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氮气弹簧在模具中的应用 $ {4 F; i; _' J, k9 w" Y$ V' ~# Z
一、国内外氮气弹簧发展概况
$ k+ ~' E; p9 \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' ?# ^. I9 h' z2 r# L: t2 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% M' m+ T1 g, L8 B, ]5 Z2 f
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- ~% q+ }: }# U: K' ^3 @4 A" I8 i
称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、
9 G) j+ @2 y7 V+ h8 ]- t# a0 ]3 f“ GasSpring” )。
5 f8 B' n/ i! h5 w 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
/ g" I* X1 @2 @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3 V+ }2 o9 G1 Q
的作用。 6 A& u# N+ O5 x' X; Q 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
' E$ R9 L6 c3 B. 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9 x# j ]) b1 v; O
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# L- o6 `9 P+ R% N
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, 7 H5 o9 U( b1 Q; v) a {
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$ L" G) z/ y& [
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 e* X) z( e# F m$ }* A; 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" h- V7 @* `. W& U/ e
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
5 C4 k9 O8 @- N0 S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6 I# w) q6 I- p8 r# w# S( v% y6 R
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
1 w4 ]) P: I' w1 b$ X: U0 ? w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& Y: [ w% M' g; V; U
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
0 [6 J! D0 H* ?5 S$ g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
8 A! L1 l" u- r3 u B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+ d$ V$ G; H0 i" B; P4 `8 o
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
1 N3 z5 m& W9 i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。8 |3 n# k1 g! |$ T/ { [ n8 _
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
# g& B# t9 j4 f/ ^& S) p- p. S" r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 / h' Z7 \! t5 T
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 Q5 ?" W5 p# I2 ?* l6 C" F7 r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8 J! r8 w6 y2 h& z
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+ j: q @0 X" \. ~" k- c
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
5 I8 M, y1 x- F/ ~$ _+ A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 E: L1 |' W' q: B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
- p2 f/ k6 M! q' X" H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3 Q7 M) T% I' n2 s6 a) c' ^8 p
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
9 P: G- m" W4 u! b; K: n. _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, 7 e3 v9 n: k) u. V+ ]# f
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
& c9 q% P! T* H/ k. M- Z% 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
( z9 Y+ R% d! q. O1 h! x" B( G4 {* f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。
5 M6 O5 f$ K$ T- P: d% w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! l$ Q* u' H4 H7 x6 J! j3 ]
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
/ l* O7 R! v4 d# F( d" j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,
2 ?. ?8 j* |0 H4 h这项技术的发展如今正是方兴未艾。
! s" |3 W! N; m0 L% p* b二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 3 X$ d1 \5 x! c3 E2 U: v
1、氮气弹簧设计原理 : F; c' g. N4 D+ _" J0 e& i/ y4 D, B
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
: Y6 d3 r' W4 D# y/ W* X& R" g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 R( t! I$ D6 Y5 q% ?7 d @$ x9 r
(Boyle-Mariotte)气体状态方程。
, K' U' I& x$ Q, T$ YPV/T=C, P1×V1=P2×V2
6 W/ c. k+ O2 a1 T$ @3 S应当说明, 除了理论计算之外, 氮气缸的结构设计、密封技术4 S+ e! x& J+ U3 l( u( T9 `
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3 d9 _' G+ X. @) @+ `# e
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
& m8 T. [. X3 ?2 O4 v1 ]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 C% t, N3 Z/ k+ K7 M
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、, T/ y2 b4 T+ ~3 o
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; b8 @$ r4 H4 e, g* T
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
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$ T! x' `7 z: u H, ?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, : z# ?4 H0 o+ X3 Q
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。 / ?1 S. f* A* r2 O. V( m- [
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! U5 }* g/ }0 X& ^9 g& |, h% i
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! e4 Q4 i6 h; p; @
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* k; [- u, n* U! `& U
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, # j6 k6 ^5 A7 Q) u8 z% a: n
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/ R6 e/ N9 L" W& |7 Y
面处理技术、密封材料的选择、密封可靠性与寿命等。
( i9 S9 K+ f- v ?2、氮气弹簧基本性能参数
' @; q$ s* ~( H& G4 m1 J! t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: A) C3 {/ V% X: q
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
h5 [5 ]# ^" m5 ^: x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:
' _$ O9 x0 m1 k$ l" i6 {7 g3 r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/ 2 u& C4 [; @# \$ H5 Y% 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 Z! r# H0 S- L! z下氮气弹簧的性能参数可以确定为以下几项内容: ! Z! Z2 ?: |5 y: g" `
(1)充气额定压力巴
. _1 @" _. d0 C$ A- [+ r* \(2)额定初始弹压力牛顿
+ R% m5 O% a4 a, K(3)有效工作行程毫米
0 f! X$ D- M2 @6 N3 c: F( c(4)一次充气寿命米或次
" M# x, ]+ m- L+ G3 {# Q(5)特性曲线与增压比
: U0 Y: @3 @; p2 j& t; c0 J7 Z(6)工作环境温度摄氏度 5 c! L/ P/ T) ]) R' {6 T7 J4 j
(7)外观颜色
% U1 w6 Y$ F( W(8)结构形式和最大偏载角
2 W4 l9 C+ ~. q3、氮气弹簧的特点 1 d$ d5 U, |- x B/ @# P3 q$ Z
氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面: 9 A7 l' x( L, x4 ?
