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氮气弹簧在模具中的应用
3 a. U5 H# b/ @# ~3 Q" m, B, E一、国内外氮气弹簧发展概况 , }+ W) N1 {7 L
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/ R2 q7 x8 l" a
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
! ~; j" ?' k' Y/ w7 C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' E- }4 w8 O! e, ?
称氮气缸弹压装置， 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、
6 m! J" t8 x! r8 }. w0 c“ GasSpring” )。 7 y c% d9 Y& ?8 G4 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5 w: u+ X* |- a! g4 Y1 t
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2 K' N) V; }7 w0 U; y5 x1 K7 }) y
的作用。
& w7 ]8 n Z9 K2 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
+ \$ I, S# {& A2 ^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# e% C, L0 n( B9 E. G7 @
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
# a) F* I* j7 U$ |3 H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，
! p4 \. t# e. A. u7 m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
" Q. b- E# B+ l7 W6 c2 J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
+ J. X8 O- J$ F2 j, P0 V0 c7 e" V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
) O: A# e- i9 b9 V0 w# x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
o- _. T7 P& G. ^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
; s4 k6 J, g% j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" }0 ^8 E- s* d# N4 V# t) R: E+ N
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
- J6 _0 J Y- 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
2 S. T$ s. z( P: D& J# U, F! Z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" N) e2 H- v$ A+ n
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
W$ E0 |/ ~ O/ b. S. A/ r5 l# ~2 `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, g9 R9 v/ B6 h( f5 Z, h/ u& }
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! b/ Z: Y9 T+ {( ?- T. k6 A
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
2 T5 n5 k7 h2 U0 G) K- p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 7 n3 O7 C& ~4 G
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7 i% g: I0 J5 I8 g$ c
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6 D) K2 F5 z( b
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
/ y8 }8 x; z5 b+ U, Q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
# O+ x% x6 Q. Y/ Y9 n. M; W3 C+ ]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
: u: c% z0 e A2 W/ c+ f/ q$ X' d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
6 ?4 r0 q) m5 H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
3 f6 Z% R9 [- f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4 F' G; H5 H' i+ D" d
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， 6 i7 I! R1 w! F T
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* N0 D, N8 p# Y
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
$ q% c; ? J, ~0 [; |8 _& v% d3 i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。) b+ V) S( \- f- q7 ^' n2 R
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
& ?" h3 M: }5 F, I' z1 b' }5 }- a# z! 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. X9 Z+ I4 ~; Z( d& T/ Q0 Z7 B% C
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， / {( b5 @/ b+ C" y! H
这项技术的发展如今正是方兴未艾。
& I# a# p: I0 l8 `" _8 c二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 - ]! ?- q+ Z+ Y) I
1、氮气弹簧设计原理 : O0 { ~2 X$ T
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# K; m7 \4 v- y
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0 H' c" i4 F5 f4 _
(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
" }7 J+ c4 I& Z' a8 }5 D% CPV/T=C， P1×V1=P2×V2
% @. K* ~1 U, G. W8 k" x! T5 N2 b! Q, b1 ?应当说明， 除了理论计算之外， 氮气缸的结构设计、密封技术7 M. d" V+ M# Y) N
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
( y4 V" C4 }) N* r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
: T- k' }. Q, T( l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
3 J8 r& G; e4 w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、
# W9 d" o$ ^& H1 y: R: _" o; ~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5 Y# o: \0 v" {
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 v2 w* T) t) f6 I0 n A7 U
3 & A6 F# m: J: S# K# J0 T5 U/ l
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， . d( }/ Y- B3 ~
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。
7 W5 {$ u9 ~2 S' ^% o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 ]3 J$ _! T- t+ f% z% U9 I
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/ A/ Q, z& J$ X' l0 J
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
8 f+ s3 |6 d: C8 I Y1 X/ _" g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， 8 I% K3 H+ c& K' t0 V% E! x+ q
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
4 l" q2 L8 R& a$ C面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。
! s0 z( J& S3 k& t2、氮气弹簧基本性能参数 % @7 J6 s4 K5 x7 }1 {# m0 {0 A5 i3 y
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
. Q% [" j! b9 X9 G9 R" `4 |! {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! o5 T; f6 G$ B( g
