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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) T6 G! g$ q, K8 A# g7 v) X
   
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
6 q6 c8 e/ S& K5 D  k- y3 j
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
: N. [) ^- D9 L$ ]/ C
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”)
8 A1 ?" `5 D5 |  
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,
& Q2 G5 v) T2 O; m. K
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。
- ]' W- u0 M3 @1 h0 x  F! ^! c( f& R
8 A' \* D( S: X& o% R4 p1 t2 M

6 z( f) T3 L  Z6 k( M# D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
; [1 w" w- s( M9 W9 d- S% ?9 {' O
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 / e7 ?/ `5 A( B" c& L; S( A
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 ^! J% x1 _& 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 0 G$ l8 K: g" D' b3 L
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 ( O$ H* q. R' `
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 8 H2 \! W1 S1 b- Z; M
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
4 R+ N6 X. O# `* N; g3 B
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
5 y! U& ]/ D" b
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 6 i, G: s( X) C- c) m0 N- p! n
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 ( L5 z! C: _* Q& H7 Q
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, 0 d6 }2 b4 d3 O# U# T
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
0 N; X5 d/ z0 i9 N3 l" F9 y
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 5 b. N' ]: I5 B+ U2 B4 ?
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
4 a3 E5 `. U: 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 & E/ q5 }. o& \2 T( P: j
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
! a( l* Y6 ~- {4 D0 G
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 ; H* A# O3 {3 H
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,
# J1 R5 a5 O8 ^  x8 t
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 9 W9 {1 r, N& m+ {& n
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 ; O8 ?0 X0 u+ e2 I1 t$ J+ 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
( Y. ?3 |  \; T0 T$ F
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 [) ]' c* j6 L- J8 W1 a
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
) Z1 i8 S+ Y" T# A) U3 S2 o
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
6 ?  H. @3 z- ^# S
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。
6 @6 c/ w3 u. d+ _- }

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; B7 F& H' {& V1 V# v$ A[ 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 3 u% s* a7 ]" S# l1 R
    1、氮气弹簧设计原理 : I0 v4 L. q9 W) A
    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,
. C6 q, u" z% G  r# M因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
4 W7 M- g; m/ @     V/T=C,P1×V1=P2×V2 . U+ C2 a. b  f! g& U6 c
    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) {9 P9 s9 _5 h) r5 _
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 ?, C- {% n3 C  G6 [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
+ O* y2 v; \+ ?7 S  b8 p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
. b; r, @3 V: I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
. C5 n1 m8 f. ?! e& e( d8 ^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 1 j0 B2 C. x* g
综合各项新技术应用的产品。 ( s' v. w3 ?$ S7 Y& f" 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杂,高压气体不仅要很好地 " @1 v- b' B" M" ]6 k
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,
" O3 ]& e; V/ b$ k9 {2 \. g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 7 ~: [* ?/ y  V: a7 f* A% G$ B
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 # s' W0 S; @! N3 t/ b  A
封可靠性与寿命等。 3 M" x; O3 t5 i6 ^
    2、氮气弹簧基本性能参数 2 p' D) m+ U7 ]9 G% B0 F4 G' I( ^: v7 J
    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, 5 S& ~% {4 R( D& A8 ~
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。 7 R- Y: L3 F8 {  m
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 * Y- p- m$ @9 G2 `4 |0 ~
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
- T7 f; C) ^3 j* D5 b以下几项内容:
) O6 ~) B; n+ y1 S! K     (1)充气额定压力巴 ; r& U3 W) B: X$ ?/ q9 U
     (2)额定初始弹压力牛顿 # Y7 j/ [( L& i/ w3 f. b( |! M: t, f
     (3)有效工作行程毫米 ! I2 J$ C1 u1 M% Q( r/ o, R
     (4)一次充气寿命米或次 4 N% Z5 `& \! u5 ]. }% [; ?; Y
     (5)特性曲线与增压比
  C+ x1 V( s7 K. U     (6)工作环境温度摄氏度 3 M8 m/ t$ _, ^$ S7 w7 w
     (7)外观颜色
- g/ W' t" e1 ^5 Z7 F     (8)结构形式和最大偏载角
# ?) Y8 ?* F% [/ g) w- d8 H, R3、氮气弹簧结构形式的选择
8 Q3 c  o7 J$ [& g4 r& B' M    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 4 V; g4 T8 l3 [5 L* c0 c
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
+ t( D" f. Q8 w+ O1 I/ g3 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 # y4 V2 U, ~( g, V. C3 e
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。

