文/尹松森，陸亞琮，李威，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

氮氣彈簧在鍛造生產(chǎn)中的研究及應用

文/尹松森，陸亞琮，李威，夏占雪·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車、工程機械的更新升級越來越快，其中鍛件的比重越來越大，進而對鍛件質(zhì)量和精度的要求也越來越高。如何保證鍛件質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本已成為鍛造行業(yè)所面對的主要問題。為控制或糾正鍛件的切邊變形，一般鍛件的工藝路線為下料→加熱→模鍛→切邊→熱校正，熱校正工序往往需要配備專用的設備、操作工人，而且還需要投入校正模具。而新的運用氮氣彈簧的抱切工藝可以有效防止、抑制切邊變形，其工藝變?yōu)橄铝稀訜帷ｅ憽校ㄇ羞叄珱_孔＋熱校正），在保證鍛件精度的前提下，可以有效降低生產(chǎn)成本。

氮氣彈簧結(jié)構(gòu)

圖1 氮氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

氮氣彈簧是一種具有彈性功能的部件，它是將高壓氮氣密封在確定的容器內(nèi)，外力通過柱桿將氮氣壓縮。當去除外力時，靠高壓氮氣膨脹，來獲得一定彈性壓力，這種部件稱為氮氣缸或氣體彈簧或氮氣缸彈壓裝置，簡稱氮氣彈簧，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于氮氣彈簧具有這樣的特點，所以當壓力機滑塊處于最高位置時，頂出器也處于最高位置。此時，將鍛件放在頂出器上，滑塊向下移動時，沖頭同時下移。當沖頭接觸鍛件并推動鍛件在凹模刃口上進行切邊或切邊沖孔時，氮氣彈簧利用強大彈壓力向上推模具的頂出器，鍛件與頂出器同時運動，沖頭和頂出器緊抱鍛件。完成切邊或切邊沖孔后，滑塊向上移動過程中，沖頭同時向上移動，氮氣彈簧推動頂出器和鍛件同時向上運動，此過程鍛件在模具中是完全處于抱緊狀態(tài)。這樣有效防止了鍛件的切邊變形，保證了鍛件質(zhì)量。

氮氣彈簧技術(shù)

在鍛造切邊模具中應用氮氣彈簧技術(shù)時，通常需考慮的問題有，切邊力P、氮氣彈簧彈壓力的大小、氮氣彈簧的數(shù)量、氮氣彈簧的增壓比等。在進行切邊工藝參數(shù)計算時，首先需要根據(jù)鍛件實際情況計算切邊力，根據(jù)鍛造工藝來選擇氮氣彈簧的型號、規(guī)格、數(shù)目等。

一般來說，不能根據(jù)切邊力P1計算的結(jié)果來直接進行選擇，需要給切邊力一個增量再加上氮氣彈簧的力量P2，使其結(jié)果等于切邊壓床壓力的80％即可。具體原因如下：

⑴所計算的切邊力不可能表達出鍛件切邊時所需要的力量，考慮到切邊或沖連皮時鍛件發(fā)生彎曲、拉伸、刃口變鈍等原因，所以切邊力一般選取一個增大系數(shù)，通常取1.5～1.8。

⑵氮氣彈簧的額定彈壓力并不等于氮氣彈簧的實際彈壓力，因為它在充氣時，高壓氣體必然會有節(jié)流損失，從而使彈壓力有所下浮，所以必須考慮這部分變動產(chǎn)生的影響。

⑶氮氣彈簧經(jīng)過使用一段時間后，高壓氮氣會有一定漏損，造成彈壓力有所下降，使實際彈壓力低于額定彈壓力。因此，為了保證大批量生產(chǎn)順利進行，選擇氮氣彈簧需要增加15％～20％彈壓力增量。

計算公式如下式所示：

80％P＞（1.5～1.8）P1+（1.15～1.2）P2

式中 P——壓床的公稱壓力，MPa；

P1——切邊力，MPa；

P2——氮氣彈簧的彈壓力，MPa。

在鍛造模具設計中彈壓力的傳遞應當保持平衡，選用的氮氣彈簧不只一個，力量大小的選擇、數(shù)量的選擇、著力點的選擇等都要圍繞壓力平衡的問題，以利于提高模具的使用壽命、保證鍛件的質(zhì)量。抱切模過程中，氮氣彈簧往往不直接接觸鍛件，彈壓力是通過頂料器將彈壓力進行傳遞的。因此，為了避免偏載，整個力系應當基本保持平衡，或者說整個力系對模具中心力矩應當基本為零，這時模具中心基本處于靜力平衡狀態(tài)，氮氣彈簧彈壓力力系中心與切邊或切邊沖孔壓力中心基本重合。

