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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