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氮气弹簧在模具中的应用
: y( V9 Q X* @/ K* x' @一、国内外氮气弹簧发展概况
5 ?, ` ^0 ]6 _1 l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' ^8 P0 Q w2 G; q- z' q
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2 N5 l$ f. z. i0 [2 w0 h& Q* ?
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
# |# Z$ ~$ T- K- o7 j$ p称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、: x! e9 J" E1 Y1 K& U& t
“ GasSpring” )。
( ]6 L8 [( I' X4 A/ I2 R0 |% o 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
4 [ W+ k2 ?) J. ~7 n# v3 H! ?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$ c( _% ~4 D* h1 n" {
的作用。 2 y! Y6 e. n6 @7 N
— 在模具工业中,一直大量使用着弹性元件。这些年来,模具技
1 y8 v4 R4 A4 V I3 C0 _/ Q) _8 U: l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
+ G: O. g0 Z, K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$ K0 ^- q& }* u
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,
( O9 s2 B9 ^) _$ o+ f: ~ c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- \1 ^+ F3 ?$ x
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
$ I' l3 i; P6 m) _* }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: O* t- x& ~& v% ]- _+ g
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
2 Q4 R: u" W& r( n5 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' m1 k& }8 t( x# C- [( |& d
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
9 g- r. w% t5 U J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
& ?7 H! u& M& p$ r3 G7 d 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
1 e7 J3 C3 A8 F" i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 ], v! x! o7 ^( j9 Q* ^7 l
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5 a6 g6 F8 x' u+ U" F r- Q2 g
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; ]$ A3 s+ K4 s% T5 e# S
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。; }' l. H: _% S. e
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
8 u3 |# o2 n6 S4 d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
; }- r' G* Y. \, c' q7 \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0 C; I3 h, L0 V
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$ t- K4 N6 I: S3 _' g
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- [2 u8 v j9 P
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
( k7 T& O$ z6 K! g$ t. W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8 V( c/ k# P' Y: ]
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
~: R% ], ]# O+ u# H4 u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% @6 v6 Y9 Q: v8 V" l0 ~$ i
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
8 x, F- W$ t+ D( g2 R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, , O4 q) ]- d, k& j+ Z& X
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. R [0 ^- y) H. ?( m+ O
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7 ~( Y" K. r* q G
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。% K" l$ B \, |5 Q
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" }6 q. p0 Y$ @- h( i" h' J- R
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& s! v, V7 ~6 D' z5 \. Q9 h0 f$ R- @. a
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,
" v, B2 y/ P; S) \$ X这项技术的发展如今正是方兴未艾。 ! {4 `* {& T5 f8 G
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 3 V; R8 ~- Y/ s' }4 `( P. V
1、氮气弹簧设计原理 % w( ^4 l& T+ O6 D+ W0 l
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
7 {) k$ G% q4 @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
, y0 K4 f0 N7 e! {7 {(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 8 T2 b6 k0 N. L% X- ?6 j
PV/T=C, P1×V1=P2×V2
' i; v2 d# T5 H# s" p; N# Q应当说明, 除了理论计算之外, 氮气缸的结构设计、密封技术
; ]/ T+ @8 Q7 [8 B4 g4 A3 b3 p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
1 W! y7 R0 P5 f8 f+ f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
+ O3 ?) V# O0 Y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
1 |& v* O: {# e" J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、
2 ^( l7 n. X3 d* X8 E4 |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! T1 S$ M+ G. |$ v) I. R- y
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, Q# W# G3 q0 s
3 . b( `: f% B5 {4 }7 B
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, 5 c7 ]3 a0 i+ g+ T7 O% {
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。 % {) M# [3 a* G4 f! j
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
, M a, C, b6 t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2 w' _7 T4 s( D# [0 i6 p+ T2 b# l' e2 O
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
/ e& T$ P. C, S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,
: j% q5 \1 }9 |4 T1 q, H2 m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
" h% Z! _. k( n6 g( b面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。
, y/ [9 P" @) q0 U8 {1 |2、氮气弹簧基本性能参数 , V" S# w- Q- Q2 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
* t o1 Q0 f/ [. J1 G4 t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
' k9 n S, O' o/ p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:
2 t+ q" m; f& E/ ]' ? r/ j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/
