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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
' Y+ P4 }. i2 X2 O. Y5 T7 o   
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
+ p8 A" L  d' z1 j- |
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
( |/ t4 ^* W5 l( e
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) % \' Z5 `4 v3 p+ C
  
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, # N2 j  s$ S: T7 ~0 ~6 e
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
$ p" Z1 _# b* ~9 ^$ @% V) i& w5 u& l) H5 _$ T! @% h4 W# Q
8 v  P3 j4 d( d9 L5 V- m" y5 g* x* R
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
, [7 \+ W5 K6 G0 Y# _& j4 t- q; x/ m
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
1 U  O% T( R. x/ G' u
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 ; i5 X: n+ x8 C7 ]7 C) f( S
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
+ A; r9 t& v& {' Y  {
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 4 m! j8 Q: a4 a; M. \& |; I" D) l9 W
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 L1 z# n1 o0 n0 B
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 0 j; B4 i( s9 \& _. w
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 2 g' |2 N6 P: T1 ?1 H) V1 D2 @  Y
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
' ?; J, v2 V- k( V
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 ) d9 a' A  q0 a) c
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,
4 ^4 j% M+ Y3 K$ @4 {
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
: X# @9 E% Q- a3 s: X# h2 P7 V" j
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
3 c. J" Z1 {9 ~8 A, }7 ?
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
) g! a% a* X. Q; M) ]. |5 I
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
* \  {! j* u7 v; L' e
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
" i, }7 T$ t& o) A$ _4 Z
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
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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, " L  z. N* I+ C2 k
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 ( C9 Z& w5 y' `+ Q/ q
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
  E; D( H8 a/ a5 e. w1 j- C2 W
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
5 A, b5 ~5 C( b) W6 n/ ?$ g, `
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 / g8 K2 Q* Z3 }! 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
7 w7 {# O2 U2 {1 V: y
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/ h' R3 f, E
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 7 L5 E& O# m6 ^2 T8 ^

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0 {, g# I2 {0 N1 S1 c/ s9 }[ 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
2 F8 b* ~" J/ l    1、氮气弹簧设计原理 ; B, e7 \$ X: O2 ?6 w' }; H
    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,
7 H7 b$ v, C3 A因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
  Z* j7 Y9 t5 a. U2 v# r9 P- P# D     V/T=C,P1×V1=P2×V2
; m. V& G& B8 ?0 P6 Z    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。 & A' d7 i0 f  X, f( \* f/ n
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
8 l% [0 D. G3 p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 5 K: T2 n5 H  p1 A
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
/ X; u* J9 ?% w' c; Y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 ! O. t8 d: H( R* ]0 l) t: m7 ?3 ?
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 _: [1 x$ h1 J; h+ B9 e0 Y综合各项新技术应用的产品。 1 t" T7 J/ k7 Z% H; \
    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 9 i0 @/ d4 U, [' Q
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, : n3 A3 Z& I' `9 b% S6 O+ 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
0 h. d: ^% \3 J$ q5 o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 w" l4 Y$ J! o5 H
封可靠性与寿命等。 - D' P7 [$ C1 q$ l7 p5 O7 Y
    2、氮气弹簧基本性能参数
: Y  D4 i+ D% l$ p" _    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, ( z) G( w5 b. N1 C' \
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。
6 t/ M! v3 C$ M3 K' `5 D' P' R3 M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 6 ]$ x4 {3 O6 }3 L
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
% @7 W) r7 }6 A- M4 ~以下几项内容: : q0 ]* V, e4 u: E; g
     (1)充气额定压力巴 . F4 X  {5 @$ u$ q: F, P: V! R
     (2)额定初始弹压力牛顿
& l: o4 a" o" T8 l     (3)有效工作行程毫米
+ b9 L6 |  i% Y/ U0 g- M. W     (4)一次充气寿命米或次 & C! `! M- m0 O: \6 c5 J# c
     (5)特性曲线与增压比
( K5 Z; t- s2 F- _' d# q0 q     (6)工作环境温度摄氏度
( T5 n* m0 x/ S     (7)外观颜色 1 Q, Z5 V8 G1 C5 z5 f1 _% [9 \
     (8)结构形式和最大偏载角
8 k4 g8 U7 V9 E3、氮气弹簧结构形式的选择   ^) z" ?0 A% Q5 x# J, o1 {
    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
9 v' F5 O8 {% P( k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 0 ?/ ~; q) _% z0 i9 e3 b7 X
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 $ K5 |' R- S% m, A. l0 F7 F
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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& [" `( a' O" {% w: Q: g[ 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 : I5 ]( k4 T, k  |& h/ a
