氮气弹簧在模具中的应用

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氮气弹簧在模具中的应用　　
一、国内外氮气弹簧发展概况　
) o& u( e& g: H: M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
" U- k7 x7 c4 C% Z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
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
称氮气缸弹压装置， 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、
“ GasSpring” )。
　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
* i/ `9 I) k" L0 i) N2 e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
的作用。
　— 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，
! w% o) ~/ s$ 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
5 v! U8 J, I" o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
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
! V" S* N4 s4 J4 R* \, X+ W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
: Z% k% l2 f; K5 L" ]0 J+ \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
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
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 M$ X. T4 k! ]5 Z# i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。对于密集型冲头的冲裁工艺，如
% h/ k: T7 _( `) m, s" ?* \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，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；由于气压的波动和2
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
1 W5 N$ H* U# T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
4 j1 |; g0 ^/ Z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
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( h1 _5 l4 F- R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
; C! U* ~7 x; f& B" U8 x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
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
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
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工作，可以在系统中
5 [  r, r* E; n9 p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， 满足了工业发展的需要， 显然，
这项技术的发展如今正是方兴未艾。　
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性　
8 J3 {0 h! Q+ E+ W/ @1、氮气弹簧设计原理　
/ D4 w6 {6 z+ k, ?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
" m7 I! j- R8 Z2 u) V: M, r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
# l* X! M) L( m0 t- E; o(Boyle-Mariotte)气体状态方程。　
PV/T=C， P1×V1=P2×V2 　
4 J6 v% P. x) t' Z+ J9 s! K: b- G3 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
* x) i4 W" V/ K( D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
: _, b! m" @9 d  ~  g# _9 A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
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
  n' y& ]3 ]1 S, h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、
" Z. S7 K, W6 z; J0 ^4 O8 A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
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，
2 q2 V. k3 w+ Q$ W3 I( m氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。　
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
- B, _7 u' r8 t: n" C3 G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
; ~. G5 C& ]* r2 Z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
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，
: d4 g9 _$ Q% @4 C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
面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。　
2 S% E! Z& B" \+ h9 c2、氮气弹簧基本性能参数　
. `( M4 {5 t9 i9 }5 J- T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，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。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以下几项内容： 　
2 l8 l3 J7 l5 m( ?. m% D- x(1)充气额定压力巴　
4 j1 }6 X% b6 x. s(2)额定初始弹压力牛顿　
$ e6 ?8 o. u" V5 @. S(3)有效工作行程毫米　
(4)一次充气寿命米或次　
(5)特性曲线与增压比　
(6)工作环境温度摄氏度　
(7)外观颜色　
+ n! K7 ]- O, r, z8 W# v" T(8)结构形式和最大偏载角　
7 c: K' i) D+ `- L3、氮气弹簧的特点　
氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面： 　
(1)在较小的空间中， 可以产生较大的初始弹压力， 不需要预
