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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
$ ]9 e* e' h$ N3 Y; X  C9 s   
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   `1 a8 t! E& \' E
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 Z7 m5 ?% @6 S2 Q) ^0 Y6 w
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) # r3 u. f: o7 P  y4 s: G8 u
  
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,
7 L1 ^% A7 @3 W  L$ t% Q+ Y
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 1 \  O; s/ r6 H
4 s$ S0 _4 G5 r7 @' h

* |& V  `! u$ T' `) y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
+ l4 \0 R6 ]. s" I
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
, f8 y+ ], }" V4 t! ~! Y: \3 Z# q
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
( }  }! _4 p- Q% O* H5 T
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
! i" m5 ~3 l  r; x1 X5 J
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 3 [! Y$ |1 F; G* D6 Y( }9 ]3 Y. \
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 * K- \2 z; [5 r0 Q9 T, {
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
5 C6 U/ H  Y- }' T
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
: o# T& r& M3 v/ z
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
4 W  {; e1 w; f, Y7 `3 p8 U# h; 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 ! y+ I& Z0 G4 G0 @# o6 o/ _
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, ( T- A) ^  l8 M8 _6 ]. S
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
( S! }1 M% ~% h" T) K
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
: [/ N+ d8 C+ o% A+ i4 |. ?, y
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 1 g! y3 [) m9 Z0 t8 [+ R* j/ I" u
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
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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
" z' O" R" y: \; I6 }. g9 k2 c
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,
, @. f; e, [5 A: t( s* j/ R
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
' ?8 v6 G$ \3 ?* G
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 " q+ \. ]# S: `* w7 r0 t9 |$ x
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 % ]/ \$ @6 X0 p1 I0 O
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
2 k8 R( g, ~+ w
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
+ [) Q- G1 }: s) {! J* n$ k* P) M
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 & e2 V- }1 i4 H* Y
    1、氮气弹簧设计原理 1 w- b" s( H; I2 ~9 c2 k* D, b9 X  v
    采用氮气作为工作介质的氮气弹簧,它的工作过程,可以近似认为是等温膨胀和压缩过程, 8 n# O5 {+ _7 s$ g7 ~; ?5 t
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
6 m4 j4 x/ }0 w     V/T=C,P1×V1=P2×V2 ) f# l3 z. q7 l) h' r
    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。
$ q4 a0 B3 j% b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
2 y- u" B# a: m2 }- 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 ) B4 N0 I4 q! j" T; X
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
1 l! U$ B) L0 e; t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 9 [# Z7 t9 f, J# L
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
% g  ~5 c9 {9 l综合各项新技术应用的产品。 / |; h. x0 W9 B, i! U4 j
    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
" s8 ]; Z& ?5 E, }. Y6 m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,
  n  l3 ^* D9 Y/ s7 U: b* N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 % B1 _% _6 x8 M" w$ M% l
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 5 b) z& h( ^$ `; W: ?
封可靠性与寿命等。
6 h7 A+ s8 y5 K6 L' y, O0 _7 {# H( o. U    2、氮气弹簧基本性能参数 0 c8 A8 E5 g1 g! a  s, g1 Q
    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,
0 I  Y3 j1 V) e8 L7 U2 J7 n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。
) j/ a) i1 Q; J/ i- ]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
( d2 D  e9 {! W* O* t' J, \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
, d! f1 u+ f: D! |: G: {以下几项内容:
* D# ~8 \+ ^& Q. H! v- I1 G/ v     (1)充气额定压力巴
  [2 I- j$ E( n: ?. q8 z: L     (2)额定初始弹压力牛顿
% l2 i1 N/ h4 Y# p4 l4 ~2 b     (3)有效工作行程毫米
9 K2 T' ~0 T5 i4 s, @     (4)一次充气寿命米或次
! x5 y& K) E; F% `% m& o$ W     (5)特性曲线与增压比 5 W. N: @* F2 ~, U# d+ D2 n0 X
     (6)工作环境温度摄氏度
2 G7 b( Q  o  f2 \     (7)外观颜色   m3 a9 a* Z$ t+ H" K* D: B
     (8)结构形式和最大偏载角
  K+ `) z/ \" Q: R, w1 a8 c3、氮气弹簧结构形式的选择 1 E- I/ u: Q" Q' Z" [6 J, Z
    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
; _! w* a0 U& i0 ]0 C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 * e/ o" L" q0 ]+ e& r' d
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 . g1 P0 @% K4 N( p* R
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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[ 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
8 @8 `% J' B8 M& m; s    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 / A+ `% d( m+ |0 E/ V# N
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。   C( u  U* r  F  R5 E( o3 w! _5 c! f
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 # Q' ?& }# G1 C/ }
    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 ( T; ?/ _) S2 ?