    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 " h( ?" D$ k" G
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 - b3 N" V# l) {( a. y( `- N
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 $ _+ k4 @9 [( `4 S
    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 1 h, X8 X, ^4 ^/ V) P1 c; w7 q
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 ) ]5 |9 j  Q' q" W/ v
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
0 s- A8 H8 X- z" l4 p, p! L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
2 F% _5 x" m% \8 b4 m. C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 , K$ q) T  M8 @8 v
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
- @" k7 m5 ?# I5 `3 A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 5 b! w: ^! J) ~
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
$ G, a, j4 X$ \! I+ H/ r8 L而获得最佳的性价和最好的经济效益。
, C+ T. b0 b$ ^" l  |0 `% M     (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 0 Q" h+ H" y" a' x6 B) t# k
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
( R, f# D8 C$ n* N( E5 T* z5 d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 . |0 \" W5 p) w3 X$ d) ?
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
# {, E$ y1 v& T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,
# d9 a( g# y0 j: F: ]; S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
" @. d9 g. r( |; H# e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 0 w: P4 c; N$ g, t0 K# K
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。
! Z( Z$ A* e# n. T& X5 ^     (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
4 Y- L8 L4 r$ i5 x+ d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
( K$ l8 I1 N7 i8 Y3 T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 . Y) T& h9 l1 g1 O, e' j
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
9 t6 U2 J' ]* n& w4 x& z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
% t/ k/ `. _# B! {* T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 9 h+ d7 P% R3 _4 W4 V
其正位,避免发生偏斜。
7 ]' Q3 H9 A% 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 / Z8 ]1 ?3 O+ R. |; b
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,
8 \! |# _2 {, E2 @# O+ a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 $ d7 U. x7 m$ y" Z) v
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,
) g1 q* M; B' Y7 B: z8 T- b2 o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
! [6 [" F2 k$ M9 C6 {( P' r: b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 . X: s/ V9 T2 N9 a
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。
" M# X; B0 H$ o$ H4 Z四、氮气弹簧应用实例 8 q' r, u+ H# @; D& g
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、 ( Q& y. v/ z0 @( _$ Y# s
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
( y5 h! s8 [7 k7 {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。
# {. s, x4 g1 [( _  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 4 T. S" L9 \9 p' d
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。
1 b5 e8 ?% `6 R0 c0 X8 N    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
4 c7 m5 C1 k! j- P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。
& H; ^% L( H& Y  t" Q5 X! W* X; B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,
( `! K5 p2 n0 q, s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 8 j/ z! t1 [- V) R4 D' ^$ Q* 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/ h" Z0 z8 B- P2 b: O5 J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
& o  w3 z' M* ^5 f簧系统是可行的。
0 A* U  I2 N/ O7 E) r    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 5 k# ?+ ^# J8 O+ j! J
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 2 k6 W3 ~+ x/ B  C
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 ; k. U2 l3 z7 F2 L" U( y! Q3 x" ]" i
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
  C' p. I$ M9 t$ R# y0 J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 : R9 S% D; c! E7 [' U% v. Z8 i
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, , |5 k# @' p: B1 o
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
' h% e! L7 d3 P7 B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
( d# y6 D- _( |% f) c- \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
$ u* ^! B" g; R9 Q  j, H9 o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 % b. r' d+ j% o4 w
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 5 {  B- P2 \7 \4 T
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
) e5 U( W. S6 ?3 K9 ?+ @2 [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 / U. g, }+ I1 r5 O% B( k
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
- [. Z5 c* r0 q4 I7 T1 }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
' S' g4 @: t/ a, V! ~2 I$ Y8 A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。 # o9 [- r; O- f8 T6 N
    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 k& ]9 I$ [7 q) B, I% L
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
/ W) z2 x6 I6 m- |& d  u! x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 : \  `& A: d( ]" c
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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