(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 i/ {5 c! d" c/ m9 U, O$ T! S e+ b
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
! G2 R' D# A$ F" u, J' [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
9 E- h: h _! s) }# V& Z4 q' R模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多;
' N1 C# U' e8 f, j4
% m- a I4 e2 A6 t% E$ F& j4 f& R(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;
. |& E8 Q$ e* a# y4 M6 u(3)根据不同的冷冲压工序要求, 其弹压力的大小、受力点的
1 I ?; t+ j6 W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 h* U( C' ]3 H1 W方便实现弹压力的平衡;
- D0 L; p0 Y. s7 W7 }(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制
/ N3 f$ P$ R! m0 s( M3 s+ m. b" `9 h造周期; ; w/ D; w" Y) ^
(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上+ a ?" z7 s' V0 } q/ _
更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本; / b3 W9 d8 {- g/ \' \' W+ J
(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便; ( u; M1 R9 I( _. \
(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。
. S' A& L# P1 l三、在模具设计中选择应用氮气弹簧 ) \6 c, B/ Y0 S8 K C! Y0 j
1、氮气弹簧弹压力的选择
) l! T2 v. f- `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( m: E' J) A! D! _
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4 T* ]" l6 L! i6 C! s
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6 [" ^5 K) A- y: j* E% y! ?
方面的问题:
5 K7 d% D0 d0 w8 k; I: b(1)氮气弹簧弹压力大小。
2 S' ^# h; _" L(2)氮气弹簧的数量。
/ f/ U$ w1 o$ z# D$ }7 n5 ` (3)氮气弹簧的增压比。 ; ~# O7 v, V& Q1 N: p! _$ n
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+ A1 Z) O8 ~. C6 [
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
, q v% l0 k* c) c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
" Q! Y; D% s) E J$ j# T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, 4 m7 o$ {' X& J' p2 o! d( \5 U9 I1 N, t
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/ f# b$ C. @, g
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 ^& a& [: p+ Z6 w4 C4 C
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
; \' ^% b+ \! U; F6 s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
* f& w( [0 `2 c- g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
) S9 C; [% k9 M8 ]; F Q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,
6 d, }7 _! _ _% N' L9 {: s7 f5
" r, P) s& F- t# ^4 B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
! s6 q0 J4 N0 L. \: ]4 j: d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
: h) D" l; z2 H& n8 g7 e0 c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。
3 b, `' ?, E7 k/ L6 B7 j7 ?
( f$ M4 x7 @( D9 N3、氮气弹簧结构形式的选择 4 Z/ m& Z, A* f5 H. k' N* 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
: r; i6 R' B5 T k5 Q. U- e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
0 Y5 m5 X' S E" ~( C. m w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 v5 o" d5 F0 D1 E9 T
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、
0 Q- Z$ n* w% Z- _, x; i3 J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2 t7 T. Q6 Q9 u- s5 ]
选择。 8 ~, t3 A3 g; r" c* n
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: W, i3 P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
. Q+ ~$ I1 E# h4 m, V8 p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。
; w4 r* ^8 C0 F (1)氮气弹簧特性曲线的选择
. b) _; ]8 u. m' z: f- }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9 f( B: \& k5 r, R' d4 n
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% Q0 a/ e. c, |7 l1 |! n
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
& q' f6 K9 y% Y3 _% w+ L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. T+ W) e8 T. u: v2 z7 J
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
- u$ m8 _6 B# D. t0 L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+ [# Y0 E6 N5 J+ c
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
( w! E# ^& j, K# {" y- B/ q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
+ R0 D/ P# _% Y1 L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/ E; ]0 x$ o) F* x! ?. _: Z% v/ w
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。
?3 y# r! {" `$ O. u6 T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
; n5 e) d( v1 m G获得最佳的性价和最好的经济效益。
( t" v7 x) r& h+ R6 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, 0 F* A) x# s+ K, 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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