第八章氮气弹簧在冲压模具中的应用讲课文档

第八章氮气弹簧在冲压模具中的应用第1页，共29页。第一节氮气弹簧的作用与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缸体内，外力通过柱塞杆或活塞将氮气压缩，当外力去除时，靠高压氮气膨胀来获得一定的弹压力，这种部件称为氮气弹簧，也可称为氮气缸或氮气缸弹压装置。一、冲模弹性元件的应用概况二、氮气弹簧的发展概述第2页，共29页。一、冲模弹性元件的应用概况目前冲压工艺所用的常规弹性元件是弹簧、橡皮和气垫。随着科学技术的不断发展，模具朝着精密、高效、长寿命的方向迅速发展，原有的常规弹性元件已不能适应各种冲压工艺的要求。因此，冲压技术希望开发新型的弹性功能部件来替代常规的弹性元件，使这种新型的弹性元件具有更加完善的性能，完成常规弹性元件难以完成的工作。氮气弹簧作为新型弹性功能部件能够弥补上述不足，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，也可以设计成一种氮气弹簧系统，成为模具的一个部分参与工作。这种系统可以很方便地实现弹压力恒定和延时动作，是一种具有柔性性能的部件。第3页，共29页。二、氮气弹簧的发展概述60年代，美国开始研究应用于模具工业的独立式和小型化的氮气弹簧。到了70年代，这种新型的装置开始普及起来，国外出现了专业的生产厂，并将这种独立式的弹性功能部件用作模具的弹性元件和其它产品上。80年代此类弹簧的应用面逐步扩大。90年代进入产品系列化和标准化完善阶段，并被纳入ISO世界标准中。我国工程技术人员对这项技术的认识从80年代后期开始，在进行新模具的设计时，已有不同程度地采用了氮气弹簧新技术，应用在冲压模具和注塑模具中，从而简化模具设计、制造，提高和稳定冲压件的质量，并取得了较好的效果。近年来国内一些企业、科研机关、大专院校也开始了这项技术的研究工作，并在着手开展我国氮气弹簧的标准化工作。第4页，共29页。第二节氮气弹簧的设计原理与特性一、气源的选择二、氮气弹簧的设计原理三、氮气弹簧基本性能参数四、氮气弹簧的特点五、氮气弹簧增压比选择与优化设计六、氮气弹簧特性曲线与其他弹性元件的比较第5页，共29页。一、气源的选择根据气体可压缩原理设计的氮气弹簧，气缸内需要充填气体，以便获得弹压力。选择氮气作为工作介质，主要基于以下几个原因：氮气是一种惰性气体，工作性能稳定、无毒、无腐蚀，它也是一种不燃烧的气体，工作安全可靠。可见氮气是一种比较理想的气源。氮气的资源非常丰富，在空气中含有78%氮气，容易获取，是一种廉价的气源。氮气作为普通商品，以压力氮气瓶的形式在供应，其额定标准压力为15MPa，这样在使用时，不需要增压泵装置，只需要购买商品氮气瓶，就可获得所需压力的氮气。氮气瓶的安装、调节，与氧气瓶的安装相同，使用方便。因此选用氮气作为气源，氮气弹簧也由此而命名。第6页，共29页。二、氮气弹簧的设计原理氮气弹簧的设计是用氮气作为工作介质，它的工作过程，可以近似认为是等温膨胀和压缩过程，氮气弹簧的工作过程可看作是等温变化过程，氮气弹簧的工作简图如图8-1所示。一定质量的氮气，在其状态变化过程中，当温度不变时，必须遵循气体状态方程——波意耳定律。pV=C

