氮气弹簧在模具中的应用

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氮气弹簧在模具中的应用　　
一、国内外氮气弹簧发展概况　
! S& U9 {) g, d# f1 d; R5 A3 [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，外力通过柱杆将氮气压缩，当外力去除时，靠高压氮气
* A, z) Z; [4 D/ f* z; G) 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
称氮气缸弹压装置， 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、
8 {6 G$ r9 M9 ]% n“ GasSpring” )。
9 ~) u0 _' Q; w$ [- 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
1 V( B1 r0 g! `) B5 A9 j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
7 d3 k( S0 n* }" X( z的作用。
　— 在模具工业中，一直大量使用着弹性元件。这些年来，模具技
6 X- _6 l" a( u4 r/ C  G9 Z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
% q- ?- U# n0 }, K3 r$ z. R# s5 g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
& |  x( E: }4 `9 ^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：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
/ X* R4 Q- {7 H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
* A! |4 o) C2 ~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
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
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、翻边等工艺，也不理想。由此产生的结果是，冲压制件
7 {8 y3 |- W, M7 ?3 _( F$ z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
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，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；由于气压的波动和2
5 G8 u$ \" A% Q! W- k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，模具设计均要受气垫顶杆位置的限制，模具安装
* @4 O! E+ Z& [. ^7 n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
' f/ ^% @1 j, P' ]/ v; e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
# v, `1 N& o7 p# B; R* a7 }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
/ T0 k; R$ }. T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
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
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，
  O/ t9 z9 G" W0 d% H+ o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
  d6 _$ `# K3 P4 \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
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、仪表等行业。由此看来，氮气弹簧的用途相当
1 j& Y! N, R4 K7 D1 U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，
, {; x/ d+ ?. |5 L这项技术的发展如今正是方兴未艾。　
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性　
) F+ i% P+ x* B1、氮气弹簧设计原理　
! K/ b) L1 A6 B# `; J$ v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
0 U! T! f3 K+ @: R6 t1 c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
(Boyle-Mariotte)气体状态方程。　
PV/T=C， P1×V1=P2×V2 　
. n) M* b1 Q# z0 I4 f应当说明， 除了理论计算之外， 氮气缸的结构设计、密封技术
- w8 E7 E8 I& B2 ~* @: m, n) L; M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
# v& L- J! V, G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
- f9 ~1 j: m5 E' [" V) 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
$ P0 D* K2 M# o% u1 ?7 \% B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、
1 C" i/ @  H, |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
$ e- @6 o4 V6 w! e1 r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
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/ ~- R) Q! L" _( l( O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，
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。　
/ t, f' L1 E" C6 m, r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长期密封，并要在这压力下循环工作，有
; K. d5 t  A' r; {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
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、密封可靠性与寿命等。　
2、氮气弹簧基本性能参数　
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
* g1 C, }# d6 A; t" k- m* u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
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：
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/
) w% p: y6 q* E  d0 C; ]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
下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容： 　
(1)充气额定压力巴　
; g- y5 {* r4 ^$ e- X2 l, A6 |(2)额定初始弹压力牛顿　
(3)有效工作行程毫米　
(4)一次充气寿命米或次　
(5)特性曲线与增压比　
1 T" R. f9 {; ~6 Q0 u(6)工作环境温度摄氏度　
