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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
+ b% ]* `0 @& u1 u6 ~2 r3 Y   
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 : T/ D; Q/ f# w: q0 ]
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
7 v- {, H! O2 i/ D' ~, A: a) o
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
. g1 Y, u! k3 A: q# t6 v  
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,
, a6 Y/ P3 t3 F( K" h
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 9 E0 C: {  L9 F
+ F6 m- z0 q0 t$ n) P
7 ~" E0 O; G+ W* b0 f
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
1 w1 T1 k* [$ H! d: o+ I3 f. G
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
0 C3 s3 z' }8 q0 i+ C5 C! h
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 & }$ }% @! A/ f
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 1 h, B4 D) l# P5 m- N( A
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 1 |$ [) Q5 H5 t0 m; D
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 : b1 F7 b3 V& C8 b) z# I% G
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
% `/ g$ u. I7 V
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
8 L# o5 P' z6 [% ^
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 C3 y# o- h% i2 V  h+ g: s" Z
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 . Z) u) T# ^' I, Z& _
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,
1 V/ D" i- S5 r6 U+ e6 V
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 ' `' H- n+ x3 k. C: ~
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 X: X; v5 {( X! o# T
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
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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
3 s' o& x5 R  P
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
2 o0 m+ t: @' @$ s) b
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 ' F- e" H* P4 `  K/ F+ c: i
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, , S/ E  r* m9 j5 z
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   K- l# H  X. z5 u4 w9 R
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
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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 c' n# x$ u$ Y" r. @
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
+ ?' A* k( |5 N0 E8 h: f1 z
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
4 p+ Y4 D+ _( X0 h& H
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
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需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。
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[ 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 1 I3 M) T) s( g6 {! ~8 B8 ^$ F
    1、氮气弹簧设计原理
! b) s. [# I; }3 W& c  Q% W1 p    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, / V# I6 A: e6 k' O8 A
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 / P2 S& i( ~5 t, p' r
     V/T=C,P1×V1=P2×V2 8 k8 Z$ f2 d! C
    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。
- C3 }1 t1 `7 @1 K" q4 L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
4 z; G  U+ A. u6 u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 " V: B' x0 }5 m
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 $ E5 ?! o- a4 I, a
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
3 D! Q) K9 i- b8 |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
$ @1 p  }0 a9 y# F) `& G3 p综合各项新技术应用的产品。 : H. a  t5 U$ u2 ?- t" B& e
    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
/ i! `6 `0 `; L' t) H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, : Z/ ?$ {# b# H. U" n1 e
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
+ }. L; S# Q' `! A; l2 I% P6 D' o  W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
+ d& M. }3 k% P" b( g9 a9 @封可靠性与寿命等。
5 f5 A/ R! P' r! L6 V( {9 w    2、氮气弹簧基本性能参数 + V4 X% O2 i0 F/ j% 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,
3 |, j1 D. t3 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 L; W! R  t7 c8 X- p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
1 r" N6 O% P2 L3 o* l" f4 f$ c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 . L4 n! P' {7 X
以下几项内容: # [/ @. b- d: ^6 C# E: Z* A7 j' I1 ~
     (1)充气额定压力巴 - f% B2 Z& o3 {6 D/ r) P
     (2)额定初始弹压力牛顿
* V, b4 u" {( ]* V( U* S7 i2 Y2 b$ c     (3)有效工作行程毫米 7 F1 L8 B" D) z, W- w2 x$ S
     (4)一次充气寿命米或次
3 U' I  k& ]# J3 Z4 G. X     (5)特性曲线与增压比 * R2 A$ Y5 {# l. {
     (6)工作环境温度摄氏度 6 p, z  R4 K& ?, B0 v( V
     (7)外观颜色
" W* F* M/ S8 L     (8)结构形式和最大偏载角
) z0 {7 |5 o8 P" p- Z) u& S' }3、氮气弹簧结构形式的选择 * U2 c0 Y9 Z( k% g8 d
    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 : a  K) I8 q) k9 `/ D9 K! i( ]
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
5 r2 f- M! M: R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 & G. i" X+ [3 N. H$ u
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。

" I( |  _1 A+ L- ?" [0 ]) T  @' t0 m$ M/ L# ~6 W# S- v
[ 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 , ?3 D' n9 S( Z; g- [