或者p1×V1=p2×V2图8-1氮气弹簧的工作简图第7页，共29页。氮气弹簧弹压力F的计算方式为：F=p×D2式中：F—弹压力(N)；D—柱塞杆直径(m)；p—缸内压力(Pa)；弹压力与充气压力的关系如图所示。根据上述设计原则，可以选择不同的初始工作压力，获得不同的弹压力，也可以选择不同的氮气弹簧质量体积，来获得不同斜率的弹压力增压特性曲线，以便满足冲压工艺中不同工序要求不同弹压力的需要。氮气弹簧的结构一般可分为：活塞式和柱塞式二大类型，采用单腔或复腔的气室结构，气室多为背压式结构。从本体结构而言，氮气弹簧又可分为独立式和非独立式二大类。第8页，共29页。三、氮气弹簧基本性能参数氮气弹簧一般是在常温下使用，其使用环境参数是：频率响应每分钟不高于30～40次；柱塞或活塞的运动速度应在每分钟30～40m范围内；备用行程一般设计为3～5mm，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（Pa）；2）额定初始弹压力（N）3）有效工作行程（mm）4）一次充气寿命（次）；5）特性曲线与增压比；6）工作环境温度（℃）；7）结构形式和最大偏载角。上述这些技术性能参数，对不同的使用要求，可进行适当的调整。第9页，共29页。四、氮气弹簧的特点氮气弹簧的特点可以归纳为以下几个方面：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2.弹压力在模具整个行程中基本保持恒定。3.根据不同的冲压工序要求，弹压力的大小、受力点的位置可以方便调节。4.简化模具拉深压边、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，保证冲压件质量稳定，缩短在压力机上更换模具的时间，提高劳动生产率，降低产品成本。6.使用寿命长、安全、可靠，安装和维修简单、方便。7.适用于作为不需要外加动力源的气垫装置。图8-3各种弹性元件特性曲线比较1—氮气弹簧2—弹簧3—橡胶4—气垫第10页，共29页。五、氮气弹簧增压比的选择与优化设计增压比是氮气弹簧特性中一个主要的参数，它直接关系到氮气弹簧特性曲线的陡度。因此，无论是生产氮气弹簧，还是选择应用氮气弹簧，都需要正确地确定这个参数值，以便达到设计者能理想地应用氮气弹簧的目的。必须指出，氮气弹簧的初始容积V1和压缩后的容积V2是直接影响压力增量的大小，也就是增压比大小，在冲压工艺中，常常希望获得恒定的弹压力。第11页，共29页。第三节氮气弹簧的结构与分析一、氮气弹簧的基本构造二、氮气弹簧的结构形式三、氮气弹簧的安装联接第12页，共29页。一、氮气弹簧的基本构造氮气弹簧的构造如图8-4所示。它由下列几大部分构成：（1）承受和产生弹压力的柱塞杆或活塞杆。（2）组成气室的缸体、缸盖和缸底。（3）静密封部分。（4）动密封部分。（5）导向部分。（6）充气结构组件。（7）润滑系统。（8）紧固连接部分。（9）安全阀、防尘装置和防偏载自位装置。（10）标记。图8-4柱塞式氮气弹簧构造图1—柱塞2—端面防尘密封3—钢丝圈4—上内套5—支撑环

6—运动密封圈7—缸体8—内控容积9—螺塞10—充气嘴11—缸底第13页，共29页。二、氮气弹簧的结构形式按氮气弹簧的用途分类，可分为独立式氮气弹簧和非独立式氮气弹簧二种：（一）独立式氮气弹簧（二）非独立式氮气弹簧(又称氮气弹簧座板)（三）柱塞式和活塞式(四)单腔和复腔式第14页，共29页。（一）独立式氮气弹簧这种型式是指每个氮气弹簧构成一个独立单元，如图8-5所示，自成一个封闭体系，可以在任何所希望的位置独立工作，氮气的压缩和膨胀均在缸内进行。这种氮气弹簧的特点是：弹压力相对固定，一般是不需要现场调整，受力点的移动比较方便，在模具中安装固定容易，体积比较小，有各种不同规格和型式可供选用。图8-5活塞式氮气弹簧结构图1—柱塞2—油毡3—端盖4—垫圈

5—垫片6、8、9—O形圈7—内套10—缸筒11—螺塞12—缸底第15页，共29页。（二）非独立式氮气弹簧（又称氮气弹簧座板）将若干个氮气弹簧通过氮气弹簧座板联结在一起，或是将若干个独立式氮气弹簧用软管连接在一起(如图8-6所示)，成为一个氮气弹簧系统，此系统即为非独立式氮气弹簧。图8-6氮气弹簧座板式结构图1—座板2—氮气弹簧3—控制阀第16页，共29页。另一种非法独立式氨气弹簧形式，是将独立式氮气弹簧通过专用的高压软管，将若干个氮气弹簧串接或并接为一个系统参与工作，如图8-7所示。这种系统氮气弹簧的位置比较灵活，改变高压连接管的长度，即可很方便地改变氮气弹簧的位置，所使用的氮气弹簧与独立式氮气弹簧相同，同样在这种系统中也应安装一个调压装置，以供系统充气和配气调压使用。图8-7串接氮气弹簧系统结构图1—氮气弹簧2—高压连接管

