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[原创教程] 氮气弹簧

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发表于 2015-4-3 09:55:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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氮气弹簧在模具中的应用  
一、国内外氮气弹簧发展概况 
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称气体弹簧,或
称氮气缸弹压装置, 简称氮气弹簧(“ Nitrogen Cylinder” 、
“ GasSpring” )。
 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,解决了各种弹性储能的需要,发挥着其应有
的作用。
 — 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: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,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;由于气压的波动和
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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,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, 满足了工业发展的需要, 显然,
这项技术的发展如今正是方兴未艾。 
二、氮气弹簧的设计原理、基本参数和特性 
1、氮气弹簧设计原理 
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, 因此必须遵循波义耳一马略特
(Boyle-Mariotte)气体状态方程。 
PV/T=C, P1×V1=P2×V2  
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。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,都将直接影响氮
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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,
氮气弹簧又是一种综合各项新技术应用的产品。 
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,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、密封可靠性与寿命等。 
2、氮气弹簧基本性能参数 
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,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。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以下几项内容:  
(1)充气额定压力巴 
(2)额定初始弹压力牛顿 
(3)有效工作行程毫米 
(4)一次充气寿命米或次 
(5)特性曲线与增压比 
(6)工作环境温度摄氏度 
(7)外观颜色 
(8)结构形式和最大偏载角 
3、氮气弹簧的特点 
氮气弹簧的特点可归纳为以下几方面:  
(1)在较小的空间中, 可以产生较大的初始弹压力, 不需要预
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
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
模具高度要比采用弹簧的模具高度小很多;  
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(2)弹压力在整个行程中, 可以基本保持恒定;  
(3)根据不同的冷冲压工序要求, 其弹压力的大小、受力点的
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
方便实现弹压力的平衡;  
(4)简化模具压力、卸料等结构, 简化模具设计, 缩短模具制
造周期;  
(5)提高冲压件质量, 保证冲制件质量稳定, 缩短在压力机上
更换模具时间, 提高劳动生产率, 降低成本;  
(6)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便;
(7)适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。 
三、在模具设计中选择应用氮气弹簧 
1、氮气弹簧弹压力的选择 
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
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
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
方面的问题:  
(1)氮气弹簧弹压力大小。 
(2)氮气弹簧的数量。
 (3)氮气弹簧的增压比。 
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
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
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
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,
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
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
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
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
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
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,
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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
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
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、氮气弹簧结构形式的选择 
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。 
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 
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,才能充分发挥其作用,从而得到理想的效果。
 (1)氮气弹簧特性曲线的选择 
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,从而
获得最佳的性价和最好的经济效益。 
(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一个,那么,着力点的布置等都需要围绕
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解决一个平衡问题,从冲压工艺角度说,也是需要考虑冲压力平衡的
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,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,应采用氮气弹簧压力系中心与冲压力中心相重合的设计方
法。 
(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, 以确保其正位, 避免发生偏斜。 
(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,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,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。 
四、氮气弹簧应用实例 
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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、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。
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。 
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。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, 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簧系统是可行的。 
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,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
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深圳派力机电研究所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 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。 
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
高了好几倍。 
3.仪表工业 速印机左右外辊零件是具有一定难度的拉延件。
广西兴安通讯设备厂自行设计的使用氮气弹簧的左右外罩拉延模,已
经生产了5 万多个拉延件,其质量一直比较稳定,模具工作状也非常
正常。湖北汽车灯具厂是汽车灯具专业生产厂,制造灯具产品中多种
小型轴对称的复杂拉延件,把一套氮气弹簧气垫安装在400 千牛压力
机下部,通过顶杆,利用氮气弹簧进行拉延压边,解决灯罩压延起皱
的问题,取得满意的效果。车灯反光镜镜面是抛物线型面,产品的要
求比较高,因为它直接影响着车灯的反光质量。反光镜冲压件毛坯在
拉延之后常常需要整形,北京市汽车灯厂采用瑞典(凯龙)氮气弹簧作
为动力,对抛物面进行整形,取得了非常满意的效果,模具的调整也
比较简单。 
4.轻工、五金工业 
在轻工、五金这个行业中, 较多工厂由于受冲压设备的限制,
都是使用油压机进行拉延,氮气弹簧技术与油压机配套使用,使单动
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油压机发挥双动的功能,拉延零件的质量容易得到保证。北京京威汽
车设备有限公司是生产客车暖风装置专业厂,暖风机壳体的筒形、球
形、锥形拉延零件,都是在100 吨油压压机上完成,采用氮气弹簧压
边,不仅降低了模具高度,模具设计制造也比较简单,操作非常方便,
提高了劳动生产率,降低了制件废品率。手动葫芦外罩是一种三角形
的拉延零件, 北京起重工具厂使用油压机进行这类零件的拉延成形
时,也是采用氮气弹簧进行压边,保证零件成形质量。再如汽车滤清
器厂生产的空气滤清器外壳,是尺寸较大的圆筒形拉延零件,直径可
达400 毫米左右, 高度约70 毫米, 采用氮气弹簧压边可一次拉延成
形, 零件的质量非常好, 产品质量稳定。 
轻工业中有不少塑料模具也可以采用氮气弹簧技术, 安徽合肥
荣事达集团自行设计的18S 洗衣机脱水桶塑料注塑模具,用氮气弹簧
起缓冲作用,提高模具使用寿命。由于滑块的行程较长,模具在合模
时,由氮气弹簧推动模具上四个滑块首先复位,模具处在一种柔性状
态下合模,使注塑模具在工作中非常平稳、可靠,起始推力也比较大,
有利于注塑成形,保证注塑零件的质量,提高注塑模具的寿命,该模
具已经连续生产了约48 万件脱水桶, 氮气弹簧工作正常, 模具还在
继续使用。 
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