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氮气弹簧在模具中的应用
' J& L2 w8 v7 U; l一、国内外氮气弹簧发展概况
# ^; @: ?! R# ]( H5 m$ C, j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: E5 T$ X6 x1 U* v! ^
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
3 n8 b7 Y" f5 ?" Q( Y; }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( P# A& w3 [2 }( N
称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、( |; v) |5 k5 f0 b% R Q
“ GasSpring” )。 1 e8 W- M8 V% f# H& f3 v7 [
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2 _* Q0 z* W7 z, G
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7 t$ k1 [. S7 c. @
的作用。
; b0 L' C: x- q% i' ~ — 在模具工业中,一直大量使用着弹性元件。这些年来,模具技
0 Z2 }9 n* b6 p! J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
; a. _. \, a; _9 _" D$ \; b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
( ]/ ^. |/ |3 U, I" ?: k1 ?! f5 M5 W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,
9 Y# y/ a' R) R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 s8 k+ {) Q" v! z/ O: w0 Q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
9 g" f2 Y( {# b1 N% a0 g. l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, ]7 w; f& |' d- ]
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
+ S! S1 V4 D' U" a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
' d$ p& S4 r% J" G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
% w# J% [( Y: e, H2 c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3 i$ ~0 }2 ]# g; f9 g3 n8 O
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; t$ w5 @# Z/ F6 O0 i) n( t* t
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6 Y- @# r' C0 _; j8 ?; d! y
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& V* q _- W/ U3 w( f7 M7 \
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0 c1 b! T8 X& N' B3 I4 [
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。" v' D3 }' L f$ g. a
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
% o9 o h0 A+ R P- I. }' `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
# M7 h$ A+ f0 a- ?! t! u/ 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/ R* I; i) v/ m4 V& J- ]4 U }
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' i) L+ c- K8 z1 Q
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
; A$ ?) G! R2 P% B4 ^7 `: [# T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
+ G i' l- S" w7 }% w3 V+ j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
/ u4 l3 J9 a+ T1 _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. p: }6 R; r1 ^- T& |! m [
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
+ Z5 D6 K: m7 a7 B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/ M2 Z8 Y5 g. C0 @, B+ Q
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, 8 P/ d& i+ i9 i8 d- I% k: y9 y
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0 m* m+ O1 ~8 z" `4 {
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
0 p5 Q) \9 b/ d3 I) M4 k h; s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。
# S- l/ m+ p8 u- A- f n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: Z; n& R2 b3 l7 i
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
4 b' Q* \% M' g5 X/ _9 g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,
( ` l. T: I- M这项技术的发展如今正是方兴未艾。 8 c& H( Y8 ?4 Z% I0 b7 ]
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性
7 T' [$ d% P/ `# I! J+ h' H: P1 a2 c1、氮气弹簧设计原理
* _: z0 f: _6 [8 e" E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. a. w+ I; {7 J- s1 _, Z7 o }. H
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3 L& O& |+ R/ ?2 T6 P9 q5 y
(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
) |' o1 L J! N x" |PV/T=C, P1×V1=P2×V2
8 M+ G0 j( Y% v1 i9 Y应当说明, 除了理论计算之外, 氮气缸的结构设计、密封技术5 o! n) _, ^$ v( f
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) }5 H. t6 @- h$ j
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
. S/ s7 W- e3 `! W/ o% i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
+ ^ G. V W3 ?* H' k) W& Z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、
4 h. |* |: d' S6 B( _: v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
3 P( L6 D! g4 X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
( ?5 H; _3 l( C3
, O* I' ]; p9 f' k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,
% ]( n3 Y4 r: [) A氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。
& L2 v' D* j. @( q( N' w0 G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/ ?: W9 _! J8 @
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
& C i7 S. x& r- P1 _, R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
6 x4 P r' y! e( |1 B' q3 Y9 U1 d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, " f( c: |, C9 H5 k
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3 N# X) u$ W" u# B1 B
面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。 8 p3 ^: }) S( s8 \
2、氮气弹簧基本性能参数 " z8 l4 l( k$ H& Y0 c2 e
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, u w6 C7 u a+ d2 V+ S" t9 _
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: L2 U5 e( f; v2 Q7 m
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:
