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2022-03-11
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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

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一、国内外氮气弹簧发展概况
) x7 a( `6 o4 q9 j' T) C- n   
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 . f: F, C- z$ ~$ ^, q
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
/ T/ q# v: @" |& w. s4 O2 u5 A& T
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) 9 b! u3 U! E8 W
  
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,
8 x7 T9 r' @9 ?" U& y2 d( R' X1 W
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
' ^, T) L. J- X( d- p& j0 ^
+ b) ^6 M2 {5 X. `6 Z

. t3 z' G4 B- e" ?3 K3 t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 h2 O( O% g9 @3 W& ?$ j! b$ {7 M7 K% ?9 N
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
& h! k: a  j+ u0 o  q$ \6 X: m
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 % E% r3 J  W1 O
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 Q5 ?5 C0 m2 ~$ E$ ^7 R# d
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 " D# k1 q: J- U- n: q: l* c
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
. Z3 R/ t' t; o0 L. d5 t- O
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
( _1 g- _( W$ Y6 |. `& n
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
' K. u9 X8 e' b. z% T7 S) w
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 + F% O$ M; u  g2 z% r
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
9 j' i3 v$ e. C( H
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,
0 G3 T/ X" Z6 X
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
- ^2 J" X6 t" S6 U2 U
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
% k& M8 z4 G3 r4 B3 d
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   e2 `: @6 M5 M& o+ H
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
) M  c) ]# r) W
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
1 a7 H, B7 D3 }- E- F+ \- e
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
# ?6 n- @( d! v( J
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, 1 ]( E4 P5 R/ o6 l: |" [' s
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
; \5 S; h9 p9 D; ~+ |
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 9 Q2 S- ~" Z# x$ {% W$ a
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
) R# Q1 c8 N# ]9 w6 N4 [
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
  c3 k" y" |% G* M; F
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
5 g/ {! ~' H# x. A
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
4 Q$ y3 h" }( I, c( `
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 4 G1 u$ D) m. P5 Y1 Q