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
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
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； 　
% b: D9 x' \& j3 j(3)根据不同的冷冲压工序要求， 其弹压力的大小、受力点的
- o# ]4 Y" @' Z4 O8 @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
5 K9 b' \/ n& G& r! t3 ~6 _+ B9 [+ d方便实现弹压力的平衡； 　
(4)简化模具压力、卸料等结构， 简化模具设计， 缩短模具制
) L) n+ ^& n2 U! X造周期； 　
! }( \, X7 t/ X. V6 B5 G(5)提高冲压件质量， 保证冲制件质量稳定， 缩短在压力机上
% s2 |# F8 V+ l3 F: w$ D( x更换模具时间， 提高劳动生产率， 降低成本； 　
(6)使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、可靠、方便；
2 E, @" X( g  F* `) N! Z" \(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。　
三、在模具设计中选择应用氮气弹簧　
1、氮气弹簧弹压力的选择　
$ n' }  m% x! _8 {( V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
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
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
方面的问题： 　
(1)氮气弹簧弹压力大小。　
(2)氮气弹簧的数量。
　(3)氮气弹簧的增压比。　
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
( f& g. N7 `; ]1 }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
" Q5 }& _0 J* U# H9 ^1 n8 f+ `/ e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
5 Q- X* P  ~; {: X6 G1 m! 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，
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
, T. e6 t! W7 h, _/ x1 M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
$ X$ P# _. h% z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
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
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
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，
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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
, H7 p, s# B2 Y. W' ^3 i( M; y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
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。
　
3、氮气弹簧结构形式的选择　
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供选择：独立式氮气弹簧、氮气弹簧座板
9 R4 l) [% B: t! j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
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、
: X  G( e' I: m. D6 U+ z' r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
选择。　
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　
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，才能充分发挥其作用，从而得到理想的效果。
0 t0 j0 j6 F" H　(1)氮气弹簧特性曲线的选择　
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，要适应其工艺需要。例如在整个工作行程中要求弹压
9 s0 U% O% `3 ^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
- s+ c2 c2 G3 ]2 _4 {; U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， 必将影响模具成本的提高， 且也无比必要。
0 f5 k. ?$ Z2 K+ Y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
获得最佳的性价和最好的经济效益。　
/ M( X+ J3 x: X( U5 }. O  E(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一个，那么，着力点的布置等都需要围绕

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% A# w) z% I9 D. T, X3 v解决一个平衡问题，从冲压工艺角度说，也是需要考虑冲压力平衡的
8 x% {& I4 g5 c) e8 S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、斜楔块等模具零件将弹压力传递给模具工作
  y) ~  v, e* o1 N; `零件，那么顶件板等模具工作零件的运动平衡与否，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
( N' Q  y* S4 @; \使用寿命，应采用氮气弹簧压力系中心与冲压力中心相重合的设计方
" U& T. z2 x) g/ B0 m法。　
(3)稳定性　氮气弹簧无论在安装时或是工作时， 都需要相当
6 n- N- a5 f3 g: [& D的稳定性和可靠性，正因为它的弹压力相当大，一个氮气弹簧在不大
: Y: [% h( }2 ~9 m7 }的体积内，要释放出几百公斤甚至几吨的力量，而这个过程又是在反
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，尤其是使用力量较大的氮气弹簧，必须是被确保牢固，特别是反
4 i% E# e/ N) U. a' ?/ z置氮气弹簧或是安装在上模的，氮气弹簧需要随滑块的运动而不断地
6 r! G3 Q& h# x相对运动，只有牢固的连接才能保证氮气弹簧正常、稳定的工作。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
  N2 J* U" f' Z1 Y装沉孔， 以确保其正位， 避免发生偏斜。　
* F# f# ~( @$ M4 Y(4)避免冲击　应当说氮气弹簧的工作性质是属于柔性范畴，
9 w' F1 {6 [6 f) }) U' H在模具工作过程中，开启与闭合都应当是比较平顺，不应当出现冲击
7 D; E) G5 a( y现象，为了达到这个目的，对于采用独立式氮气弹簧，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
; s  S2 y  n5 w6 ?  g& Y) U5 V4 N件一经接触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，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用氮