$ o. \2 ]! }1 W$ W5 g  a; S/ N(7)外观颜色　
) L; r  x. X& n( m$ @0 `  ?(8)结构形式和最大偏载角　
" P: e' v+ p7 q2 x3、氮气弹簧的特点　
氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面： 　
+ x! I9 E1 e  k  E(1)在较小的空间中， 可以产生较大的初始弹压力， 不需要预
9 q) z( g+ K# F6 ~: B( x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
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/ {$ b) W# D模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多； 　
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(2)弹压力在整个行程中， 可以基本保持恒定； 　
(3)根据不同的冷冲压工序要求， 其弹压力的大小、受力点的
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
方便实现弹压力的平衡； 　
(4)简化模具压力、卸料等结构， 简化模具设计， 缩短模具制
2 l) F* ^( @" ^  x" r1 w( Y( c3 P+ {7 D造周期； 　
% e& K& w% F0 Q* E- x(5)提高冲压件质量， 保证冲制件质量稳定， 缩短在压力机上
更换模具时间， 提高劳动生产率， 降低成本； 　
9 p" M0 k# t1 d(6)使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、可靠、方便；
0 W3 s1 ]% J6 j6 M2 U1 |& D(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。　
三、在模具设计中选择应用氮气弹簧　
1、氮气弹簧弹压力的选择　
9 P! A. Y! [) k1 n/ v. J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
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
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
方面的问题： 　
& V' R! o  X% ]4 Z(1)氮气弹簧弹压力大小。　
(2)氮气弹簧的数量。
3 ]: x' q; `; Z' U& p　(3)氮气弹簧的增压比。　
% I1 F; B- W* k* N! S! s2、氮气弹簧行程选择　氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要
! E( F4 u, Y  W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
, b/ O" j3 u! Q% C$ L+ l$ v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
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，
6 I, g, G* Z; ?6 O5 P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
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
% r0 o2 S4 q/ s# q3 z3 k5 X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
  y+ m1 A3 {- l7 c/ X. k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
9 Q7 k0 t  L+ b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
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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/ d! G) i, Y- K$ Z. e7 [/ X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
- L3 [! a5 r% A$ b$ }% E( b. z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
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。
" U! S) u' H5 V/ T' w' v1 u4 s　
3、氮气弹簧结构形式的选择　
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特点和一定的应
7 q4 [2 n, f: x6 p5 N' C+ n' [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、
工作环境、工作条件、模具的成本和调整维修方便等因素，综合考虑
% \, g* e" _! D# m; m9 S选择。　
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　
4 e9 w, a  r; s- b: b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，才能充分发挥其作用，从而得到理想的效果。
3 H0 v. J; J( e- c; t　(1)氮气弹簧特性曲线的选择　
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
0 P) @2 t2 Q: ^6 N. ?4 r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
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
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
( e- ?# Y- i2 d' C8 u. k! G/ n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
$ d" x" W1 z5 [" ?/ S" I+ r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
% @/ G5 Z9 z& c# ?! M( L0 @& _( {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
+ t: P% f0 j5 Y1 ?# Q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
4 U" M$ u2 \- f0 }# \4 u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
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。
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
获得最佳的性价和最好的经济效益。　
(2)弹压力平衡　在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡，
2 D. j3 |4 I+ A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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& p$ m/ G* X0 Y  h解决一个平衡问题，从冲压工艺角度说，也是需要考虑冲压力平衡的
/ M% m5 _- `2 R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
0 B: q/ z: r, U9 k7 U件板、顶件块、压边圈、斜楔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，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
% c' D2 j& A- s2 m& i使用寿命，应采用氮气弹簧压力系中心与冲压力中心相重合的设计方
+ Q# [: p5 U% s; @" D- u* r法。　
