氮氣彈簧發展概況

2013年10月22日

一、國內外氮氣彈簧發展概況
  氮氣彈簧是一種具有彈性功能的部件,它將高壓氮氣密封在確定的容器內,外力通過柱桿將氮氣壓縮,當外力去除時,靠高壓氮氣膨脹,來獲得一定的彈壓力,這種部件稱為氮氣缸或稱氣體彈簧,或稱氮氣缸彈壓裝置,簡稱氮氣彈簧(“Nitrogen Cylinder”、“GasSpring”)。
  目前常規彈性元件是彈簧、橡皮和氣墊,這些彈性元件在工業領域中得到了廣泛的應用,解決了各種彈性儲能的需要,發揮著其應有的作用。
  在模具工業中,一直大量使用著彈性元件。這些年來,模具技術和模具制造水平有了很大的發展和提高,工業產品對模具的需求量越來越大,模具朝著精密、復雜、高效、長壽命的方向迅速發展,而原有的常規彈性元件存在著一定的缺點,不能滿足這種形勢的需要,不能理想地解決沖壓工藝的要求,往往影響沖壓件質量,使模具結構設計變得比較復雜,影響模具在壓力機上更換的時間;同時常規彈性元件占有的模具空間太大,增大了模具制造的成本。例如彈簧、橡皮均存在著需要預緊,才能達到設計所需求的彈壓力,而它們的彈壓力又是隨行程加大而明顯地增大,這種彈壓力不恒定的性能,可能導致零件不能成形,對拉延壓邊是很不理想的。對于復雜的拉延成形零件,這個矛盾就顯得特別突出,有時只好采用增加工序的辦法來解決這類問題。再如彈簧、橡皮的起始力都不大,這一點對要求起始力比較大的彎曲、翻邊等工藝,也不理想。由此產生的結果是,沖壓制件的質量不穩定,調整模具費時費力。對于密集型沖頭的沖裁工藝,如采用彈簧或橡皮卸料,往往會遇到模具的卸料空間不夠安放彈簧或橡皮,因而需要加大模具空間來解決這類問題。還可舉出不少這類例子。當前沖壓設計人員只能采用氣墊來部分彌補這些不足。但是采用壓力機氣墊時,模具的設計、調整、使用都不很方便;由于氣壓的波動和管道節流損失,氣墊所提供的力量也不是很準確;它所占有的空間比較大;需要配備專用的壓縮空氣站,況且并非所有的壓力機均配有氣墊。在使用氣墊時,模具設計均要受氣墊頂桿位置的限制,模具安裝調試也不方便。為此,人們努力開發一種新型的彈性功能部件來替代常規的彈性元件,這種新型彈性元件具有更加完善的性能,能代替常規彈性元件,完成常規彈性元件難于完成的工作,具有常規彈性元件所不具備的性能,能代替常規彈性元件,完成常規彈性元件難于完成的工作,具有常規彈性元件所不具備的性能,氮氣彈簧做為新型彈性功能部件也就應運而生。它能夠補上述不足,簡化模具設計、制造,方便模具調整;它可以作為獨立部件,安裝在模具中使用,也可以設計成一種氮氣彈簧系統,作為模具的一部分參加工作,可以在系統中很方便實現彈壓力恒定和延時動作,是一種具有柔性能的彈性部件。氮氣彈簧不僅可以在模具行業中廣泛地應用,也可以應用到其他工業領域,如汽車、電子、儀表等行業。由此看來,氮氣彈簧的用途相當廣泛,它的出現迎合了時代的要求,滿足了工業發展的需要,顯然,這項技術的發展如今正是方興未艾。?

二、氮氣彈簧的設計原理、基本參數和特性
  1、氮氣彈簧設計原理?
  采用氮氣作為工作介質的氮氣彈簧,它的工作過程,可以近似認為是等溫膨脹和壓縮過程,因此必須遵循波義耳一馬略特(Boyle-Mariotte)氣體狀態方程。
  PV/T=C,P1×V1=P2×V2?
  應當說明,除了理論計算之外,氮氣缸的結構設計、密封技術是氮氣彈簧成敗之關鍵技術。從目前國內外產品來看,氮氣彈簧的結構一般可分為:活塞式各柱塞式二大類型,采用單腔或復腔的氣室結構,氣室設計上多為背壓式結構。從整體而言,氮氣彈簧可分為獨立式和非獨立式二大類型?蛇\動部分和不可運動部分的結構,充氣、配氣結構和形式等的設計均與制造工藝技術相關聯,與新材料、新工藝、新技術的應用相關聯,這些新技術的應用程度,都將直接影響氮氣彈簧的技術性能指標,影響氮氣彈簧品質的高低。從這個意義說,氮氣彈簧又是一種綜合各項新技術應用的產品。
  氣體密封形式和技術是一項復雜的工作,密封高壓氣體就更復雜,高壓氣體不僅要很好地長期密封,并要在這壓力下循環工作,有時其增壓比高達1.6-2.0,因此高壓氣體的長期密封,要比高壓液體的密封困難得多,它是一項綜合性的技術,這其中有密封的結構形式,靜密封與動密封的路徑、形式,運動付的制造精度、表面粗糙度、表面處理技術、密封材料的選擇、密封可靠性與壽命等。