+ _- }2 J% e7 b2 a& ~, Z$ o3 P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
$ r  M) n* S7 F6 z; ]7 x: V0 h柄压力机滑块运动曲线，导致出现震动冲击现象。因此，应当尽量避
+ }6 W4 g% T1 Y免出现这种现象。　
( V2 R; ?. l/ P6 E; l, ~四、氮气弹簧应用实例　
- E. M9 m4 ]& X& }( k. I
* y; o0 `  Q- F5 O# R( T7
' n, ?8 X/ ^% ]7 K7 z& S2 U- u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
+ q; t: G& P- E7 N/ K在我国汽车、电子、仪表、轻工等行业中，都在不同程度地将氮气弹
% U8 [; q! P& h7 n) Y簧技术应用到模具中，使模具设计、制造均上了一个新台阶，提高了
2 C* j& }  J! w. n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
/ O) F1 O1 W" p, |6 ?$ t6 ~展。
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件模具中，使用氮气弹簧技术的效果比较理
/ s* a: k! \4 |% W想， 至今仍在正常使用。　
# I. J/ K* u" e  L! k( x8 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
: ~% s+ f: b+ Q上，自行开发设计使用氮气弹簧新技术，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。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
% R0 y$ Y0 U% @6 i6 v中经受考验， 使用状况良好。JD90 车架累计已经生产了5.4 万件，
. Q7 _+ Z1 o' E7 K( m8 W至今氮气弹簧仍在正常工作，模具还在继续使用中。河北鸿运汽车冲
+ h9 s& `3 J' ~- u1 ?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题，
8 k( C1 e: u- W+ Y& q3 B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
0 K1 S$ t# G) j1 B' O2 v+ v: v+ I行设计的模具氮气弹簧系统是可行的。　
' P) z' v9 K$ {; P% A3 q" P2 y9 r! T! r2.电子工业　微电机在电子工业中应用非常广泛， 微电机外壳
6 O: _8 E3 h2 v: F8 N: c+ a: ~4 k是尺寸精度要求比较高的冲压件，如安装轴承的底孔与外圆的同轴度
  r  [0 d7 J6 o  u要求不大于0.03 毫米， 对于冲压件来说， 这是相当高的尺寸精度，
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
机多工位级进模生产。设计、制造这类零件的级进模具，模具结构不
- }+ N# J6 p, L% h仅需要紧凑，模具零件的制造精度要求也非常高，属于高、精的模具。
+ X0 R( H# x; l" D1 H由于模具制造精度高， 要求的使用寿命高， 因此， 在这类模具中 ，
: L+ {6 F: e% j: e/ n( L  r  C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，也不能满足冲压质量稳定的要求。北京市机电研究院
) S5 }7 o& z  v% b8 M* g' e精密模具公司在参考国外同类模具基础上，自行开发设计采用氮气弹
0 V% K, I4 T# X% S簧进行拉延压边、压料的连续拉延级进模，采用美国“ 海森” 公司生
8 G* u8 `8 v/ c6 L4 Z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

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2 N( \/ c( E) E! ~# g1 L* K深圳派力机电研究所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， 机壳的质量达到了国外同
% B, w  [. w! t4 x" n! \4 K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 千件压力机下，作为氮气弹簧气垫使用，该零件第一道拉
5 T1 G+ K2 @4 l! X8 g% Q5 i/ ]+ W延工序采用氮气弹簧压边，解决了零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。　
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氮气弹簧压边，
, b7 L+ R( s, W: F; @2 v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
0 n  M8 K% i4 y( A高了好几倍。　
: R# a" Z( F2 w# q3.仪表工业　速印机左右外辊零件是具有一定难度的拉延件。
) X& a4 ]8 H, ], G  k广西兴安通讯设备厂自行设计的使用氮气弹簧的左右外罩拉延模，已
% `9 d+ b0 K5 U% G5 L经生产了5 万多个拉延件，其质量一直比较稳定，模具工作状也非常
% \5 F& M. `5 W( N正常。湖北汽车灯具厂是汽车灯具专业生产厂，制造灯具产品中多种
小型轴对称的复杂拉延件，把一套氮气弹簧气垫安装在400 千牛压力
( Z- U9 U+ I; I3 c; y: w/ Y机下部，通过顶杆，利用氮气弹簧进行拉延压边，解决灯罩压延起皱
+ _: c2 O8 s% O/ S: k3 K1 |的问题，取得满意的效果。车灯反光镜镜面是抛物线型面，产品的要
7 C# ?0 I) I( Q4 U求比较高，因为它直接影响着车灯的反光质量。反光镜冲压件毛坯在
拉延之后常常需要整形，北京市汽车灯厂采用瑞典(凯龙)氮气弹簧作
为动力，对抛物面进行整形，取得了非常满意的效果，模具的调整也
$ D% F- M  G/ u8 y" s比较简单。　
% V. ~# T8 L6 Z+ n- a4.轻工、五金工业　
7 t7 ]0 L2 o1 k4 N/ ?: c在轻工、五金这个行业中， 较多工厂由于受冲压设备的限制，
都是使用油压机进行拉延，氮气弹簧技术与油压机配套使用，使单动

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油压机发挥双动的功能，拉延零件的质量容易得到保证。北京京威汽
( T2 }  @- {( H+ m车设备有限公司是生产客车暖风装置专业厂，暖风机壳体的筒形、球
形、锥形拉延零件，都是在100 吨油压压机上完成，采用氮气弹簧压
边，不仅降低了模具高度，模具设计制造也比较简单，操作非常方便，
提高了劳动生产率，降低了制件废品率。手动葫芦外罩是一种三角形
1 F. {# _1 c6 h2 m  m0 c# L的拉延零件， 北京起重工具厂使用油压机进行这类零件的拉延成形
时，也是采用氮气弹簧进行压边，保证零件成形质量。再如汽车滤清
器厂生产的空气滤清器外壳，是尺寸较大的圆筒形拉延零件，直径可
达400 毫米左右， 高度约70 毫米， 采用氮气弹簧压边可一次拉延成
形， 零件的质量非常好， 产品质量稳定。　
轻工业中有不少塑料模具也可以采用氮气弹簧技术， 安徽合肥
荣事达集团自行设计的18S 洗衣机脱水桶塑料注塑模具，用氮气弹簧
3 S0 O8 p( i' t5 d) L. \1 R起缓冲作用，提高模具使用寿命。由于滑块的行程较长，模具在合模
% Z7 T6 Y3 C- r, G# p时，由氮气弹簧推动模具上四个滑块首先复位，模具处在一种柔性状
* l9 A" u6 n* e* @% j态下合模，使注塑模具在工作中非常平稳、可靠，起始推力也比较大，
3 \! b  d. F# }5 A( @1 p& T有利于注塑成形，保证注塑零件的质量，提高注塑模具的寿命，该模
# y8 ?  F4 l2 L3 _4 y7 x  _) Q$ J具已经连续生产了约48 万件脱水桶， 氮气弹簧工作正常， 模具还在
继续使用。