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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
3 f2 @( b' ]' k1 l) t: 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 U0 w& d/ R0 \1 x. Z, p( e! p$ c
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 0 {  U2 X+ i4 S1 e$ g/ \9 t/ i
称气体弹簧,或称氮气缸弹压装置,简称氮气弹簧(“Nitrogen Cylinder”“GasSpring”) 6 @( B, [+ E  a( Y. U
  
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, % I! l5 {* I" i9 f. x
解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有的作用。 " X% h: c  a( J

1 i4 E7 D. @6 Z: Y
: j. @0 r9 S- {  a! |! i, U, W
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 3 X$ {6 s( G3 a8 Y8 t
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 . P' L7 S3 _/ F5 j" y2 }3 B# P
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 * A: U3 y5 E. V
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 ( t6 @, O$ H" ]" J4 E
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
/ T* c- M1 P7 g+ i
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   v3 L# \  A/ Z0 n
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 8 O  c1 e0 o. w* f
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
- z& c3 O6 ^. |. R0 B: m
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 . N: S; v* L! ]+ _- [; i% 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
: w. C  @, s6 v3 b. p, {
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,
2 A* l# w- J( J/ d6 e+ F" Q, [
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 1 E1 X4 e1 e1 I% b; H9 P9 Q( \
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 * l. u. Y- h" ^; \5 k' B, m) `
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
! @/ C# `  B; n4 C- B' @
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 $ ?1 J) ]. U! {- V" F
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 , w3 c4 E4 {# X+ k; w1 i
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
4 P7 M2 f4 j3 u1 k  F& q4 D
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,
# k1 D" R' o4 m
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 . U6 D' M) V$ G
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
% K* V. f& @4 t3 i/ k+ p1 J9 g
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
/ ^* p9 O0 g7 P
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
! K: n) X% }1 o! }6 Z( E/ {
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
  |( Z' p" m) \
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 ' @3 f/ v3 h; J& S" a
需要,显然,这项技术的发展如今正是方兴未艾。
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[ 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
$ B" a" G+ Z/ Z    1、氮气弹簧设计原理 6 u9 R+ l# Z& I$ F
    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,
+ H0 b( F: b) Y, ~  j4 ]" M2 m$ p因此必须遵循波义耳一马略特(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 4 L! G8 l$ s8 p% s; M8 G2 ?% K. V  J
     V/T=C,P1×V1=P2×V2 7 ?0 s7 `. s6 O4 ]/ n
    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。 # Z$ z! p- Q$ [3 ^
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
/ R' d$ F% t' Q2 h+ ?1 q5 C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 ) A8 h/ o7 W- H! G
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
( t% `8 q! x; n2 o0 f, d( k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 6 Y! N( j9 d( H6 q2 u2 \' c, e3 C
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
, u( \1 F2 ]& `; V1 P综合各项新技术应用的产品。
8 k' o% h- Q6 l8 B; R  x$ B    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 v; k) _$ v) e/ z  Y) ]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,
5 G3 s! _. V) a& m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 . K) `( R& x/ {+ ?. c
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 # r* @  c4 N8 ^( U' ]/ e
封可靠性与寿命等。 & B+ j" F  p  [2 V9 ]* Y' q
    2、氮气弹簧基本性能参数 + J- G$ O, i5 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环境条件,不同的工艺要求, ( d/ N* I1 N1 M7 q/ }! Y7 J
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。 1 {4 A& }/ H: s7 Q$ q) A! W+ I# F3 T
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 : R% P8 q2 I5 m9 h
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 ( T+ `( ~4 E  h& L$ d8 n
以下几项内容:
/ a* \, y# y; S( a0 n: O( [     (1)充气额定压力巴 ' M, P6 |% A" [9 O4 P6 I) c0 N- C7 i% D
     (2)额定初始弹压力牛顿 , S- h! _- @3 Y/ o; z- l
     (3)有效工作行程毫米
% i! @3 V# B% G     (4)一次充气寿命米或次 7 G& D9 }/ [8 H7 n$ R6 r1 h
     (5)特性曲线与增压比
9 t/ {6 B" H$ `3 X3 _4 _     (6)工作环境温度摄氏度 ( i( @' i5 C* u9 S, ]* W) k
     (7)外观颜色 9 N, g$ @: z1 Z* a( C
     (8)结构形式和最大偏载角
, [& E9 e9 I- W; m3 J  ]9 Y3、氮气弹簧结构形式的选择
! n# u2 F% d9 u8 i    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
) b; I7 R, h1 g- }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 / s) e2 ^  |" J! ^
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
/ h) z# V6 N3 Y& L& l2 d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。