行程選擇

氮氣彈簧的行程應滿足鍛造切邊或切邊沖孔的工藝要求，不同的鍛件，根據(jù)實際情況所要求的行程大小都不一樣。對于切邊沖孔，要求是彈力大，行程也比較大。為了安全起見，避免意外情況的發(fā)生，選用氮氣彈簧時還要考慮加大10mm的安全行程，從而保證氮氣彈簧長久正常地工作。

結(jié)構(gòu)形式選擇

當鍛造工藝需要使用氮氣彈簧時，一般選用管路連接式的氮氣彈簧較為合適，這樣整個系統(tǒng)中氮氣彈簧的彈壓力一致。壓力調(diào)整也比較簡單，當出現(xiàn)鍛件卡在模具中時，放氣較為方便。具體根據(jù)實際情況，也可以選擇獨立式的氮氣彈簧。

氮氣彈簧穩(wěn)定性

氮氣彈簧無論在安裝還是在工作時，都需要相當?shù)姆€(wěn)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體積內(nèi)要釋放出幾百千克甚至幾噸的力量，而這個過程又在反復不斷進行。因此，保持其工作的穩(wěn)定性就相當重要。安裝緊固時，尤其是使用力量較大的氮氣彈簧，必須確保牢固，特別是反置氮氣彈簧或者是安裝在上模的氮氣彈簧，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的、穩(wěn)定的工作。

因此，在設計安裝氮氣彈簧時，在缸體或在柱塞開設有一定深度的安裝孔，以確保其定位，避免發(fā)生偏斜。如果安裝不穩(wěn)定將會引起氮氣彈簧和模具的損壞，嚴重時會引發(fā)人身事故。所以，在使用氮氣彈簧時，必須充分重視這一點。

圖2 氮氣彈簧的切邊模具的剖面結(jié)構(gòu)示意圖

避免沖擊和溫度過高

氮氣彈簧的工作性質(zhì)屬于柔性工作范疇，在模具工作過程中，開啟與閉合都應當比較平緩、順利，不應當出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象。為了達到這個目的，對于采取獨立式氮氣彈簧，在設計時應使氮氣彈簧的柱塞和頂件器之間不留較大間隙，可以直接緊固。

氮氣彈簧的頻率響應是很高的，鍛件一經(jīng)接觸氮氣彈簧柱塞桿就可以產(chǎn)生彈壓力，根本不需要有預緊過程，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）響應是非常快的。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(xiàn)氮氣彈簧推動滑塊回程的現(xiàn)象，破壞了曲柄壓力機滑塊的曲線運動，從而毀壞設備，造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，應當盡量避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

氮氣彈簧應避免溫度過高，在鍛造切邊模具中，一般都是熱切邊，所以需要對氮氣彈簧進行冷卻。通常在頂出器上做出安裝水管的螺紋孔，這樣就能接通冷卻水，保證模具在工作過程中溫度不至于過高，從而達到延長模具壽命，提高生產(chǎn)效率的目的。

綜上所述，實際應用生產(chǎn)過程中，氮氣彈簧的切邊模具的剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

結(jié)束語

在國民經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，氮氣彈簧的應用會越來越多，應用范圍會越來越廣。本文對氮氣彈簧在鍛造模具中的應用進行分析，詳細闡述了氮氣彈簧在鍛模設計中的優(yōu)點和作用。通過采用氮氣彈簧，可以有效地解決鍛件在切邊時的變形問題，在保證鍛件質(zhì)量的前提下，又提高了生產(chǎn)效率，同時也縮短了模具制造周期，降低了生產(chǎn)成本。希望其他鍛造企業(yè)在結(jié)合自身生產(chǎn)工藝特點的基礎上，能夠更多地采用氮氣彈簧進行鍛件的生產(chǎn)。

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