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氮气弹簧在模具中的应用
" o B% V b) { m5 B* D一、国内外氮气弹簧发展概况
* s& a1 [" B1 d7 F- b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" Z+ _0 h8 Z4 ~$ \% N
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
' z/ g3 g8 D& L6 g) W* q+ x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# B5 l/ B' p0 ~: L. S2 Y% K* o
称氮气缸弹压装置， 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、/ b, R! l8 x2 \; }
“ GasSpring” )。
' _% @9 M8 f" ]0 V 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
q: p( W5 f: T% m: m! v* `+ |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5 ~: ~, N4 g( L. [& s1 y% E
的作用。
( @4 L/ G0 H$ a+ @ — 在模具工业中，一直大量使用着弹性元件。这些年来，模具技: \, q6 ?2 y+ C' l9 O' P
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
- E8 _( I6 l% J2 d/ I. C/ N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
: q7 d0 A+ y' y# r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， * Z7 O4 m( b5 ~ w& w7 C" K
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
& X! @/ x3 q0 R; ^3 E; S, \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8 o2 H3 \# L5 T9 T' ^, h/ 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$ s( F# c+ a/ X$ L8 H
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 t' |" Z1 ^2 l$ y# F ?$ w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
4 ]5 Q1 Y5 W: c* F6 J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零0 }$ c. e2 R$ q
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* j$ O3 N+ y5 i0 ?; N1 w% c
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
! @6 R, W/ d- W+ B: v5 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 q$ i. _8 d1 N4 E& Q# ?
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
, g0 k5 H$ f' p# n: S) U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) J9 |1 }8 Y& W& A
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。
' @* S5 @% k1 R3 x& Q( }3 Z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
$ y$ ]. M+ j( J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 ; s+ ]/ w; j) v' @) e
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( b2 }4 i* O4 q V: k
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, s) W8 \- N- e$ w
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
. ^0 U5 p2 F1 [3 Q, W) f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) K9 V/ ]8 Z7 x$ X6 e- F2 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6 ` Y- D. h% ]$ P4 V! }/ ~
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
2 X' u1 p- D# Q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; _# l9 B% F3 z, ]% U/ m
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. E9 b0 B$ a B l9 k. g9 e% z9 [
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， ! ~" `& x- c& Q J
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
9 }+ s+ e8 I! r8 c9 C2 X! K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2 M$ r0 z/ x& h& V
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。# u: i# ], M+ R
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. P6 z( Y. Q7 `- t3 y, [; u
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 C* c( @; H/ ~! [: J! c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，
) g7 b+ u) C& D8 G; u: j这项技术的发展如今正是方兴未艾。
9 p5 o3 E+ s' @) z6 q二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 - g) Z/ X3 W/ i# P4 h/ b6 O% S7 `
1、氮气弹簧设计原理
, l1 X5 C& O' Z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
, u4 Y4 `4 N E7 T; }8 F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
' e' @+ P8 s% c1 C- `( [1 B) o9 c(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 # [- b# ~! K. X- S6 P! \ c+ h- E
PV/T=C， P1×V1=P2×V2
1 A+ p8 L+ J+ @- Z5 m$ b' 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1 t7 o2 }4 U& V; H' T
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# T) {/ Z$ x6 s# }6 m7 U
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# X0 {1 t7 I5 n$ [
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
+ n/ d1 e6 j! F* {; F# S: g+ U# t4 B 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、
. T2 G+ E+ n2 r. j6 l5 U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( T# f( y- y0 Y8 W
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
z7 [; p, e) @# Z) A+ c; K/ Y' o5 a% D! {3 3 \) Z( \! U" }+ }
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， - u5 u6 J% l( M# R. w3 x# J" A, `
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。 9 k! \! L0 w- i
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
7 U$ w0 X6 V/ a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8 Z7 y& o* C8 \+ k. h- a
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/ h# N# E. S) u) C5 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， * ~" n% W, s& D! P" 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
1 j; ?6 o# E' m# D面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。 $ Q( E; A+ o T* a
2、氮气弹簧基本性能参数 & q/ n* g! A5 }$ W; p8 D
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7 c. p0 w \; Q- Z3 r$ C$ h/ H
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6 P! a$ a/ D9 \9 M8 c* p4 [