6 o  h4 b: g8 O+ S/ s0 \
  i9 y: ]7 q/ o# R[ 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& d5 Z+ H7 l. U1 ?    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   M! m, R3 o. ]4 m4 s% c- M2 I
能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。 ; v2 C9 p( m1 @0 O
  (1)氮气弹簧特性曲线的选择 7 z9 ^$ d* U8 b! u; k1 P/ q
    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 4 c6 F; Z8 A9 E( }# @5 {; _
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 ! {* @3 @4 x. D' {" `+ G1 Q1 u2 \* {
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
  I5 A2 t2 H8 R7 W+ X1 V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
! D) N- ^9 C' x: T- R# T& r4 @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
% F/ B2 X! Y7 h; A) B3 O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
( G/ s* m$ S3 R# }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 3 w! F7 v1 _0 d# A* ~
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   Z; s, a( ^, o& g  Y6 {
而获得最佳的性价和最好的经济效益。 5 r7 V+ y1 q* C1 v+ q6 B
     (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
0 t/ h! O" O0 [- ]- Y& j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 0 l# n$ u! G% B: a) Q8 X
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
: r3 \" w6 y, O( X1 Z9 l1 G) `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 . d: e2 [7 `0 D" p2 {
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,
% k0 W1 I) S( R) e5 l! |( e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 * l. m2 Y. q) {: F! G: h2 l( i
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 / r0 v2 ~0 I3 D( A+ T7 i$ Y# E0 P
力系中心与冲压力中心相重合的设计方法。 0 \% e+ }" B0 A. H( c4 y+ j8 U
     (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
( i0 ^" p+ }8 ]8 g! ]. k6 P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 2 b6 w/ ^7 Q2 h3 r" B) m
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 & m! |, x  m3 p9 @# T7 I
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
( L4 Q* [2 b$ h7 m9 }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 * U, r# u9 M* D  p4 s( v6 D( r* ?/ U
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
6 |! ~$ H; S+ g2 ^其正位,避免发生偏斜。 2 `: W  j% z& N0 o3 ?, W  K
     (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
9 v& V; W3 D  d3 N; {$ c7 `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,
8 S" X8 u; B. O5 k& L; G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
0 P* L$ c  j1 }9 O+ K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 y/ I: k( i
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 * c7 o  j3 a/ c7 h  d
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
+ G$ j& ~$ v4 y7 }9 F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。
! v* F4 Q1 @) ]1 y5 c: I% n四、氮气弹簧应用实例 : K8 h0 I/ ^3 ]
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、 1 y# M  ~' b5 V/ ^+ d
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 2 x! `. t; ?8 f: X* z5 F
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。
' d6 _# P$ c5 h6 e  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 / w/ S- p3 T* S5 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。 * z% j$ w+ Y6 z5 V2 w/ L4 e
    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
, T% `; S. r/ d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。 1 S  q5 o8 `7 I- s. X6 ^. J
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,
' V; [7 ^3 \0 v9 ~1 O: }  l  ~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 1 i+ a$ ]( J! q' n6 @! 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
( b7 Y5 B3 D4 @8 }9 w8 g8 J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
0 s. l& W/ F3 d6 t* |8 \: x簧系统是可行的。
' \) G0 t. D( k    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
( ^' g" @  D0 a8 c$ D" O8 m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
( x- f5 R3 j9 ^9 y4 _& |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
" f5 w8 a1 q1 d. A/ k& Z. f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 T  m+ n9 t" C4 s# `8 D
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 , ^8 H6 {2 t- k" _
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,
% O  y" \5 b! v3 o- d5 E' D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
1 z/ A4 Y" e' }! K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
+ ]  k2 O% t* h- r& L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
( T% n4 u0 Q, J" E4 A7 p5 e2 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
0 [8 C  A: n1 s7 \$ C9 C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
' d/ u' e* r& B  F8 K. X; ?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 $ m+ G/ m) F+ h7 _* |4 U
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
" C+ @" w- b( a% j8 a0 l: |& q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 1 Z1 a# F0 O" @# Q8 b/ v
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 ' T% k' x' \0 m( C
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。 1 ]9 n8 V5 `+ O2 ~: m
    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
0 L2 a" ^. B& t7 Z) d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
! B1 E0 W4 M$ V! E* s, S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
" O# h& K; l2 C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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