) {8 O$ R8 [3 N(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，尤其是使用力量较大的氮气弹簧，必须是被确保牢固，特别是反
6 |: p# @- R$ `0 \( X置氮气弹簧或是安装在上模的，氮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， 以确保其正位， 避免发生偏斜。　
0 w3 z9 L' L4 p4 N8 P+ P% E(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，设计人员要充
# I. w$ V6 C' Z1 k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
件一经接触氮气弹簧柱塞杆就可产生弹压力，根本不面要有预紧的过
% X, l1 n, q$ @5 m- u程，那么随着压力机滑块上、下运动，氮气弹簧开启(膨胀)和闭合(压
) v1 Q% n" Z2 X/ L7 n# j0 A6 ^# Z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。　
4 |( |4 O* c. E四、氮气弹簧应用实例　

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1 G0 N/ I# m" ?( Q' b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、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.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件模具中，使用氮气弹簧技术的效果比较理
1 d4 P+ b+ v) e1 d想， 至今仍在正常使用。　
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
  C  y$ S% \* m' T上，自行开发设计使用氮气弹簧新技术，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。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， 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
' P# m8 h% g  [, k: |行设计的模具氮气弹簧系统是可行的。　
- w. k5 x) q; V- z2 M& O2.电子工业　微电机在电子工业中应用非常广泛， 微电机外壳
( g/ u4 `' R1 u$ i! }8 j是尺寸精度要求比较高的冲压件，如安装轴承的底孔与外圆的同轴度
" \1 k5 @# v7 j9 O$ E; k要求不大于0.03 毫米， 对于冲压件来说， 这是相当高的尺寸精度，
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
: ]9 ^; O6 J4 Y: u9 ~) |4 E# S4 P+ d机多工位级进模生产。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， 在这类模具中 ，
# f! {" {; c  ^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，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上，自行开发设计采用氮气弹
( ~) }) T; v! T/ g3 |6 T% e簧进行拉延压边、压料的连续拉延级进模，采用美国“ 海森” 公司生
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
2 p$ S: s6 n8 k9 e# B
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深圳派力机电研究所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， 机壳的质量达到了国外同
, o- v5 e3 N8 L* A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
2 R7 k- _4 Y& ~8 _2 u的好评。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
5 {5 V" ~" V+ p7 G+ p我国首例自行设计制造使用氮气弹簧的级进模具。　计算机驱动器外
8 B6 N8 K0 e( n2 Z4 ^6 h壳零件也是一种比较难于成形的冲压件，宁波余姚市灯具电器厂采用
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 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。　
8 T. ~, i. l' W/ Z/ s" 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
4 R( x4 j  _7 |; T的冲压件， 广东深圳粤宝集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氮气弹簧压边，
6 |  [, G5 z0 t9 ?$ ^' ~& k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
高了好几倍。　
# C' h) y+ u& C; h) @4 X- C, l! W- B3.仪表工业　速印机左右外辊零件是具有一定难度的拉延件。
; c# R/ w1 }  e2 @' i$ ?' G广西兴安通讯设备厂自行设计的使用氮气弹簧的左右外罩拉延模，已
5 M" w9 q1 `3 X- U经生产了5 万多个拉延件，其质量一直比较稳定，模具工作状也非常
. }1 K' t" |4 q# L2 L' I; A: s/ Q正常。湖北汽车灯具厂是汽车灯具专业生产厂，制造灯具产品中多种
/ ^1 d$ J+ Y$ w小型轴对称的复杂拉延件，把一套氮气弹簧气垫安装在400 千牛压力
机下部，通过顶杆，利用氮气弹簧进行拉延压边，解决灯罩压延起皱
4 v) C. u2 g/ H) u3 u# ~9 W的问题，取得满意的效果。车灯反光镜镜面是抛物线型面，产品的要
求比较高，因为它直接影响着车灯的反光质量。反光镜冲压件毛坯在
/ U2 J5 c# E9 ^( _3 Q拉延之后常常需要整形，北京市汽车灯厂采用瑞典(凯龙)氮气弹簧作
为动力，对抛物面进行整形，取得了非常满意的效果，模具的调整也
8 r+ _, U8 ]) [( l比较简单。　
+ b) ?, u3 ^( D9 }4.轻工、五金工业　
: _) J6 D. {# k3 E- e在轻工、五金这个行业中， 较多工厂由于受冲压设备的限制，
都是使用油压机进行拉延，氮气弹簧技术与油压机配套使用，使单动

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! U3 D5 @# D2 U2 q# b6 Z油压机发挥双动的功能，拉延零件的质量容易得到保证。北京京威汽
3 B* f  b$ e/ r! K0 v: ^车设备有限公司是生产客车暖风装置专业厂，暖风机壳体的筒形、球
" M% B! w5 N& b5 j4 }形、锥形拉延零件，都是在100 吨油压压机上完成，采用氮气弹簧压
" K) }9 R0 T" G6 l边，不仅降低了模具高度，模具设计制造也比较简单，操作非常方便，
) |# ~3 h8 T0 k提高了劳动生产率，降低了制件废品率。手动葫芦外罩是一种三角形
的拉延零件， 北京起重工具厂使用油压机进行这类零件的拉延成形
时，也是采用氮气弹簧进行压边，保证零件成形质量。再如汽车滤清
$ K+ H; r, U0 f/ I器厂生产的空气滤清器外壳，是尺寸较大的圆筒形拉延零件，直径可
  f  ^/ |, d- g# {' n$ y! @达400 毫米左右， 高度约70 毫米， 采用氮气弹簧压边可一次拉延成
  L7 D# ~) A3 x/ @! o形， 零件的质量非常好， 产品质量稳定。　
) H+ O) O# C% V) p8 N5 ]0 Q& j轻工业中有不少塑料模具也可以采用氮气弹簧技术， 安徽合肥
荣事达集团自行设计的18S 洗衣机脱水桶塑料注塑模具，用氮气弹簧
起缓冲作用，提高模具使用寿命。由于滑块的行程较长，模具在合模
2 B* ?5 X0 l; P9 p5 F9 Z! ]时，由氮气弹簧推动模具上四个滑块首先复位，模具处在一种柔性状
态下合模，使注塑模具在工作中非常平稳、可靠，起始推力也比较大，
; G& h1 M, x; X5 |有利于注塑成形，保证注塑零件的质量，提高注塑模具的寿命，该模
; m( X5 |+ C* x具已经连续生产了约48 万件脱水桶， 氮气弹簧工作正常， 模具还在
继续使用。