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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5 u4 j+ {: w( k! U
   
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
% v3 m9 [( v# I1 M( G( {6 E4 G
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 - }( R7 w; L. L9 N! z
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
$ Y! j8 Y7 c' F5 `  
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,
0 L3 H8 g: p) i7 H! u: J2 W. t. s
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
) ^5 J+ T( K; ~9 t# g5 |+ p3 |$ S
0 [$ j+ K( ]! N% y3 H( r
- F% J) F8 }. W# s
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
$ R7 W. m+ |) Q. G' ?9 u
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 ' K( W6 Z0 |( t0 B. J" y
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
9 f1 g1 H* E5 T) I9 Y7 Q
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
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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 / w+ L* v1 M- d- F0 ]; {# B
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
* U$ K; `( H$ o/ i
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
$ H' ]! t& z: n) n3 {
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+ h, B8 W) N: |6 h0 Y
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 5 G( Z: d- N# p  L! D
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
4 F# @; o. i$ N, |+ ]
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,
1 v* f& L( {7 i' h" I3 R# ^
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 3 q6 x0 D4 @  `5 w
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
; m. D: q5 L9 t' C
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 8 K9 l4 x, `5 v6 X7 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
0 d; o0 [, h4 J# l4 O' I
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
) s9 n. t2 `, ]6 u  a3 V
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, $ U5 d1 K& |) ^- L) K9 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 " o5 f8 S" ^3 ^! H- Z
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
! G( L+ f2 {. f
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 - }" }9 k& }; ?" r
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
5 o# ~) g2 h/ _/ u7 X
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 1 y9 r7 @0 B% I- y
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
2 U2 S5 G( ]+ h
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 ) g4 G: u7 f8 N. h, y! U. f

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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 " y9 x& ]" H' H7 l
    1、氮气弹簧设计原理
( x, q" _& o; n4 O& i! [: }- A; u    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, 6 ~( ]. D: Z8 t) y
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 * A. }: R4 z/ E0 c8 U2 L. ?
     V/T=C,P1×V1=P2×V2
# \4 {0 v/ X$ T4 t    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。 / A4 r8 d% n. A
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
# V4 u4 ?/ Q; d7 q8 U( H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
- @# \! N2 A7 O% c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 0 f! \" q7 M) i! S1 H( _
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 " b) f4 k* L( C. o# j( }
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
+ {6 C4 u% L8 M1 r3 Z# k8 y4 \综合各项新技术应用的产品。
) ^* S1 ~% x9 T, w. u- \    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
$ m- u8 S- L5 V; K* o/ D. 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, : y7 t/ I: R* P( k' ~
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 % d7 X- c6 o6 `# @! W6 H2 q! B# C
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
/ O. d# u1 T! d封可靠性与寿命等。 & Y8 q4 v5 W% P3 }9 H6 ^7 ]; F
    2、氮气弹簧基本性能参数 - H$ Z- [" K) y" u! U
    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,
: V/ u% U0 g2 U) F# x% }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! z6 r/ r: q  _* E
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 - ?8 r# i* b7 L7 ~; p& m) U
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
2 F, y( K8 V1 a' s; ?以下几项内容:
' d$ L9 \8 }) ~, F. j& X     (1)充气额定压力巴
9 L! w% ^8 T" F     (2)额定初始弹压力牛顿
1 M; D4 Q1 P! p     (3)有效工作行程毫米
0 l" M  R) A' t3 f2 S# A* O     (4)一次充气寿命米或次
" h) d1 C) B7 e& D     (5)特性曲线与增压比 & x* R: @' ?: q- k7 O9 [
     (6)工作环境温度摄氏度 9 _# h  S7 A1 d2 y, Y! Q
     (7)外观颜色
/ t& k& N/ N  M% A1 P     (8)结构形式和最大偏载角
: I8 l& s4 ~. B3、氮气弹簧结构形式的选择 % \- |. X5 \0 A  R" v( 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 1 M! M3 [7 [, b+ }4 `' \3 X3 G7 K
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 0 l. W  I. z" N9 }  W
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 ( [+ L! J' p- H/ U. G4 s& U
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。
) m7 P0 I: O  H
/ m- [' i. q  Z# ^6 s
[ 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
$ @# C6 k( ]# B% 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 8 K3 v# p: r/ b' K6 n
