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氮气弹簧在模具中的应用 1 k k' c7 j$ j7 h
一、国内外氮气弹簧发展概况 ; @/ _( S$ f! t8 c/ 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
/ C& y2 F' o7 Y$ e3 i: G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5 [( B* N# Z; {7 N+ 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
: ?8 ^$ u$ B/ M; P称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、( [: i G0 E: W: k; C& \
“ GasSpring” )。 - c6 G/ V( B( z1 ?
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
- W/ B' a/ i( Y+ T8 G& [# O. J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
3 ]6 U" }, J: k$ U的作用。
u+ `0 Y! G% F+ T: W7 t t5 ?( X — 在模具工业中,一直大量使用着弹性元件。这些年来,模具技
9 \5 v3 F( z2 h2 L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5 I- f7 H$ f0 Y
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6 D) z( @+ h6 a$ W' _
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,
1 a) S% E0 n) S) v7 L" e9 f0 F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
' I- O' ] N1 I% W3 k k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
- z0 B& z4 y5 b% p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( b* i! ^& _; b4 E, v& ]; A
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1 D. n4 d. Q2 M7 Z 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" X* N/ F1 x; Q1 |1 D- |/ h7 }" ^% f
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
I% g0 Q: Q/ k s4 m( ?. l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5 p9 E6 Y5 t4 _% @) @( J3 }# d
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
" C2 o* `) {! O6 `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% {! u9 d. R9 N, ~- c/ l3 w8 ?
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$ s8 c' |" G1 k6 {0 |6 a1 j
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8 q4 }% x9 {* D$ A/ W/ C
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。; l7 X. \7 k4 _! Y/ y5 e) k
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 G# p0 V/ w6 t; s1 y) Y
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 8 l4 U+ i3 y. o! B" _9 V) S
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
" x) H! ~4 K% u$ b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
3 Y8 Z- [9 a2 h) l6 u0 v5 c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$ f1 h& s0 \$ H5 Q) F
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
# h/ P0 {% X, @5 J6 k: U; W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* i R* n$ q, I `
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
# |4 Z* y5 I# v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; a& `- O3 R. @. q' O3 I
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5 H' J* ], o2 q ^! E: @* 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,
- {8 u2 {; F6 k# t+ Z c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
% E# h7 R+ M/ `3 F& i, {3 @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
9 u: K2 V1 j* H" v) b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。; I1 y/ U/ R L0 G4 r# R1 c
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* q& T9 I# r Y7 n2 t, F4 M2 D F
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/ s1 X# e9 n3 @3 M ^7 o
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, ! e8 b6 B ~$ T! T
这项技术的发展如今正是方兴未艾。 ) s ]. l* G. F8 d- V# }
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性
& ?- c$ f1 }" N7 d% C- |/ v1 h& k+ N1、氮气弹簧设计原理 2 k9 {* i$ a; e7 q) @/ o4 D
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
! ^# q3 ~4 ?+ M/ P1 M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: S4 G1 d' P3 Z3 i/ k' H$ I
(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
W9 S$ x6 P# f# t( _+ M5 pPV/T=C, P1×V1=P2×V2
, F( Z2 Q* S, S4 |) l4 K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 Q& `- C9 K8 f* L
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
5 ~/ f1 w( x! n3 j/ P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
) U; l: v! z5 d' s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( ~) V# W- Y$ Z* B
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、" _1 l8 H5 t1 M+ G l; W
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
! }0 J9 `: K& F9 A. v* ?, o# U$ {) j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! l* g; q. D1 {/ K
3 $ [8 T4 i+ E" ^, K
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, ! [; P+ c- d3 t% X
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。 ! S+ j% ]; U* E; Z
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$ q" P5 M; ]' \$ }/ S" D
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/ {" N! A& Y8 R( `/ M
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
/ S. Y8 h5 ^6 G+ w' f; c0 J6 ^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, " \& D% p, d! n. H
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
* O, i- o' a6 |) g7 P9 Y* |! L5 H面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。
/ |; l: p: [" h2、氮气弹簧基本性能参数
2 x3 D' d3 _5 [5 s' F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! [/ I y4 y' ]0 i' m4 v' |" ?$ {
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3 U9 J; O# t! O
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: - {; |% g7 @, o8 |- M5 `/ t+ i
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/
& L. V7 x! W* g4 s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
! Y: q* Y- f S8 C下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容:
4 [# P8 _( \ S9 j4 A(1)充气额定压力巴
/ n* ^9 _- l# D$ n( K9 a2 O/ D! g(2)额定初始弹压力牛顿
' M# M( \4 Q9 h, g+ U! K' f(3)有效工作行程毫米 3 y3 u- ]6 q) r/ y
(4)一次充气寿命米或次 ! w* T. @/ _+ M8 p
(5)特性曲线与增压比 - Q, J1 Y- C* @# u; q$ a1 o
(6)工作环境温度摄氏度 & L0 w& w; f" f# B
(7)外观颜色
9 M" D/ Y' i- u9 A$ J(8)结构形式和最大偏载角
$ @4 K9 b: {5 U3、氮气弹簧的特点
! |0 B# E ]7 `. h氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面: & S C8 t+ w* N0 H; g3 ~
(1)在较小的空间中, 可以产生较大的初始弹压力, 不需要预
2 P5 y8 {0 z8 d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
: V4 [* @3 \; b' E+ S4 d2 m* K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
, v5 r) l7 f4 T# u; t. m5 E模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多; / o4 M% k3 q0 `/ ]5 C& G) |4 `
4 8 l. T9 Y9 M- ?- \. K2 ?