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： 9 ~* U6 e. A; S( R- j0 ~7 b2 {
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/
/ |& A' d3 n; o; x6 o& i. b4 @) R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* |0 V8 J- T! ~, U
下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容：
0 U! @6 m4 k, \! D$ G v(1)充气额定压力巴
" i1 |1 [, q- ]2 a(2)额定初始弹压力牛顿 6 n0 L S4 u, O& j/ g* w# C
(3)有效工作行程毫米 . x6 ~ e$ P. T: P- x5 G2 d
(4)一次充气寿命米或次
8 ]' |1 l) X) K* x0 Z7 \(5)特性曲线与增压比 % g2 U E+ H! b2 w
(6)工作环境温度摄氏度
: \; K7 G* H3 P, P d% U; X(7)外观颜色
2 }$ Q2 Z0 v5 L0 u+ q# w" E(8)结构形式和最大偏载角
6 ~) Q6 o! k8 O0 R3、氮气弹簧的特点
' W) R1 h( t5 i) j- |5 b2 Z氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面：
8 g- M8 r0 H) f% W. d; J4 p(1)在较小的空间中， 可以产生较大的初始弹压力， 不需要预4 P8 r( |* D( z. E
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 W4 m/ `# e( {% S+ V. {/ \
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 v, T# w3 r# a0 S! \6 s% Y
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多；
! L3 g' l$ g8 U, Y4
) V5 a. }1 [, I, g( t5 ^(2)弹压力在整个行程中， 可以基本保持恒定； 7 B; i1 X' S0 }
(3)根据不同的冷冲压工序要求， 其弹压力的大小、受力点的
! V1 p( t- w7 J9 ?9 {! {& v7 \! l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
% P$ @2 s; b6 _; z* u方便实现弹压力的平衡； ' Z0 `' M2 n% q* k3 F7 M
(4)简化模具压力、卸料等结构， 简化模具设计， 缩短模具制
! h/ @4 z6 a i造周期；
9 f7 i8 C- I9 G- [0 L# o(5)提高冲压件质量， 保证冲制件质量稳定， 缩短在压力机上" u" M0 m& N5 B! J6 c' Z
更换模具时间， 提高劳动生产率， 降低成本； . s, }6 o, V# x2 S, ]
(6)使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、可靠、方便；
3 @+ E9 w) X5 s# y7 L(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
' r$ D( ]5 n- Y6 V三、在模具设计中选择应用氮气弹簧
! e+ b: M0 k; A1 F6 V1、氮气弹簧弹压力的选择
5 B5 `2 |/ L& g7 Y% E4 m, t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, |$ R- r! E" W
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; `& x& \8 S8 t: L1 c) p
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4 P) b4 M" u) K: ]& W& v
方面的问题： - s. _" A& W, m! _/ d* m
(1)氮气弹簧弹压力大小。 9 X2 M$ g$ ~& b' y
(2)氮气弹簧的数量。 ' J4 ^3 n, \, K; b9 Q" \* t! w9 e
(3)氮气弹簧的增压比。 / w( g1 I4 L' [6 ~' w4 o$ G0 ~' l
2、氮气弹簧行程选择 氮气弹簧的行程应满足冲压工艺的要# F2 y! w o4 F' [* u# r- n9 x
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
$ i, a1 C/ ~2 W% u2 Z8 h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% D; d$ ~- S- d6 l* K
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， ' V1 q T5 n2 m+ q3 e6 }
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
* e. U0 A$ g% V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9 }6 e1 l( Z5 G$ X$ H2 f
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
5 R0 B* ]; V+ A) Q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
& Z: E) f( x; u8 f* 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( T; Q0 O, t, p4 G
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，9 n3 O2 m8 o# l ~. \
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, K2 @5 c, j5 ~! i; _7 Q/ [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5 J1 O! D0 H) `" P
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
2 H6 o5 m3 }+ f7 |: l p! s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。
4 V+ E. M2 K1 x6 R8 w- a1 s 5 g6 ]5 F# ^: P
3、氮气弹簧结构形式的选择
3 V" P9 L' J: P( q' K3 ]) E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% M" U5 u% Z9 i0 i; v' k' t+ i/ v
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
5 N6 x e* @4 b u1 z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1 ~9 A3 Y7 H: C: V! X9 n6 Y! x2 @
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、. Y, _* M) `; ]- J4 i: A
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" D6 Q- X: f9 L$ r; u8 T
选择。
3 d: w7 p. g$ Y. g4、在冷冲压模具设计中选用氮气弹簧时应考虑的几个问题
: h) y5 Y8 H5 ^1 `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8 _' Y; z" g5 R7 M
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。
. E9 `1 O9 d! x% ], X3 R% ] (1)氮气弹簧特性曲线的选择 $ ?+ t' Q3 ` d( 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
6 X6 ^1 `. N3 T( P: D& d6 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5 k" Z# k0 ]; I4 M; i# [
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% s) x; B( c d8 t- p
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3 l1 k2 v5 K& Q3 w
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
/ z$ `+ D9 g2 E6 b9 |+ P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& M" M& f- t/ b; o2 s
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0 A+ M% f3 g, E r
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
8 ~$ Q1 J" |+ e }! R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
) Z' C5 F- _4 C* x& T5 r* Z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。
: U% d1 a& m9 `* S) |% k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. H. K' x k9 c/ K9 A- P( v8 s/ k2 u
获得最佳的性价和最好的经济效益。
) B' H; c5 O1 o4 v(2)弹压力平衡 在模具设计中弹压力的传递应当保持平衡， 7 W0 K- _; V- }/ {" _: C" x. _
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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发表于 2008-5-24 22:16:04
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