5 c3 u( c2 ]7 L7 ~: g
) ?6 W! \) q, a: 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
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性
% g' T/ I' c( @2 D$ Z( w    1、氮气弹簧设计原理 - h2 y" _  g! [" D( y! k, [; v3 ]
    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 a/ @  X6 I0 X
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 ' q. w' V$ S. L
     V/T=C,P1×V1=P2×V2 * ^8 V4 {$ e+ E
    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。 " a# V5 F; T6 e) a' O- o
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
. |1 U1 M& W8 {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 ; r3 Q( Q4 g2 {9 W
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! a% I/ M  V3 H8 C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 % w* x2 P, q7 K$ |# C% n- Y
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
8 `+ s" A  p" U! n/ H* e2 s综合各项新技术应用的产品。 : c- ~9 N  f% P5 E1 r7 K7 V2 p$ w
    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
4 x0 O1 `1 b% s) P& e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,
  Y9 p+ U  i' n8 }9 a: ?# ?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 2 |* c7 p) ^+ A2 A
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 X0 Y6 I6 L" _% w% V! o' {! d3 F封可靠性与寿命等。
8 ^, c8 x" w  m    2、氮气弹簧基本性能参数 * ?2 R+ M& K5 V+ f- }( `3 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环境条件,不同的工艺要求, ' P, H# @, j5 _: H2 g
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。
; a' c5 ^! G7 B. Y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
; G" p% L4 B; h4 r4 V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
1 b7 P1 n& ]6 F& g& t- z  m' U以下几项内容: & J7 W4 C7 o0 ?* a4 s; k5 F
     (1)充气额定压力巴
* Z/ x$ c) M/ j0 Q: T; U5 f     (2)额定初始弹压力牛顿
6 V8 U+ S/ }" Q     (3)有效工作行程毫米 # S& U  p, E1 N8 `
     (4)一次充气寿命米或次 6 ]: r, P3 N9 e
     (5)特性曲线与增压比 , i* i! C% c) I
     (6)工作环境温度摄氏度
9 `! H& z6 y6 W3 @     (7)外观颜色 . q: \% S0 Z5 {0 o0 _$ R
     (8)结构形式和最大偏载角
/ h! Q4 t0 C8 L. M$ F, u3、氮气弹簧结构形式的选择
6 I0 N  r. y5 D8 ~: M    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 & t2 r$ G5 o1 p  r* r* O
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
( e4 i5 u8 _  ]' s3 W) y. w) g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 * I5 A1 M2 B8 n/ _1 x7 J* h
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。
4 A7 ?+ N" a6 _
$ l/ P: z8 y+ V; l( k. Y
[ 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
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
5 [& A0 u- i) v5 I  B2 C    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 4 V6 T5 J3 f3 E% O
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
  G6 M8 G4 F% d  k" w5 B$ f$ M6 N  (1)氮气弹簧特性曲线的选择
% k$ k, }' g2 ]$ \+ n; {    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 9 s0 C* O  i# f1 }* R
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 ! e. R) Z! ]% t* a
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
# T8 {1 C3 I  A" t& G& t3 p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
! R0 S/ @5 r3 E; n& w8 @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
5 a9 U2 y) r" P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
% G, h( o9 n; t; Z8 t* S9 r/ I* z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
0 b; ?/ Y. f5 c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
& h; D1 E& U8 R/ k8 z* H, u而获得最佳的性价和最好的经济效益。
! c/ ^$ J3 m/ Q0 k2 u" \  |     (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; n! O+ ]- a/ E4 T% b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
& E+ H3 G& R7 a  D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 5 R/ w9 y" D( e+ \" |( a# P' O
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
9 w: ?0 Q3 p' b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,   |) C9 J$ n' j9 g1 \
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
- J0 t. S0 S- m1 i# ^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
' V" G0 ^( ~* m6 Q力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 . R5 _6 ~' l( i) C9 `1 F# {3 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 , L3 Y* z! s1 M
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 6 ?% }" e' w" ~) C% t6 P+ N: 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 ) d( C# n: k4 y% H$ [' a
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
3 c$ B* X- D: F; F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 , a. i/ e& N: A0 [7 o: 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 $ m! j# j8 I5 Y- R; E* q
其正位,避免发生偏斜。 5 @4 P6 t" z$ v6 p
     (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 * N! ~$ q* {, r  d) 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, ' ]; I6 k/ Q' w/ C/ h5 q5 W
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 , s4 M6 G: J4 |' v2 ^/ l
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 K  m, t4 M) k6 M6 U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 : W  P( }( h1 N2 u8 _: 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
6 F0 O4 e6 r, ~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。
; P1 e0 R$ Y1 Q四、氮气弹簧应用实例 ( E' G, N( C% ]0 }- U6 t
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、 + d, I* U" s( u  L
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 # [1 z8 y, d9 `1 f- x8 Q
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。 ! T- \& P' t: r3 N2 N  y6 d
  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
) ^3 z6 |- r* J0 e# n  \5 Y( w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。 4 X# E2 C2 K" t" }8 \
    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 ^6 }( H4 x" |; _; j
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。
$ u% N: p" Y- C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,
. w. p* E0 ]6 [' r$ Y6 E. C( O  Z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 0 z. t9 n: ?' a2 P1 `, m
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
% |) i1 e+ ^) p6 {; {& q8 S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
# D5 }1 i3 O0 ]! Y簧系统是可行的。
" ]1 _3 D: {8 S9 Y4 v    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 3 @0 ~: t% p4 P6 j: t9 [
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 3 _- X, D9 c7 n7 }
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
$ g9 O" Q4 y: U8 f& d- R7 F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 1 s: J- L$ o0 o" H, Y
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
# I9 M4 i$ {3 r4 |1 A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 ]. n) W: \, E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
- S$ R  Z; e! _8 A1 h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
3 e/ {  B; s* ]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 * O3 @; g, b; o/ w  S
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 4 R6 \$ y. {7 w4 y
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
# {* t# X* \: K  ^4 v: _" J) P6 l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
3 u/ w! X# @0 w; f; \3 `* U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 # Y  W! [0 `7 H" M) u# n, ^: g
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
3 \+ \9 r( h& {) G( X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
, N4 i2 Z2 A7 u* J, k8 ~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。
2 C& t) i- V/ n- o. 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 ) R: R9 `5 K# t+ ~8 I
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
. u5 t" y: j" ?  g+ t2 h- ]/ [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 3 o. k& N/ D% o0 i7 X# }2 |
倍。
发表于 2007-1-3 13:43:47 | 显示全部楼层
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

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
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
楼主,让人长见识了.
发表于 2007-7-23 09:52:58 | 显示全部楼层
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
楼主,氮气弹簧的弹力最大能达到多少?????
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