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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* C9 o) n$ j" J. A( w; t
   
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 5 p0 e( l0 N6 D! e1 l- i
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 * E7 Q7 ]; M1 G- Q4 J+ R3 u* T, \& \
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
; o- s1 Y( U8 `1 K, ?/ ?/ }* L# K  
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, ' l1 B; J, V1 e  G
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 0 }. B7 S% g3 ]" z
$ [; Y: E9 X' v' j. O* ?1 [
, F7 Y0 z: r3 ]$ z8 {
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
$ Z  Y/ P. v- W, E
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
4 B6 P& ?* p& `; N# x/ e
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
. \2 C1 E" l; g8 ^
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
( s% r5 n, o( E# j  r; `' P6 Y
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 ( j! W- O+ L* C4 c3 l$ F
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 * n9 B* A) L/ b5 s
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 , [3 o2 }% v8 {
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 " G8 T9 f# w/ u% z# b: l
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 8 C. }7 Q( j6 c+ r9 e
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
- C6 ?. f# i* K1 I0 V; M. W1 v& ~
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, ( Q% i* e; ]% [$ e7 L2 U, @- E
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 5 e( U2 r5 o# x% o+ b# h
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
; L6 Z. `6 Q0 j, E, Z6 F# l
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 2 Y# ?* z# t) V0 T1 i& r
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 m, R! b7 B: b4 O& R) [
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
+ U$ K0 g: N5 s3 d$ b
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 / D0 V* e5 d8 [8 W7 V# q9 L
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, , q3 C" z0 t; G5 O$ c
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
# d) v. l" f) r. f* 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
; S. U' E# H+ w8 q* j; e: z
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 # m* I! |. `2 u/ n. m; v, k
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
; T; \! r+ y$ j  c# G
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
# E$ O; }3 }# V% {. r4 D3 J2 i
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 ; H9 |+ {2 s1 r4 n* L: x- O) }
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。 - U. A. }* \; N7 |! ?
$ F, c2 ~4 a) |) ]. [2 i' J
+ Q1 t8 s' H$ u4 }5 p
[ 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 , a% ]' s6 Q: p) x, h- k
    1、氮气弹簧设计原理
1 W* l; c: _9 i& V    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, , S! S3 a+ y" z* X) ?1 t: u
因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
, m' _0 P9 k$ j# u# |/ A, L- n     V/T=C,P1×V1=P2×V2 : W4 }2 F8 o0 l
    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。
+ w& o$ x1 O4 T6 [0 z- q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 9 P  n. O7 s: t+ }
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 7 f; f+ m3 u& _. P9 f
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
2 q9 U1 r) M, `* S( 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
) [5 ]: z- V. P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 7 E7 ?: p- U/ d  K# j  U
综合各项新技术应用的产品。
$ Y# g9 ?4 V9 h% {    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 8 \; G( M2 p0 J8 w, j) L
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, * t5 m5 O" |5 D7 V% ]
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 - A% \" I( i. [
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 6 J& `* j# e& n9 ~2 |; A
封可靠性与寿命等。 # q/ h/ z; L& k9 A7 F
    2、氮气弹簧基本性能参数 8 C' R  x7 [* c! [
    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,
, P1 {. F, a& ?' ?7 g2 h+ g" ^; i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。 ) `; Z' f2 q6 z6 ?
