在模具中为什么选用氮气弹簧技术

  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;

  (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,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

  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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欧特克雷尼绍

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