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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  H; c- B   
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) j! M( P& ]3 Y9 J9 y
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 0 ?; X! `4 `) L! F$ C7 P
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) % O# g2 f' F% H1 }
  
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, ' T! o7 Q! g" {* i7 ?0 Z* C
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
+ L' R0 ^: P- J0 V+ r: T
1 _6 [* t8 R: r, ?! m5 p# x
" h7 l2 w; h) l* `& C
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
; g) ^3 H; m4 Y' }7 A
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
: y* v6 S( m: ~+ {. K
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 ) U, C7 W2 l! c8 M3 Z% _2 f+ e
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
: p8 X) O7 Z. J) j, b5 N
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 / f1 v4 d8 |  w, n# i
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 2 A3 I9 ?4 l1 ?, 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
+ k% s& B: h3 D: Y* B% J9 H
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
# C/ R. q* @* ?9 U. k/ V+ V. i
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 Q+ j: Y  G1 S
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
2 J  m( B- Z) V5 {5 L& l  F3 X* l2 M
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, % y- K# o1 E6 x) J
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 & D+ p! f3 O8 ~
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 B% R  Q+ R- q5 F; O6 x
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 & d  D6 m$ h9 a/ ?& V4 k
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
# n) y- O- l  l3 t. x
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 ( L& L" |( e$ T0 h$ \
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
5 x' l% m( W/ g
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, + E5 g6 @( A* O" h
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
. ~! c7 g+ ]: b' O; x  w1 w
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 + [/ l5 \/ Z( p+ D9 @6 ?
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
+ d: O; q4 L3 v' V" f  o) m
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; J/ k6 y& z) P8 N# ?/ u
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
9 e, F+ u- h6 O/ k! ?& M
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 % A! E& P6 ~. b) i
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 5 E' [5 b: W2 k2 v: M' x+ @" k' t

& M% e* e) F: G- s. l' F4 x: A! A3 i4 K% k9 L( c  D
[ 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 ; H. j, b+ _# x* j: x( q& _
    1、氮气弹簧设计原理 ' r' P/ R6 p: z; v; Z7 N0 e) [
    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, 0 M- t2 n. W; f5 B, c; f
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 6 s- c" H% u+ Q' C( {7 |0 b+ l
     V/T=C,P1×V1=P2×V2 % r: _5 O* A* s; A! l6 W, p, \
    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。 1 i& u6 o6 \2 g. Y
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
3 u: V4 L5 P* E$ u/ O, r  K' }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
6 I, U# n) k; ^$ V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 4 p7 R" j4 F  Q' ]2 s0 M. Q* {+ R, V, n1 j
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
% }+ x) J1 l. x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 / U  l: Z, t& L7 O
综合各项新技术应用的产品。 4 v  B# i8 K6 D& y; x6 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
& g5 @0 f1 z; _2 _% W* V7 {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, ' {* H8 D# L, M% m7 H' s
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
+ p6 I$ }6 }4 ]  T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 1 J8 ]. e; _3 C9 b" o" c+ J; q, U) {
封可靠性与寿命等。
/ Q( i- e1 b8 E* O, K, o    2、氮气弹簧基本性能参数 % Q& s+ e0 S& o/ [$ Z0 ^% E- f/ _, `# M
    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,
* E, }% f# K2 o) x( a# s. z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 {& G8 }% Q. x* ~$ c0 u
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 ' H, a! c) D8 v, p
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 ' O1 L% s" D2 C! L! P
以下几项内容:
2 D8 j9 ~4 S5 ~; l4 c+ i. x     (1)充气额定压力巴
2 E! c* b' X) ?2 \$ C% H     (2)额定初始弹压力牛顿
% i3 z0 w' Z# i0 ^     (3)有效工作行程毫米
; B' s7 S! S' n4 W     (4)一次充气寿命米或次 : n* J" V- m3 v2 v$ N# g
     (5)特性曲线与增压比
& Y& |) S/ Z5 V7 U% q2 U$ g     (6)工作环境温度摄氏度 ' Y# }( X5 \: ]' h. N
     (7)外观颜色 8 c7 I" ]' X. l0 D0 w8 D, s
     (8)结构形式和最大偏载角
, Q7 D" }9 V% m1 a  G& m2 |6 f# d3、氮气弹簧结构形式的选择 $ m1 f0 ^" t5 H  e, W
    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
* t5 D4 \1 W* Z8 C& S+ d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 6 W  M" ~7 K. c4 J  \
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
  y6 v; c3 R$ E6 ]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。
" i8 |0 U% o5 F* p8 g. F# d
' T2 |6 I$ i8 k3 I; W9 q2 k
[ 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
6 W7 o1 c  w& c7 I3 J    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