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
' L# D8 K! O$ x5 A1 T2 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
6 q; B7 w+ q  p) y4 J; h8 H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
: L$ l( B2 m) A$ `* C* a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 ( Z% C: Z" J- v+ K2 b5 |* ]; F" _# ?
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 . l  Z; s: L- G4 g  _0 f
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
8 z$ f3 F' p+ |& x) u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
/ p% j! D, i$ E- _7 V而获得最佳的性价和最好的经济效益。 0 l* ~1 n5 o6 P0 O8 _- r& x
     (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 9 ]5 L7 Z4 x1 @5 i8 w
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 0 `2 q) h* ~' J4 q  b: N" g2 y+ r
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 s2 E& Y0 A) ?, c
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 ; @/ w$ v9 v0 ?
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,
9 f: f$ }" d9 }6 @& K* p6 k7 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 2 J& |5 d2 P3 _6 ]
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 3 [) R' t" ~1 t& r2 D/ Z
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。
  d; h' e' J# |6 C     (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
( x% \+ V% s5 x  H, k1 [' B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 ' ]- T; q6 H8 n% o( F" P- q
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
; |* ]( U# o/ k3 Q% h. A$ e' U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
! R  \* R) P9 V. o% a; Y/ D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
  |) J5 Q+ Q$ w  m7 [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 t, j' t4 ?$ D
其正位,避免发生偏斜。 ! Q+ F: W% f7 z# E3 S7 J
     (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 - r8 ~( j$ j& g5 ~  t' g5 G/ `' Q
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,
7 U0 _* J/ C( J9 U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 + `- x' u7 {$ A6 m, Y$ 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,
# _; s' ~9 ]( X$ f! u: S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 : M' P3 q5 Y8 {! q. c! w, h
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
+ |( [9 p- l3 R7 G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。
; W' L( m9 X! p8 T" A0 x四、氮气弹簧应用实例 5 N) J6 t. v1 M" E
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、 . A( D, \0 Z0 D; _
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 2 `" j% k9 z3 j  m! x0 A
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。 2 {) m' N% F& y+ Q6 y1 T
  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
. Y* s  y$ H- Y4 p8 u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。 . R" g1 u8 S( 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
9 m- F9 c" a$ O& x; |. _7 B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。
/ c& \% ^! r3 y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,
! m" A) r& L7 X8 e7 h% m% 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 4 Q% ?7 h) E8 n; ]
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
1 V6 i( O% V) Y3 F  f- X- ]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 y: x! {# V  e簧系统是可行的。 3 Q1 @  _5 P3 e1 v3 W
    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
# r2 h, l' `! A; 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
6 S- f. ]4 ]3 `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 8 y& a. r6 p( s- W( N
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 + l3 w8 i; u/ \4 q& X# Q% a" X) a
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
. I. {( ^7 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, ! R  \$ b* p6 P7 [% H: I' g
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 6 N% Y  R1 c8 ]" j) y( w9 ?
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 2 Q0 R5 _% E% r3 g2 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
7 W0 V3 a- U' h3 e: G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 # ~3 a; y" g7 k! S
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
) |8 ?) k& s& g: z* G4 X6 e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
5 f4 y+ g+ U1 y6 C& X/ P* l4 J. ]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
/ ?  D/ Z4 f# n" \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
0 O, [. v/ B  u0 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 ) `* Q8 \/ w  q" |
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。
" b( ?. A2 W+ u5 N1 l    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
* t4 I. Z5 \. V+ j2 Z0 s! H+ 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
1 t! r  P: @8 O4 ?2 `  v* z, W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
! P4 W9 k+ V* p. G+ P1 W1 ]7 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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