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
/ `9 i# n1 x9 k  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 " [+ P2 I3 u3 b) 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
8 r: }, V+ ?4 o1 b" r% B5 J6 D) ?8 l" {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
. @) Z: v) T, D$ _$ u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 9 c  i8 r9 n. B! 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
; Z; C# k; l. G" s3 t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 7 i# _7 x1 l6 I6 g' r
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
2 X+ v7 n$ O2 _% r9 _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 . |1 @/ ]5 f3 W
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
  R6 z# z9 W0 x' t而获得最佳的性价和最好的经济效益。 / {8 P4 v- {% ?& 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,选择应用氮气弹簧往往不止
  D2 t/ }3 Z/ o* z- X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 # N$ U+ ^& P8 X$ [' c! E
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
- {- t6 t6 F6 J9 r% O3 s) H  ^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
3 u( z: W. A# ]6 W, y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, ( x. L8 |: I: r. r7 s' E9 V" Y# S
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 6 t$ q, a. x6 P' m8 [, F  e
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! T' _7 z( a& L# _. @0 F力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 0 A6 ~$ C8 \; 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 . Z9 N) {4 _2 x' w
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
, k3 b8 H% z" b* z% i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
- {* l0 }- D  h( N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
; M3 ~* x1 U! ]$ C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
3 O1 O! e( x0 h' A( I0 _9 @+ E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 0 b0 Y) Z! k) i; |' g
其正位,避免发生偏斜。 3 D' m+ o$ V4 [! p- N$ ~
     (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 5 ^- a; b9 T5 |
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,
! a+ }+ k( F+ P" c/ J: `5 K& q! `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 2 I5 E5 r% k$ j2 J9 ?& }
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, ) Z+ Z# ~* |8 X8 G
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 - S3 L3 h! W5 e6 }' G6 I  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 ! T! c# i7 U" c; @# n
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。 ! Z$ d) |8 Z" X6 _
四、氮气弹簧应用实例
3 _7 j  P3 g7 ?+ G8 |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、
0 s2 A- H7 z1 I( L; Q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
3 f$ E- Q5 V% }) \' u4 f) R/ v+ ~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。
, q9 l# P0 N* P1 _  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
. v1 K) c  e" U# S6 d, R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。
, S. y: G; o* E4 J7 Z2 U    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 % U( D  r* k  ~  [6 Y
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。
7 e, Y2 D% H4 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,
8 g% p" u0 g0 J8 W, \! z+ 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
6 v& {% j5 m1 Q0 \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
) {2 E% D  ?, @) u0 n1 n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 % c% s% Y- B1 w7 w
簧系统是可行的。
3 g- V) J* W# \0 f6 G! b    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 5 j6 Y9 |# c1 k* 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
! G3 Z, _) t( Z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 6 n0 g# X/ ~" f( [* s
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 ) K* ?, {  f& N& A" u% h
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 & q# k" q3 Q; C5 Y# [4 ^& C0 t" @2 m
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, 1 U+ A2 D  M  S5 n9 X3 L' }
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
' _: F6 e2 `+ G6 f4 h' 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
* H- b% e; U% z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 0 ^- F3 M5 p  |# 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 m8 I& G/ r* ~& Q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
& ]/ ?; P3 `/ o! T/ A: [! }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 9 X0 l; v/ x6 W, n4 I
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 - D8 [7 Y$ d: _8 o1 h5 X* _4 _' t: a
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
; S1 V" \; d7 L! b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
- k0 H  Q; l. 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。
" j- ?# D7 |; @9 H8 Y  T1 A' g    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
1 m  T( z' n/ A7 X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
# B+ q; k- L8 f4 V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
% M% h2 C7 p9 Y& c& |5 {& b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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