: E: i+ H* j% ~; E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/ ( F, L1 _; g' d
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7 {4 h0 U1 d9 X B- }+ T+ g4 |
下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容: 9 W3 S a2 }5 E W) ~
(1)充气额定压力巴 m: |9 }1 S6 _9 `
(2)额定初始弹压力牛顿
4 _5 u+ [' e6 |$ Q(3)有效工作行程毫米 * t- F" v! E( E: I: Y
(4)一次充气寿命米或次 3 u9 V6 T4 w/ T+ e. k
(5)特性曲线与增压比 + [1 _, N0 v+ C2 a) H; G c
(6)工作环境温度摄氏度
/ F1 I( P) s% J8 c9 i3 o5 F, @. z# x(7)外观颜色
% m: j0 W! i0 S; C% s(8)结构形式和最大偏载角 : s$ M! d0 o7 D5 o# c# k5 x
3、氮气弹簧的特点 . A4 e# P) {, V$ I9 I
氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面: ]# \3 S7 D* v: 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. {6 n& ~2 w, f1 V
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
, ]) |+ M6 ]) z$ y/ Z: v% @) k( q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 f8 V9 B/ h2 {# S" @' A8 n模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多;
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" ]- S. Q/ o* H. c(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;
, R' W+ J \! B' t g/ 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- U# H1 h- B& f' c
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
( {& V7 w, J" e' p3 t+ B方便实现弹压力的平衡; 3 u7 _* n S! r5 K0 g7 N6 M
(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制3 ]" p* i5 Z4 u( P8 z4 E' p
造周期;
2 c# X* l( B+ j% N" D3 z0 S(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上* Q2 z4 Y4 S- T8 n+ N6 N$ C, y
更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本; ) z' `$ R6 }+ q' y+ u) L
(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便; 7 m- I j, |) X9 z
(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
! h& `1 d+ c6 g" t/ X; V3 p三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
1 i: _" d% N" x/ F1、氮气弹簧弹压力的选择 ! u7 E* e. ~; `& \& k! u5 ^- n
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
& A# ^) ?% B. d: L8 s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- g. X" x, y9 C4 U; x
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
; `, R7 N7 |, w2 e: ]方面的问题:
% z$ @3 \0 R2 @5 a7 h I* ^8 ?& E0 Y(1)氮气弹簧弹压力大小。 " D" H* ]4 S& `5 ?9 q8 B1 n" V& @
(2)氮气弹簧的数量。 7 w, `6 [! O7 b7 h+ u- i) G
(3)氮气弹簧的增压比。
, G' E% I* E: D, \0 J" p2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要
3 O4 W# W+ Z9 z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+ K; |8 K: b+ k. n
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
) h! H2 Y0 ^8 w' Z9 M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, " H# j; c: r) b" O# e/ f& f
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) C, D+ o. ~( y3 t$ B# t& n4 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
* V3 ]& p$ J; V; C# Y/ Y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8 y! {7 W7 d% u. Y3 x; H& V) \
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5 B. _0 s9 v+ Q: e- C8 A, ~
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
1 a( @% T5 E; C- [+ b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,
: S+ M8 B, v$ n! _. P0 J1 `5 ; D/ n9 x* X P+ m& O
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 ^' Q' J j5 I8 |: S" ~9 ^4 Z
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
8 c+ S. q% S+ Z; k/ Y/ @: k( ~# U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。$ a9 T2 N$ \' S
2 w5 M! K# s% \" Z- A) m3、氮气弹簧结构形式的选择
: d$ _" S$ Z8 D; r( y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- h3 f& l9 P# k1 R' ^
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 e/ I, d% H( X( P, G
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
8 [; j( B& I4 x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、$ F0 Y+ B: C% W$ {+ b3 P
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$ x7 U" h: Z3 G/ a- ^' i9 V
选择。
Q# |2 v4 G6 M4、在冷冲压模具设计中选用氮气弹簧时应考虑的几个问题 I5 {/ e m. ^' Y% G
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
{# ]% T3 R. {% z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。 # [' r4 T9 t8 y% u H# M
(1)氮气弹簧特性曲线的选择
_; d- f1 F( J9 c; t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 {& a4 @) c( c
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 T+ u6 r4 p4 w8 o+ m
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
# ]9 |. M5 q6 _; ^: @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
" n; ?4 d6 }; [! U/ k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
( ]& `5 G3 c: \! j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
* o6 b9 c1 W! w) k! J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2 ], p* m, C: z" E" f
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
4 n5 W# o' \; j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
( \& n+ q# s$ {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。$ K% a. K( t- `" l1 y1 j/ ~
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" v6 ~( n* Q# x, J/ A6 i* h
获得最佳的性价和最好的经济效益。
9 V0 S# r6 I. Y9 M% Z(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡, $ i* U% _0 j ~- M: {; u
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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