  2、氮氣彈簧基本性能參數?
  氮氣彈簧的設計固然是希望拓寬應用面,能適用于各種不同的環境條件,不同的工藝要求,但就目前我們推薦的氮氣彈簧,一般說來是在常溫下使用,對于高溫的環境,應當另作別論。其使用環境是:頻率響應每分鐘不高于40次;柱塞或活塞的運動速度應有30-40米/分;備用行程一般設計為3毫米;能在常溫下正常使用。在這種條件下氮氣彈簧的性能參數可以確定為以下幾項內容:?
  (1)充氣額定壓力巴
  (2)額定初始彈壓力牛頓?
  (3)有效工作行程毫米
  (4)一次充氣壽命米或次?
  (5)特性曲線與增壓比
  (6)工作環境溫度攝氏度?
  (7)外觀顏色
  (8)結構形式和最大偏載角?

  3、氮氣彈簧的特點?
  氮氣彈簧的特點可歸納為以下幾方面:
  (1)在較小的空間中,可以產生較大的初始彈壓力,不需要預緊,傳力模塊一俟開始與氮氣彈簧柱塞接觸就具有彈壓力。一個氮氣彈簧可以代替多個彈簧,對于工作行程相同的模具,采用氮氣彈簧的模具高度要比采用彈簧的模具高度小很多;
  (2)彈壓力在整個行程中,可以基本保持恒定;
  (3)根據不同的冷沖壓工序要求,其彈壓力的大小、受力點的位置可以隨時調節,調節準確、方便,在模具設計和調試中,可以很方便實現彈壓力的平衡;
  (4)簡化模具壓力、卸料等結構,簡化模具設計,縮短模具制造周期;
  (5)提高沖壓件質量,保證沖制件質量穩定,縮短在壓力機上更換模具時間,提高勞動生產率,降低成本;
  (6)使用壽命長、安全、可靠,安裝和維修簡單、可靠、方便;?
  (7)適用于作為不需要外加動力源的氣墊裝置。

三、在模具設計中選擇應用氮氣彈簧?
  1、氮氣彈簧彈壓力的選擇
  在進行冷沖模具設計中應用氮氣彈簧技術時,第一個碰到的問題就是彈壓力的選擇,選擇什么型式的氮氣彈簧,選擇多大力量的氮氣彈簧來滿足沖壓工藝的要求,解決這樣的問題,通常需要考慮三個方面的問題:
  (1)氮氣彈簧彈壓力大小。
  (2)氮氣彈簧的數量。
?(3)氮氣彈簧的增壓比。?

  2、氮氣彈簧行程選擇?
  氮氣彈簧的行程應滿足沖壓工藝的要求,不同的沖壓工序,要求的行程大小都不一樣。沖裁分離工序,要求彈壓力大、行程;拉延工序一般要求行程比較大,作為壓邊力功能的氮氣彈簧,要求氮氣彈簧的特性曲線比較平緩,在拉延過程中,壓邊力基本上變化不大,也就是彈壓力基本保持恒定;對于頂出、卸件,那就要求有足夠的力量和行程;在彎曲和翻邊工藝中,通常都要求起始力大,以便能壓住工件,防止工件在彎曲過程中產生側滑或移動,一般說來行程也要求比較大。不論哪一種情況,氮氣彈簧的總高度不要太高,以避免發生不穩定的現象,避免氮氣彈簧在模具上安裝時,結構過于復雜,增加工裝費用,如果將氮氣彈簧安裝在上模內,無論是頂件板或是壓邊圈,都必須留有間隙,以確保氮氣彈簧平穩地工作;有時為了安全起見,避免意外的情況發生,在設計選用氮氣彈簧時還考慮加大3-5毫米安全行程,從而保證氮氣長久正常地工作。