! D! v; h" I! ], D2 k* P% h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( k# y9 U9 Y1 q7 W
下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容:
8 }$ X/ v: i* r" v: j7 |+ J(1)充气额定压力巴 4 N3 J+ @2 N. \4 J3 C" W; o
(2)额定初始弹压力牛顿 8 o; N* O0 W" y# I6 t4 O0 \) a' n
(3)有效工作行程毫米
' w4 }9 `- Y% d2 U# w(4)一次充气寿命米或次 ) ?6 y0 h1 y4 B5 M7 r
(5)特性曲线与增压比 5 y Y" ?0 y+ r0 R0 ^$ O' i
(6)工作环境温度摄氏度
; Z7 z- t0 m. u( V2 F(7)外观颜色 ) p( N% O2 k# q, _. @9 Z7 K
(8)结构形式和最大偏载角
) h# C; c7 V3 c4 t4 c- B3、氮气弹簧的特点 # w# |! O% p. D1 ^' n4 {
氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面:
! z8 ]! _; t. q; _. r) F: ](1)在较小的空间中, 可以产生较大的初始弹压力, 不需要预
) l1 R& M' R C; w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
6 t9 S! z4 o$ f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% V9 r+ P: y: ^$ T+ l
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多;
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' r& f* i: m7 F, p. h* Q(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;
. m8 s4 v- c0 r. s* c$ K( N(3)根据不同的冷冲压工序要求, 其弹压力的大小、受力点的7 _8 r6 K& I/ M& d* s: R! B
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
1 U% A) {0 m5 g( G! `方便实现弹压力的平衡; * a+ Y0 ^3 G+ r& F7 a& C
(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制
1 M* T( k Q c6 x6 b2 U: w# m5 g/ }造周期;
: }, V d1 n+ z, Q8 M(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上
2 F: Q5 `, o F7 G更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本; / F# K& ^$ T0 o" n
(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便; 3 h. o# h! @0 T! v
(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
: q+ n" ^/ e6 l* W三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
" a. F1 M# H& C \8 D& S1 q, O: [9 r1、氮气弹簧弹压力的选择
! e7 h. U0 B/ e; A7 z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# Y' M( Y& F; O+ u7 i; `
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) n. |1 k( _# |, D1 e
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
* T& X5 u. \# f& Y }方面的问题: $ o& F q; m5 @6 m) [
(1)氮气弹簧弹压力大小。
7 ^ K, j3 P* u# T- \8 s(2)氮气弹簧的数量。 4 h) Z- P8 C) l7 `! V8 r+ v9 u+ a
(3)氮气弹簧的增压比。
, Q3 \2 c9 k1 R2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要6 w" k) d/ h9 x6 O2 g' p5 K
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2 Q# ]+ k+ I2 A# I2 `
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2 t) [ H% C2 }8 [$ ^: X$ P+ i q
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,
: C L" U, K# [+ [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& s! L2 G* C+ X5 Y9 A
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
E5 e) t! S2 z3 D" f) u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
- T/ s3 l; |6 f- E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 E% U; F/ W$ {9 K: o' @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
, Z5 T* \' X- I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,$ g8 P9 s" A: e% {; E M7 d) k6 @
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- {7 M: }; @3 X2 P! m/ i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
% g( c8 n" y" f3 c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0 X8 f5 ?, H! O: T6 q
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。2 i/ a5 w0 x1 E& b
- f3 Q1 K3 Y/ [6 [' \3、氮气弹簧结构形式的选择 % k% l& C4 y* `" F
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
9 w6 ^& [4 R# q4 j( ^1 T3 |& u( B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- Z- Y; i" D) r1 {( S' `% ~3 e
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
. `! n' \, z. f$ I s8 c: i0 Z7 O$ L [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、% A4 W& I* ~- c# e9 f
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3 i; K2 X+ W* W$ |. h
选择。 H7 Q7 v/ v' m; x2 L% _
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 ; V' s& }- I! h: D5 @; ]
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
e' F# B% w" K9 B# H9 C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。
9 ]- W" \. e1 s6 H+ _) n (1)氮气弹簧特性曲线的选择
) o2 J5 k0 z3 [8 H/ {- W1 [) {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8 j& u i% T+ k! t( O
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
7 q- f, m& {( s1 @3 ~% R8 W- q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4 U5 l8 l0 ]+ y) ^; t
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
. z4 R! D6 ?0 K; M' {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7 d; u* c* b8 J: n
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
0 q2 K4 @- G$ w4 B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
7 |* H8 d; h. b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& I( U0 @2 M/ 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
& s% j$ }) p' q/ d5 x6 V/ P' X6 X/ K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。5 N, r8 f: C0 z' c- W/ H
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
4 j6 a. C- Z* G" h {获得最佳的性价和最好的经济效益。 - G9 Z4 y2 k9 m- s- 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, ( g. c* Y' G2 ?/ l6 o
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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