    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 . }+ q) V4 _5 O! U: y: C+ c1 ~8 c( |
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 2 c8 i$ _9 ?4 j0 b8 d
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 9 W: D; q2 w/ C$ 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 V/ S( f& |0 I9 S8 K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
* f. ?* K3 z; y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 1 X$ ?4 ^6 m/ z  j
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
0 J  v$ s( W% [  a$ K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 , Y$ p- ~( o5 N" O) R
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
( n: q: {3 i) d& a, }0 K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 % |/ n# J8 z* ~
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
4 z5 ^0 b0 h7 G. K  W! v8 c而获得最佳的性价和最好的经济效益。
, n& X8 i1 e5 I8 Q9 x3 {( p     (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 b/ C/ \8 U! ]6 I: a# Z; Z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 ) |+ P6 _1 M3 C  S7 w/ J
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
6 O- W8 q* R) B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 , l' ~/ N; ]! }
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, 0 V; d( K0 V9 A. Y1 ~7 t5 l
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 " T7 M8 Y& Q2 M
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
5 @! M- n/ k' s0 [力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 6 W/ l( Q" Q! F4 \$ S
     (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 # H* Z3 L% }+ m2 n3 q' ^: @7 s( n
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 9 \0 p- a( S" A
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 : k% d! k) |* L' _% t
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
# v0 I. i% |" X6 {% T& u1 r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 ! o0 y; x0 r7 u0 M: a
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
/ t3 O9 B3 A8 g6 G# _( X其正位,避免发生偏斜。
& k4 b9 q) e2 C     (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
# h9 ]! t4 t1 B6 d" s1 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,
) V% D2 ?# q! b1 v6 }8 }5 p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 * q+ S8 P- V' P' d' \
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,
0 O6 N9 b  a; i) {- T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
7 {; G. r5 q+ E1 \' \; |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
6 o3 r" f2 ~8 ^+ N; x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。
' k% F  B9 D( a3 o四、氮气弹簧应用实例
: M0 J% p3 n& w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、
: R( q. o5 W% }; H7 g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   v% @8 j' ]& U" L0 f3 E
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。 ! b4 E' |8 S: Z+ X7 Q& }
  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 ( o( o0 B) S' ~7 V
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。 8 y& d( k7 [- L2 d
    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
" r( \, g4 u7 r3 l" B; D7 o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。 1 w0 b( y# O1 ^9 u
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,
+ i7 R& B6 R" h& v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 # I+ R9 x9 |4 N* q8 [
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; m+ d& @3 F9 G- ]+ c: 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
2 V. `/ g* k7 W) z) o; O( N( H( L簧系统是可行的。
1 f5 c: e9 o7 q    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 - d. I5 K+ h4 }) s
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 & F; y; G. k3 J
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 ( r$ g" `  L* ^6 K/ J' K
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
. f! F8 E) @) z4 i  R1 q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 - h& `3 I9 V0 J2 b, X
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,
* r1 T7 m3 @0 {) u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 + P) y1 Q; K) o! I5 l
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 " b5 L7 b1 o0 d; }4 p: K
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
' T. J8 r$ W7 ~- F9 T6 j/ k" I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
9 Y6 x  M0 p+ L+ c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
0 @0 ?# D8 l, Y3 N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 % ^) ?# w! B! |- ]' H/ A
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 ( ^7 K( o- X$ u; B. {! h% X
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
5 v1 l% |  v6 v3 r& |# W* E4 V/ t5 [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 ' A# w" c+ D$ d8 z2 m0 t: R/ H/ E
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。 : j$ K4 `9 A. c! F+ ^5 ^/ \4 h
    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
4 v7 ~& t2 N! C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 / ]8 ?# f+ B' i8 q# N
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
( s7 `  @0 N6 m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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