的选择 8 O+ p( g: ]4 @$ ~; k" K
    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 # ]+ R( n+ \  d* y
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 . |! ^; r/ c  m. ?4 i
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 4 i6 |$ \6 w/ t! N$ N
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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4 O3 ]( p0 n/ e( d6 j
[ 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 9 H) a) N9 f9 D+ z
    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 : c- G% M- a8 k+ N  F1 x! K, D
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
  G5 ]4 V+ ]% W. T- q  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 8 H% W7 Q8 s7 S# 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 ( F* C2 V8 E: R% g8 F+ D6 ~5 P
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 9 {" B4 C9 b# v- q8 O
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 / H& m: Z3 V9 ?
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
: ]: m, }; m& S2 j) E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 : l1 E- j0 r3 ?: 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
$ e2 _& G6 Q- ~7 g, ^/ P! g0 h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
1 T$ j+ X" ~+ P8 [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 / }" R" R, ~/ D1 @3 @' \& m9 K
而获得最佳的性价和最好的经济效益。 3 k7 E8 j! O0 A  n% y# \
     (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 ~* H: }5 a( K$ ]- w' V* T
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
# u0 M7 @8 |' f  A7 a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
/ s1 R3 L* l( A& C1 o# h( q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# M! E2 Z3 b# d1 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,
4 X5 O8 w1 Y/ g* v4 ~7 f5 [& k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 3 ]8 H3 A$ M8 }2 k
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 3 N% _3 G6 b" w: v- C
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 " Y# r. y0 X2 B) h) e: L
     (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
/ b/ I. _$ T! j. C' _( M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 & E  ^- z/ H$ o6 t1 x* _6 k9 L; p
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
  q9 K6 x2 c, y( {5 ^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   X4 t. C. M& p* F, j
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
( ^- R  S" w7 F  @( |" H6 d! p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
0 a' X  H' `' ?* W其正位,避免发生偏斜。
' J, q0 K( ^/ ^( Y. ]7 r. @* S     (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
7 l$ Z- S7 V; ^0 B; M' y. R. i# m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, 1 ^5 b6 B# k9 @) w4 J" t
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 3 \# \& H* g( a
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, $ {. t6 Q( ?+ A( @! Q
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
* Q8 {9 l7 j3 {' m# |$ Z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 % w( J3 R* }* e
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。 . i4 p2 K2 x& l, c$ w
四、氮气弹簧应用实例 : c: e  z- s: I2 s1 l
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、 9 e+ @7 y; n  z) a8 J
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
; t3 z2 E- M6 {3 N7 T' e8 T$ Y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。
# |1 W# f* d% g7 E2 ?; Z  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
1 q# q' ]$ W6 x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。
. z0 w. [+ c, r9 r( ?2 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
2 t- i4 h% y, g5 q9 v3 a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。
' o& q3 ^$ p- c) Q2 \; S' N& D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, 1 D) C; _4 _- b; H' P2 x. Y
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 ) w  ?( V/ b, m& E: h) x2 B6 S( C
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# f% n  g2 `- h& q# S! a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
& f9 t% a. A/ U5 X簧系统是可行的。
: q& ^7 X: o( x8 U( ?    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 2 `3 S# X: d( k( r* C2 y
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 / U! F2 h1 p0 t, m/ h5 C! u. Q! K
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 9 O2 E, b* {: T! {! I' j
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
  S$ L% `0 s. y# J0 h! K: |8 W/ k0 B) U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 $ g, U) _6 ?+ v( K
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,
0 C, l$ F+ C; G3 r1 M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 5 |" v1 n9 ]& U- X) V$ {
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- P# K  H3 Q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 . ~/ R$ P% J% @# H7 C
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
4 X0 j/ Y/ C. _1 X( B% m4 n' Y# s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 . |* Q) `+ x6 A; Q+ x* p
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
3 E$ j1 {9 S0 u" a$ S) U% ?9 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 : }6 Y: d6 n. A
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 . e! @0 l7 D6 s* K7 Y2 q  i
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 $ A7 o/ c% K& j# g+ @+ d0 w
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。 6 a; h+ _8 F& o  h! O/ K8 m- d6 g: t
    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
' S4 H" ?8 B7 ?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
) ?0 }3 ?0 a. N' Q6 S. e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
. F) d, i/ ?9 `/ W$ U7 W; I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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