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氮气弹簧技术在模具中的应用
 
更新时间:2010.12.22 浏览次数:
 
  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中,外力通过柱塞杆将氮气压缩,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气体弹簧,简称氮气弹簧(Nitrogen Cylinder; Gas Spring)。

     目前常规弹性元件有弹簧、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。在模具工业中,更是被大量使用着。

     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 对模具的需求量也越来越大,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中的要求。

     这种情况往往会影响到冲压件的质量,使模具结构设计变得比较复杂,影响了模具在压力机上更换的时间;同时常规弹性元件占有模具空间太大,正大、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,这种弹压里不恒定的性能,可能导致零件不能成形,对拉延力是很不理想的。

     对于复杂的拉延成型零件,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,如采用弹簧和橡皮卸料,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。还可以举出不少这类例子。

     当前冲压设计人员只能采用气垫来弥补这些不足。但是采用压力机气垫时,模具的设计,调整使使用者不很方便;由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;需要配备专用的压缩空气站,并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代替常规的弹性元件,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,氮气弹簧作为新型弹性工具部件也就应运而生。它能够弥补上述不足,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,也可以设计成一种排管式弹簧,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,是一种具有柔性性能的弹性部件。 氮气弹簧不仅可以在模具行业中广泛的应用,也可以用到其他工业领域,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—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质量评定的关键技术。从目前产品来看,氮气弹簧的结构一般可以分为:活塞式同柱塞式两大类型,采用单腔或腹腔的气室结构,气室设计上多为背压式机构。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,冲气、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,缸壁的制造精密、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。目前,氮气弹簧制造技术以美国DADCO最为领先,占全球销售量的60%,比一般氮气弹簧高出50%的寿命。

     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,但就目前出现的优质氮气弹簧,一般来说是在常温下使用,对于高温的环境,应另作别论。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)冲气额定压力巴(2)额定初始压力牛顿(3)有效工作行程毫米(4)一次冲气寿命米或次(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、氮气弹簧特点(1)在教小的空间可以产生较大的初始压力,不需要预紧,传力模块一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。(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准确方便的调节,在模具设计和调试中,可以很方便实现弹压力平衡;(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;提高冲压件质量,保证冲压件质量稳定,缩短在压力机上更换模具时间,提高劳动生产率,降低成本,压模精确度高;(5)使用寿命长、安全、可靠,安装和维修简单、可靠、方便;(6)适用与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,选择什么形式的氮气弹簧,选择多大力量的氮气弹簧来满足虫牙工艺的要求,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)氮气弹簧的增牙比。

     2、氮气弹簧行程的选择

     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,要求其特性曲线比较平缓,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,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应考虑加大3-5毫米安全行程(一般安全行程应为活塞柱行程的10%),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适用范围,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压弹力基本保持恒定,这一点应当说仅仅对于拉延边作用而言,对于其他的工艺,就未必都要求弹压力基本恒定了,压弹力的恒定与否,影响不是很大。但从经济角度说,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,同样的压弹力,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。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解决一个平衡问题,从冲压工艺角度说,也是需要考虑冲压平衡的问题,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、牙边圈、斜槭块等模具零件将弹压力传递给模具工作零件,那么顶板件等模具工作零件的运动平衡与否,力系的布置有关;另一方面顶板件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偏载,提高氮气弹簧的偏载承受力,保证氮气弹簧的使用寿命,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的进行,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,必须要确保牢固,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的相对运动,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,避免发生斜偏。

     (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,开启和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,氮气弹簧的频率相应是很高的,零件一经接触氮气弹簧柱塞杆就可以产生弹压力,根本不需要有预紧的过程,那么随着压力机滑块的上、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的曲线,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

     我国采用氮气弹簧技术已经有十几年历史,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,都在不同程度的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,取得了教好的技术经济效益,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,JD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

     微电子在电子工业中应用非常广泛,微电子外壳是尺寸精度比较高的冲压件,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求,也不能满足冲压质量稳定的要求。北京市急电研究院精密模具公司在参考国外同行模具基础上,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,采用了氮气弹簧座板系统,工使用七个氮气弹簧,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,而且一直非常稳定,模具至今仍正常使用,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形成的冲压件,宁波余姚市灯具电器厂采用氮气弹簧,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,该零件第一道拉延件的高度了质量,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,在拉延工序中采用了二个氮气弹簧压边,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,起质量一直比较稳定,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,制造灯具产品中多数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。车等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,北京市汽车车灯厂采用胆气弹簧作为动力,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,教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。北京京威汽车设型拉延零件,都是在100吨油压压机上完全,采用氮气弹簧压边,不仅降低了模具高度,备有限公司是生产客车暖风装置专业厂,暖风机壳体的筒型、球形、锥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。再如汽车过滤器厂生产的空气滤清器外壳,是尺寸教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,安徽合肥容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,提高住宿模具的寿命,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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