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氮气弹簧在模具中的应用
# y3 Q9 n, B1 X一、国内外氮气弹簧发展概况
5 R7 k9 Z2 h" A* e' e' F& A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7 P0 r+ _4 D& G+ W0 I! `
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/ X* a) R, i3 A: }
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2 L- b: x5 t! U' E5 X
称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、7 X* o# f- L; x2 g$ _. C/ G. T6 E
“ GasSpring” )。 / ^9 I2 h4 Y, E% @7 P7 ^
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1 I. K, J6 s9 S) {2 S
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
( b0 X' o5 F6 G4 {1 b. Q的作用。 : _. s/ [5 d. a1 w- 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 V+ ]/ H* ~' S2 R z+ V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
+ D& `* F3 j( S8 \ }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$ m4 z3 o3 l# R& q4 R
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,
. N( ?5 ? U; e: u- _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
6 }- B- o3 p" d6 \# J# y7 e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* H! ~" E( ]) G& J1 s; M1 o2 {& q
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
# s Y+ N+ f+ i2 {$ b2 ~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7 X$ m* z" A! b d" L f1 E
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& ~0 Y# [ m+ I- V) _1 T! S+ z: O. a
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
+ X" L* J1 n: |/ b( I8 y4 }1 e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. w7 ]# l* w& _, U6 m/ V5 n3 g
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; H1 O1 x% P/ n8 B9 k
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
# C. c% Z) [- }3 M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
6 V1 p, v! ]% }& k# T5 k( R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$ u/ b8 N! ` S! R+ V' H
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。& P4 q- H; n3 ]& v
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
6 y5 ?( J, l# Y9 A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 ; X4 o3 r J. K/ }8 K1 i! i7 f" l; f
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
* p) i, A4 |- R6 j! 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
( M; n$ \0 E1 u+ o2 D( k, M% s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
; b, ?) P# t3 I/ ^( l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
+ B! c* M( Q: x4 y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
% G1 T1 B/ m3 D( m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 O+ y5 }& Y$ u# U) |" m4 y
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, l4 `, R# i% @4 c
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) K1 Q: S. _: F j% r+ n# 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, : X! I; M4 C" M7 U
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, U4 C1 }! a2 q, V! o: e
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& @' Y Y" o# v. U; o
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。% h; c% V8 ?% K+ [ O
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# v( \5 h% W5 U/ M
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
: \8 f0 b, Z5 N& p* _/ t# \+ K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, 2 s7 u, v2 m5 k( |
这项技术的发展如今正是方兴未艾。
6 h& [. ^8 I" M# F二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 9 u! m0 j2 U- A$ f# w* ^ I. x0 A
1、氮气弹簧设计原理 3 u7 ?& b. C$ A z( |6 {9 a
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
5 I7 d" ~4 `: u7 R# E% M2 D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
/ u4 _& U% d6 n- G: Y+ m, H! U: d(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
# a5 I9 Q% k; l0 _6 c# p! c7 T% |PV/T=C, P1×V1=P2×V2 ) s5 ]* I8 V# [* M
应当说明, 除了理论计算之外, 氮气缸的结构设计、密封技术6 v3 T- p- c7 |7 I8 k. d+ V
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
; D8 Y6 O9 x% u# ?# e& g) E2 y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
5 h4 g* ^- r3 n9 v4 `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% X# _3 y/ C) @
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、
( g, F; Y3 T v9 m6 d8 q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
. M$ B: l% _5 {" {/ ]5 I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
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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,
" Z. E5 O* \3 M9 U/ Q7 C0 N氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。 , I& f% J4 R; @9 @; M: D0 p9 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, T" `, t4 G1 e. i( o w& b
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2 T: a: O# V* q3 ]
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
+ E& C; W' [+ @$ O) n g. K1 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, " k: m4 U: e* [: _% r& g% ~
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 C* f- G L. p4 c3 l1 O: z1 m
面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。 9 y1 K5 D8 v& y
2、氮气弹簧基本性能参数
; E3 D S8 B7 F* E# `) A& x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
" `' r6 A( p4 ?4 A+ O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, |* U; ]3 X$ G: m; q7 S0 `