(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;
( c! B9 J: {% g) i8 {(3)根据不同的冷冲压工序要求, 其弹压力的大小、受力点的' Z* j$ F! h# R0 c
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
/ s( H3 O0 h' S$ Z s2 B方便实现弹压力的平衡;
! ^- w( `. b+ I" ?5 o) s5 {" e! n(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制: X. ]: z; |& r5 U6 N5 {4 G" K
造周期;
1 J3 q/ D- C# d: `(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上, V ]: c9 `) N4 \# @
更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本;
k ~- N' c2 h; @/ J& c3 X(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便;
' k% y) O2 q' l0 e# `5 o: A/ B(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
6 l% k1 u0 ~6 p三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
4 m7 W$ N" v: q2 k- G$ [, c9 {1、氮气弹簧弹压力的选择 ! d) u }& U+ J9 V" P
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3 H, |1 L# K/ Y1 T( H7 R
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; g* L& Z" k& H% p; m3 S& }. B, H
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
- W/ t2 C' ~$ ~1 _# \; u( Q# E方面的问题: 4 F2 I1 h4 t H: n
(1)氮气弹簧弹压力大小。
+ O% y1 |, e- q6 t' q(2)氮气弹簧的数量。 ~( g' O" t/ @( @5 _. f& h+ r
(3)氮气弹簧的增压比。 ) t! r/ S+ B( [! T, r
2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要# C/ Y1 x: w* k# N8 T
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
' D3 }0 f% O/ S7 o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) s* X6 l) J5 X" e0 x
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,
9 F( e6 `* ?- ^5 L* I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
3 V9 [% ]$ S0 l5 c# v1 K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
T. N1 O+ Z' h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
" ^+ u T: c- B2 S% V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' L. z- {2 I* H2 r$ q& u2 X2 G
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
8 T, Z$ I* d2 L$ b; N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,
* W" y c7 I, W: ~5
& J, I0 n7 D0 P) A+ f" C; F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
; E5 i/ ~, N$ F% l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8 Q7 @3 l/ l* ~, H- G
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。- b9 a; q& Z) V
9 m: L& Z1 e1 b
3、氮气弹簧结构形式的选择 , n2 F5 F) J6 w, g& g1 ~3 ]% ~
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 ?, B! p, r0 I3 V
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
* H6 r6 x: g2 R) G# `8 Z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
, R' u3 C& z% k, s' |, r# _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、7 x0 Y* h6 ^2 o/ E3 F; `
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( `3 s) l0 n4 O3 v4 r
选择。 # W+ I2 I! b; q' p
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 . \7 Z0 g$ X0 A4 U4 n
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
1 }: z6 c! O6 Y! q- ?2 M) |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。 % }; z o! c, q9 q$ s
(1)氮气弹簧特性曲线的选择 ; C) V! n+ m$ m- P9 v* 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
: L2 V# T! w' H/ d- V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
; N$ z! G T; o7 w4 V7 r: Y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' k5 ^5 \2 c x! m2 s
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
3 X' g0 E3 y9 O/ d6 H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
/ ]8 H! a2 e8 `5 K- ?! `2 E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' b( o7 D2 e; \5 _. S
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
2 x! n$ N% Q5 F6 g- ?* B( C0 }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$ e. u+ J7 S: N" Z1 Q& w1 p# U5 z4 w
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9 e- W' S5 B ?
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。
6 a8 V3 ^, K) P) o0 L; ?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% O. j; b4 o' o" {- Q
获得最佳的性价和最好的经济效益。 ) V4 O) i' o8 `8 w+ R
(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡, 7 ~8 z/ `- {' P9 t |
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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