# M0 E8 u0 Z. L0 c  L+ z0 }9 F
. S1 J( i. g6 t% `0 C; q/ a/ j, C[ 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# ^  D8 O3 ^$ J6 t1 b$ H5 u" u    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 $ ?0 L( q* @( k1 ]" G$ M  M+ R
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 3 i9 ?+ U5 j* P. T( `7 a2 s% V! |( z
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 + H# N% P$ x. |4 \* u1 O3 B$ b
    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 - x2 z$ D5 ]  ^5 m* n4 j
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
4 ?1 j/ ^- b; s$ O0 I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 . i* X+ ]9 P- {+ D8 M- I$ }! W3 G% {
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
; {/ {) B7 P4 j3 k1 H7 f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
( U) g$ E1 A( V+ F+ q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 6 E" M1 [4 U  i+ u- z. _
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
7 K0 M  N: s$ D) X( D: O0 O7 O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 6 f2 u  E! A+ J6 W
而获得最佳的性价和最好的经济效益。
) J& A+ a/ p/ f/ C     (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 5 Z4 }% t/ H9 `2 R0 n
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 ( M. j: |, y) {7 K
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
' A. I: P$ D2 S& P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 4 p+ d( e) D* n3 K7 o! u, T9 r
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,
, f) _0 i& b! m1 p4 |1 B5 n' T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
" o6 u5 g, f1 H6 E* Q3 S& `6 {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 % P5 K  z- W% K, B( W8 O
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。
* w0 u  _1 Q6 Z* k1 j( |$ I     (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 6 f/ }' w* B& x- Y4 ~; V3 [7 l
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 ) S4 `" }7 R# k, u: y* o" \+ f1 t) h
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
7 f" G* T' M3 ~% ~0 r' }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
3 p9 p# O5 P( h  e5 H; l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 + r7 g: o& M0 d9 W5 P
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 ; E  B* Y, l- _2 I% a3 w
其正位,避免发生偏斜。 0 ?. x6 @: ~; Y+ x' Z
     (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 ) H( n# C/ e$ d* }
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, 1 H' v2 d) S8 `+ V/ l7 I$ x: c
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 6 V5 W  m1 ^9 ]8 k3 g) i7 J
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, $ O; J; ]8 F( a+ ^' |
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
/ Z2 j9 r0 K5 t; \% M6 D3 ]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 5 c8 A5 U. H4 a) W$ Z
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。
! ]* M5 `7 B" U) x3 C四、氮气弹簧应用实例 + O4 I$ ?3 j. n. a
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、 ! o) D6 @4 D8 o
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 , j7 O6 n, {& P
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。 ! L$ S& Q: P# R4 ^4 V- w& C+ r( p( a
  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 " Y$ {) X( K5 a( E: d* 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。
& T% ~7 B" k$ X% E+ W# o    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 2 x) Z' t, R+ S
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。 - l, s2 X% v! J8 _( a
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,
& D9 Q# {: C3 t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 & F: M8 ^1 \3 P- p) E
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 7 i. A5 J$ x6 r
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
7 t' ]4 i6 x$ j簧系统是可行的。
1 J+ o! x0 a+ u1 k% n0 ?    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 6 S- @8 V9 {  L( U7 Q/ q
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 1 Y# `8 R3 p0 ~0 q
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
; W3 X: V9 Z  j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
9 p$ V0 Z2 K! v0 h& M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
  c3 s0 ?; N+ }; O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,
" a5 [( k& z8 {6 ]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 , Q8 j4 Y5 G' G
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 $ R4 E- n- Q$ w# E
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 1 y& Q" Z$ [( W! F
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   N' x" u5 ]3 l" `4 R2 ^
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
" c0 w+ r) C2 x5 V. h" }4 y. 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
0 d9 e& k5 M" z' t; t& c- }0 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
+ h% v/ W; V  t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 7 A) C$ v; `& ~( {- m2 p5 g( g
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 0 I3 a6 Z  s0 w6 |( h! |
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。
8 J( j( l# h/ R& ]* j. y    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
; H! f' }) l- H- v2 K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
& [2 w+ A! G! t6 E" p9 P! o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
0 r# U4 i/ T& J3 V7 l8 J+ b* O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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