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: v8 d& {( O$ S, S3 \0 W
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/
6 t$ W: |) f, n' f4 }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6 S) U5 z s0 d) y$ u; b6 o
下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容: 1 O- z1 u+ G& {
(1)充气额定压力巴 & T- G* w3 |: h* q+ D
(2)额定初始弹压力牛顿 % L' L8 j5 I9 ~( r0 f( H
(3)有效工作行程毫米
* u3 |0 T7 ?0 ~1 m(4)一次充气寿命米或次 4 U$ O K5 `" m
(5)特性曲线与增压比
# Z8 {0 c; M( y$ E( v1 \(6)工作环境温度摄氏度
9 H2 p. g5 o5 _+ e8 [5 W(7)外观颜色
4 m8 |) D" `+ h" m* E9 F(8)结构形式和最大偏载角
" n5 f2 I, ^/ p+ P- R! `* o3、氮气弹簧的特点 * x3 a6 |# @2 ?; m# E. Q
氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面: 0 j, A: Y1 }8 A4 n' h& b
(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 T' F2 M# k9 _6 Y+ c) l ^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9 q {5 q" e+ ], \# C# o4 t% w% \( R) r
弹簧可以代替多个弹簧,对于工作行程相同的模具,采用氮气弹簧的3 i( I- x2 [4 X, A( v
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多;
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(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;
( s1 \) h) u* D9 m( T' ](3)根据不同的冷冲压工序要求, 其弹压力的大小、受力点的
/ i) o9 V4 V$ u/ h" h6 f( f$ U3 j Q/ F! ?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
& d3 a7 d$ b: ^* `/ }) Z方便实现弹压力的平衡; " c' l3 M# _0 W& c
(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制
- _( e+ j0 b8 L& y9 _1 ?2 p- s6 G/ |造周期;
$ c1 f L9 q& F! k$ j1 `* r(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上) ?. X* Q& i5 c& w
更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本;
/ |& X9 I2 q" }0 q(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便;
* K3 ^' U3 P1 ]5 o$ @: _" Y' _- H2 x(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。 ! |+ V7 W9 r8 l& g% A
三、在模具设计中选择应用氮气弹簧 ! c& S, r$ O7 }- f4 \1 h
1、氮气弹簧弹压力的选择
' _4 [/ r j! P0 q, t( p+ y @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
) d; ?$ \" s& K4 b" W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
( C5 V* U; ^7 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
0 @( g; T( e: I: Q方面的问题: * a7 R4 k; |# G. Y( A% P
(1)氮气弹簧弹压力大小。 , y$ S, n& T5 `. R2 ?
(2)氮气弹簧的数量。
. s- O) p) w- b1 V1 l0 _# n (3)氮气弹簧的增压比。
0 a' j0 k9 w1 ?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
9 Q" z5 t# n& X3 V/ J5 i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
% x0 c" Q; g$ ?, \" D+ X& X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& R7 @; X% G2 ^, l7 ]
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,
2 P% \9 }# B% ^8 w! k, _3 K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$ ^6 h4 `, C; u0 h$ Z
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; u& e& i" s: Y2 V
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
) r" q# h' e! s* ^: K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) s2 s) V* L9 c; @. K! x
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
% C' c* m9 |3 @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, Q# e" q0 [; I# o" q; u
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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
9 a; k! R: o* X& S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
/ p" A8 F5 r. O" {( T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。
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# o0 H E7 g& v4 b7 q3、氮气弹簧结构形式的选择
+ D6 b2 O. u2 M+ s! K. }" x) E$ R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
' f) o% w4 `0 ?. t5 ^' f# u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* R: G c. w/ i
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3 w0 s, q/ e9 l S
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、
, l" |' A1 J& W3 [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0 g1 k/ I" |3 l
选择。
4 \% D& F3 I8 n3 ~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 P4 Q5 N! n. Y+ `$ ?' A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9 ^( h7 f( T+ q
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。 3 Y. E: ?. B2 j7 a- {
(1)氮气弹簧特性曲线的选择
$ f/ ?; V# L: X* }( x* k$ 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
1 @' d; E9 H2 {9 Q) _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5 V1 S2 t) |! L3 M2 x
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
: }5 Q) p$ ^7 j1 J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
" z) t$ a% l! w: y1 w* w7 n2 p Y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
7 J8 s) F J* M3 ?, p+ g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9 W* y; n& O4 G% G4 l8 {! H4 e
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$ m$ k$ p* A) ]2 h* H
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
/ O% ]2 a- p* w$ C9 h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7 V1 ?. y* [) `' q5 [
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。
% Z; c) R k- s# ^5 q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
: w! W! F! F, X6 q( M获得最佳的性价和最好的经济效益。 , o6 T& Q6 t6 X) @7 ?
(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡,
9 A* d# X) M6 x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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