3—储气罐4—控制阀第17页，共29页。（三）柱塞式和活塞式如果按氮气弹簧气室结构分类，氮气弹簧可分为柱塞式和活塞式。（1)柱塞式多用于独立式氮气弹簧，它的结构比较紧凑，氮气弹簧运动时，柱塞为主导向杆，缸筒为辅助导向，它的机加工工艺，制造精度的控制，柱塞表面处理，氮气弹簧的制造成本，氮气弹簧的装配等等，都比较便于组织大批量生产。（2)活塞式多用于非独立式氮气弹簧系统，氮气弹簧运动时，活塞为主导向，活塞杆与套筒的导向为辅助导向，它与氮气弹簧座板的连接，都是采用外螺纹的连接结构形式，也都是标准化设计，以利于维修和更换。端面密封多为固定式三角静密封结构，简单、方便，缸筒内表面，也需要镀硬铬或电化学特殊处理，提高表面耐磨度，以利于提高氮气弹簧的使用寿命。第18页，共29页。（四）单腔和复腔式不论哪一种结构，气室还可以分为单腔和复腔气室。复腔式氮气弹簧可获得更为理想的特性曲线和比较小的增压比。复腔式氮气弹簧结构如图8-8所示。在缸内设计一个缸筒，将气室分为内腔和外腔，并通过缸筒上的孔，将两个气室沟通成为一体。图8-8复腔活塞式氮气弹簧结构图1—活塞2、4、6—O形圈3—螺钉5—垫圈

7—Y型圈8—内腔套筒9—底板10—缸筒第19页，共29页。三、氮气弹簧的安装联接氮气弹簧在模具中的位置，可以是正置和反置。氮气弹簧的固定安装基本上分为四种类型：（a）利用缸筒上部型槽，法兰盘安装；（b）利用缸筒下部型槽，法兰盘安装；（c）利用缸筒外部螺纹，直接安装；（d）利用缸筒底部螺孔，直接安装。第20页，共29页。（一）法兰盘安装利用在缸体上开设的U形或C形槽，将法兰盘与氮气弹簧固紧为一体，安装在模具上。图8-10槽形结构a)C形槽结构b)U形槽结构第21页，共29页。（二）螺孔安装利用在氮气弹簧底部开设的二个螺钉孔，直接将氮气弹簧安装在模具上(如图所示），螺孔的直径一般为M6和M8。对于某些大型氮气弹簧，有时开设四个用于固定的螺钉孔，某些小型氮气弹簧，有时将螺纹直接开设在缸体上，利用缸体上的螺纹，直接进行安装。图8-11氮气弹簧底部螺孔第22页，共29页。第四节氮气弹簧在冲压工艺和模具中的应用在不同冲压工艺中模具上使用氮气弹簧时的结构简图如图所示图8-12冲压模具使用氮气弹簧时的结构简图a)冲裁模具结构简图b)弯曲模具结构简图

c)拉深模具结构简图d)翻边成形模具结构简图第23页，共29页。一、拉深工艺拉深工艺中采用压边装置是目前最为有效的防皱措施，氮气弹簧可以提供准确的弹压力，其优点归纳起来有以下几个方面：（1）氮气弹簧可以获得大小不同的、准确的压边力，调整非常简便。（2）压边力可以在整个拉深过程中基本保持恒定，（3）压边力的着力点可以很方便地移动调整，给现场调试带来了诸多方便，使金属在塑性变形过程中趋于等流动。（4）氮气弹簧的单位力量和单位行程所占有的模具空间，比任何其他弹性元件，在同样的力量和行程下所占有的空间都要小。图8-13采用氮气弹簧的倒装拉深模具结构第24页，共29页。氮气弹簧不需要预紧就可以获得足够大的、准确的初始力，所占据的模具空间也不是很大，使其能在弯曲工艺中起到很好的作用。特别是在厚板的双向弯曲中，要保证弯曲件具有稳定的质量，更应采用氮气弹簧。在汽车变截面横梁和纵梁的弯曲中，采用氮气弹簧或氮气弹簧系统，可以不采用专用的汽车大梁压力机，就能有效地控制纵向回弹量在1/1000之内，在解决汽车大梁的制造中是最为有效的减小纵向回弹保证质量的措施。图8-18为汽车纵梁采用氮气弹的模具结构，氮气弹簧沿纵梁的长度方向均匀设放，以保证顶出力均匀分布。二、弯曲工艺第25页，共29页。图8-19为双向弯曲采用氮气弹簧的模具基本结构。第26