2 u. E  u( X( f# ?8 C能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 1 D8 N/ V: [7 j( \, z/ T
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 9 J% p$ T# h8 F3 j
    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 2 a/ X5 u( {- G; ~. {4 O9 |
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
% ]1 J) ]$ u4 F# m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
. w+ u; e2 m1 V: ?2 q5 n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 , C: [0 D9 }' y/ P" o& 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 & t3 \  G6 Q2 T; O" Y9 d$ z0 H
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
$ X" O" J% z1 x% J" L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 & ^+ A) M$ {$ l
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 ; W9 ~4 Q: d- P8 V2 }
而获得最佳的性价和最好的经济效益。
+ f' g' W- ]& F4 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
( t  A+ r9 F& x; d( ^4 ]( [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 $ a  q0 A5 ~- M7 ]# c/ k
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
+ Y5 K' B: R4 s, m3 ]% V+ k- m( G* [! g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 & P/ p( N9 n3 [# x: K- e
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, ( m) Q0 W+ E0 ?3 ^  t6 t% o
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
. _! B/ A2 _# n2 \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
' p: _5 v9 r( p. V力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 ! n1 t) v, I9 C0 T- b
     (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
( z1 q, |$ [0 J  G2 @2 ^. s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
3 G: i- s" T# I, |9 Y- g" L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
; ]) A1 l, F2 V$ r5 e3 v8 [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
8 S6 G6 I; l, o1 l& i. U, z3 S( ~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 ; P: E# ?. z, x
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
- ~6 c/ L! I; M7 t+ o0 ]1 q5 C% @其正位,避免发生偏斜。 0 X, {% x' J0 p; N) I0 _& m% n/ t
     (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 |8 E  {0 u$ l
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, ( {0 e9 `: Y- v9 O
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
% m2 F' J" y; {0 r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,
$ B0 [* |5 J; I, F, P) }. p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
" E1 l1 n3 h2 Z- y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
- ^: j/ s0 m7 o0 W! L  j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。
8 r+ {3 g6 `% L* h# K; W) g四、氮气弹簧应用实例 , ^/ J. \2 v/ Z) l8 \4 @0 `4 h
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、
1 G  o% i* p# ]) \# y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
, @7 _5 n' p1 o. R/ R  G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。
4 w, @3 e2 H1 U* }2 q( T. Y  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
9 L; I- M! m4 a* h2 q/ F% J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。
/ P1 M; B, c. f, X6 P4 D0 E    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
$ z5 e  R$ J9 P" x+ f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。 , m+ j+ l* O# r' {$ U, F
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, 2 G  b* O! R' t
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
  \, ~6 T' A2 A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
: q; ^5 @2 m2 H. H7 J3 ?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
( d( ]; K& i! c; r  d' K簧系统是可行的。 ' \9 `5 y6 A) N
    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 ; \6 e% t  s1 G7 o' Q1 g
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
$ Q3 c5 R$ }9 c/ x) H' q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
' V# \' w( m5 m$ H7 X- D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 9 }) m5 A$ Y- m! |) U' V* ]
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
8 ?+ W# m7 o1 z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, 4 g! x6 |8 u' Z: c" T9 x' ~. k
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 ( I6 ~5 C4 i- ^
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
. l% c5 T' z! i. I& 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 : X; Q4 c" k8 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
0 n. }# |0 Z; t8 _1 r' G6 n$ d# f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 * Z4 r& _2 y) E6 Y  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 1 K8 `: m3 i( W# N2 i* T6 C1 w
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
+ O7 K# F& ~9 `/ O% X* l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 ' ], R: o) \0 N2 G! n
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 + M7 f1 F* J* p7 m5 {) c
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。 5 e9 z( v  J$ L3 o' X, G; o- H2 c
    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 9 [) N' j. P4 x% I; C: ?  |2 O3 W
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
9 c" W5 p2 b! ~' A4 `2 j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
" V* s# _! g& N( \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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