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
6 C4 \( ?) ^5 m* A9 f0 s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
8 q2 y4 S1 N9 b4 b; r以下几项内容:
" z9 n5 u; `) o     (1)充气额定压力巴 + |8 L6 Q6 ^; g3 m& R
     (2)额定初始弹压力牛顿
5 i5 p! C; h8 s8 \" v! M$ \     (3)有效工作行程毫米
& M6 C# |) D3 Z  [     (4)一次充气寿命米或次 + X8 A: h/ L$ Z" f$ y4 A" g
     (5)特性曲线与增压比
0 ~  w* V8 v8 b7 ~1 N     (6)工作环境温度摄氏度
+ M+ N% G& W; U& m9 t" {. O     (7)外观颜色 # t9 ?3 `' m# W2 _9 [
     (8)结构形式和最大偏载角   n8 M% f- [& a. J
3、氮气弹簧结构形式的选择
, {( v0 }5 n. G- ?; C) H% L/ u: ^    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
$ c# a  N6 w3 ^' B6 d' X. i5 j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
+ O; [6 l. k) P: U1 J, P4 ~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 1 A& W! p5 S# ?* _. a) O' _
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。

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' D5 E3 v7 z# d9 `2 O[ 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
) J' ^1 P+ x" e0 ?+ A    氮气弹簧技术有其自身的特点和一定的使用范围,正确地去约束该项技术的应用范围,才 & n  ]9 z, b, V4 n" ]2 g
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 ) V# q; P$ g* y5 M* {
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择
( U' P, {- ^! Q0 W7 o    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
& f0 D+ {( w+ q% ]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 9 ]% ?: d5 _. {' m# j0 @
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 7 \3 k5 \  }" A$ |! d% W8 u* w
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 1 `2 v, A9 w" j4 |  T0 H2 Q0 e# N
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
2 d; [$ X7 w" @. W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
) @& N  z  K1 I7 C6 Y6 H2 b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 9 h+ k9 z4 {; d
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 0 `( ]% s" C# O5 n8 J& H
而获得最佳的性价和最好的经济效益。
5 R% W1 G% M) ]* S2 L) Y% i     (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
' y. A" x- ~7 e% R* p" \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. h( M+ v: r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
' X/ w+ |0 Q+ m' J6 o% ]; F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 . Q( u& D" i' a7 p8 E1 v' ^
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,
3 M, C1 w5 ~" k/ k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
! T' K( z2 [# \8 a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 6 {* G2 Z+ Z1 \' ?; t6 w+ _
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 - Y) w9 _; w) d# H' j
     (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
: L; Z4 `; `) C2 p) N2 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
3 C: t  }( Z/ h* N9 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
; G6 _' Z5 V' b/ Z/ U7 W" W# O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 , x, F0 D* Z! Y
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 & S5 k- e) z- W. |: T# j* T
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 * T2 Z, Y; F% }: B' {' Q
其正位,避免发生偏斜。
6 J- \0 E) k% b. W& l. s     (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 % F2 s1 m; t9 Z* j9 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,
5 T) F* U% Z% S" d6 l2 J" X+ O2 {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
5 L+ o! W9 h' A6 B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,
4 Q8 b# w& E% ~" e% F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 8 z  H# D) U  V9 p
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
7 ?9 V4 o. C7 S1 Q/ o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。 ' W% S! D, @' ]6 ?# v
四、氮气弹簧应用实例 , A9 O, j6 e( t$ v- M
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 _2 ~- y" A7 S, ~5 J& [
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 ' K+ p! W  x3 O. v- A* h
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。 1 X# @0 o8 s1 A8 y3 O
  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 # r% h- q- z8 r. N  T
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。 & a) ]; d+ h# S; S
    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
3 r1 @  ]/ z: m& [/ 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。 5 M" s% C8 p0 E$ K  h) ^
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,
! l- t; I9 x$ u5 K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 / f3 y% |: p1 c
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
+ n% }( J  j* Y: F" G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
1 U' m, R6 e2 K2 Q# L4 G0 \簧系统是可行的。
* s; S+ ~' V1 ]4 O6 u5 h8 g    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 $ u2 o2 Q- S+ t8 {
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 5 E1 t8 ^1 }+ T5 V: g
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 * R+ N& B" e8 p* \" m
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
2 B9 ?( Z. r5 {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
# \; z. i3 }5 `) Q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,
; r; s  T% K4 M' }6 `" k5 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
$ R( Q. z1 e' j' Q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 7 x$ {6 s- l1 c9 K3 d
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 / s# D2 F! V9 I# b
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
$ |2 e2 y; k0 h. l; L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 5 `( W8 i& a/ d+ z- K
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 : T9 z: \7 g7 H$ o
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
- z2 \2 ^4 c2 d) w$ E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
# b- s# W) h2 L. ?7 A6 y5 C5 F- W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 + v& T$ a. Y. [" k! u
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。 # i, t# x/ Z7 v6 c0 l
    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 # A$ `; F0 n0 Y, w& {/ o8 ]  J
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 ; [" U/ H8 s8 Y5 X/ ?
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
: p% L/ \' m/ c  s: z& H) E, G" R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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