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：
; l5 `' D7 k% G$ F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/ - Z8 T M2 ~+ G; L6 X, C3 X4 a6 X
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
3 s& A. p y/ H下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容： & e' a# O' V p6 H
(1)充气额定压力巴
5 p' n4 A6 P; S6 \' F(2)额定初始弹压力牛顿 ' `1 ^9 b9 v! c% }5 k* o$ b
(3)有效工作行程毫米 $ A6 _- }7 X" t( d. G' n7 t6 x2 c
(4)一次充气寿命米或次 : m) G A% @0 ]
(5)特性曲线与增压比
9 }8 @+ E5 L: m0 e(6)工作环境温度摄氏度
& c9 J2 g8 x2 F4 S& X- k8 z; k(7)外观颜色
# R* W( X9 S4 A. b: \ T(8)结构形式和最大偏载角
" s* d- @. g2 J6 }3、氮气弹簧的特点
7 s" \' x- _2 ~) W' R/ _4 Q; ~氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面：
1 h% Z. c) ~# c' U# ](1)在较小的空间中， 可以产生较大的初始弹压力， 不需要预! P: c6 a/ M3 g; u: X: c
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 M. C6 H0 D7 C3 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: B! _) L- w5 t3 r
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多； # H& Q9 j; X; K! F% b: g5 x
4 : k7 f+ V! o Z7 D% v/ A0 |
(2)弹压力在整个行程中， 可以基本保持恒定；
, j" {. L: y, a5 D$ J(3)根据不同的冷冲压工序要求， 其弹压力的大小、受力点的
, P P* ?, y; x# e. x: e; K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
1 t c' K7 m1 D方便实现弹压力的平衡；
2 K+ W7 _: `, \4 z% [0 n! x! v(4)简化模具压力、卸料等结构， 简化模具设计， 缩短模具制
9 W( G5 A" @ ^: m' {) R! {造周期； . |) x! b) Z( Y: \
(5)提高冲压件质量， 保证冲制件质量稳定， 缩短在压力机上
" D7 _2 X' c! @5 H更换模具时间， 提高劳动生产率， 降低成本；
T" _, _ R; m5 Y7 Z0 R(6)使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、可靠、方便； $ y9 E9 r( s6 R
(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
T% Q$ e1 j" l三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
3 V% l+ _4 G3 A# Y% j3 h; O; h1、氮气弹簧弹压力的选择 ! K: U; ?( I8 r+ n! f: p# z7 ^
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" O P! F5 j- f! o
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
! V2 y9 h# K( t) j6 [) |; W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
; k9 H2 E/ M$ {5 e方面的问题：
. u2 H o R1 j(1)氮气弹簧弹压力大小。 : \& P8 h$ P: d& D; ^3 Z. X
(2)氮气弹簧的数量。 ) Z4 B8 B2 v0 `' `+ [* A7 _- h
(3)氮气弹簧的增压比。
# ^0 j, y% r4 ?; k2 M" X2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要
( z% Y0 _; l$ U8 U% v& W" j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 D4 P/ P# D3 m% b F/ C6 j
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
) D8 l. g8 u! A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，
( x: ]- O$ g4 u( I+ O3 R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
9 v" z0 g/ M3 l$ `5 w9 L9 g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! U0 e! Z% p$ X7 p- U
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: K( ~6 C" \/ ~3 G
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
8 T* G* b9 E; J1 [, y& `8 t5 n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
4 y ?/ P; Q" d/ m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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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! ?" p4 I V( o
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2 x# V$ h6 {5 _# k+ J$ i7 k
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。) F1 h/ q2 x0 ]. K5 }; H
7 N- D: B% `# ^* l* |" h6 M9 ?
3、氮气弹簧结构形式的选择
: d. F+ u9 E8 D4 b" \1 v# f# |" d1 j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8 K) v$ o: u. E% }& R
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 G$ l# ~5 l! D$ }/ a/ v& X/ R6 S
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
. M( l$ w0 W) M( K! n3 E' C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、4 m/ y- L$ A6 I: ?. V
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; r% p1 Z5 W( Q7 h
选择。 ( _& l- b# D0 p) I
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
+ ~+ i3 V; s/ q& Y$ L+ H0 u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! W9 @/ N$ x) P2 ?; G/ ~
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。
G _) `+ A) |: W9 \; h& q (1)氮气弹簧特性曲线的选择
5 K$ a# k% T; Z( i- _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( X$ a0 [. d4 M) _! t
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
1 h; b) m6 D1 n* S3 I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: H7 S g" Z. q G9 ?+ L9 v
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- g, @; s8 d i
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
$ R5 y% \" N* Q& a. H5 G3 Q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
, @" u: [- s) c: _* y2 x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
% X) i+ q, p0 c2 F: l {3 p/ D) T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3 W1 k$ ]' h+ |/ U+ j: e
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: V% y3 b. O. e+ y- y/ d
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。
1 s4 \) q6 P# n; W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
+ E! Y5 ]& q" b获得最佳的性价和最好的经济效益。 ) ^2 R# r' t9 \5 [) E; Y0 M& D
(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡，
" E; x4 i% ~9 f, I! K. ~, D4 x# h. Y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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发表于 2008-5-24 22:16:04
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