  3、氮氣彈簧結構形式的選擇?
  在模具設計中使用氮氣彈簧時,首先需要決定氮氣彈簧的結構形式。有以下幾種形式可以供選擇:獨立式氮氣彈簧、氮氣彈簧座板式、管路連接式等。這些基本的結構形式都有各自的特點和一定的應用范圍,需要根據零件的沖壓工藝要求、模具的結構形式、使用設備、工作環境、工作條件、模具的成本和調整維修方便等因素,綜合考慮選擇。

  4、在冷沖壓模具設計中選用氮氣彈簧時應考慮的幾個問題?
  氮氣彈簧技術有其自身的特點和一定的使用范圍,正確地去約束該項技術的應用范圍,才能充分發揮其作用,從而得到理想的效果。
  (1)氮氣彈簧特性曲線的選擇?
  對于各種不同的沖壓工藝,都有不同的工藝要求,選擇采用氮氣彈簧技術時,要適應其工藝需要。例如在整個工作行程中要求彈壓力基本保持恒定,這一點應當說僅僅對于拉延壓邊作用而言,對于其他的工藝,就未必都要求彈壓力基本恒定了,彈壓力的恒定與否,影響不是很大。但是從經濟角度說,就有比較大的影響,因為各個工廠生產的氮氣彈簧價格,是與其性能相關的,同樣的彈壓力,采用力量恒定的氮氣彈簧要比力量不恒定的貴,同一規格的氮氣彈簧行程越長越貴。目前氮氣彈簧技術投入市場的歷史不長,采用氮氣彈簧一次投入的費用相對于其他彈性元件要高,如果不充分考慮其經濟性,盲目選擇高性能的氮氣彈簧,必將影響模具成本的提高,且也無比必要。因此,要根據不同的工藝要求,選擇不同的氮氣彈簧特性曲線,從而獲得最佳的性價和最好的經濟效益。
  (2)彈壓力平衡
?在模具設計中彈壓力的傳遞應當保持平衡,選擇應用氮氣彈簧往往不止一個,那么,著力點的布置等都需要圍繞解決一個平衡問題,從沖壓工藝角度說,也是需要考慮沖壓力平衡的問題,以利于提高模具的使用壽命,保證沖壓零件的質量。從氮氣彈簧的使用得知,氮氣彈簧是同零件直接發生接觸,都是通過設計的頂件板、頂件塊、壓邊圈、斜楔塊等模具零件將彈壓力傳遞給模具工作零件,那么頂件板等模具工作零件的運動平衡與否,同力系的布置有關;另一方面頂件板也是起到傳遞力量給氮氣彈簧的作用,因此為了避免產生氮氣彈簧承受偏載,提高氮氣彈簧的使用壽命,提高模具的使用壽命,應采用氮氣彈簧壓力系中心與沖壓力中心相重合的設計方法。
  (3)穩定性
?氮氣彈簧無論在安裝時或是工作時,都需要相當的穩定性和可靠性,正因為它的彈壓力相當大,一個氮氣彈簧在不大的體積內,要釋放出幾百公斤甚至幾噸的力量,而這個過程又是在反復不斷地進行,因此,保持其工作的穩定性就相當的重要。安裝緊固時,尤其是使用力量較大的氮氣彈簧,必須是被確保牢固,特別是反置氮氣彈簧或是安裝在上模的,氮氣彈簧需要隨滑塊的運動而不斷地相對運動,只有牢固的連接才能保證氮氣彈簧正常、穩定的工作。因此往往設計安裝氮氣彈簧時,或在缸體或在柱塞開設有一定深度的安裝沉孔,以確保其正位,避免發生偏斜。
  (4)避免沖擊
?應當說氮氣彈簧的工作性質是屬于柔性范疇,在模具工作過程中,開啟與閉合都應當是比較平順,不應當出現沖擊現象,為了達到這個目的,對于采用獨立式氮氣彈簧,設計人員要充分考慮到這一點。因為如前所述,氮氣彈簧的頻率響應是很高的,零件一經接觸氮氣彈簧柱塞桿就可產生彈壓力,根本不面要有預緊的過程,那么隨著壓力機滑塊上、下運動,氮氣彈簧開啟(膨脹)和閉合(壓縮)響應是很快的,如果設計不當,尤其是在小噸位壓力機上使用氮氣彈簧,就有可能會出現氮氣彈簧推動滑動塊回程的現象,破壞了曲柄壓力機滑塊運動曲線,導致出現震動沖擊現象。因此,應當盡量避免出現這種現象。{www.moldwj.com}

來源:東莞市騰飛五金模具有限公司
東莞市騰飛五金模具有限公司
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