氮气弹簧在锻造生产中的研究及应用

文/尹松森，陆亚琮，李威，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

氮气弹簧在锻造生产中的研究及应用

文/尹松森，陆亚琮，李威，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

随着我国经济的飞速发展，汽车、工程机械的更新升级越来越快，其中锻件的比重越来越大，进而对锻件质量和精度的要求也越来越高。如何保证锻件质量、降低生产成本已成为锻造行业所面对的主要问题。为控制或纠正锻件的切边变形，一般锻件的工艺路线为下料→加热→模锻→切边→热校正，热校正工序往往需要配备专用的设备、操作工人，而且还需要投入校正模具。而新的运用氮气弹簧的抱切工艺可以有效防止、抑制切边变形，其工艺变为下料→加热→模锻→抱切（切边＋冲孔＋热校正），在保证锻件精度的前提下，可以有效降低生产成本。

氮气弹簧结构

图1 氮气弹簧结构示意图

氮气弹簧是一种具有弹性功能的部件，它是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。当去除外力时，靠高压氮气膨胀，来获得一定弹性压力，这种部件称为氮气缸或气体弹簧或氮气缸弹压装置，简称氮气弹簧，其结构如图1所示。

由于氮气弹簧具有这样的特点，所以当压力机滑块处于最高位置时，顶出器也处于最高位置。此时，将锻件放在顶出器上，滑块向下移动时，冲头同时下移。当冲头接触锻件并推动锻件在凹模刃口上进行切边或切边冲孔时，氮气弹簧利用强大弹压力向上推模具的顶出器，锻件与顶出器同时运动，冲头和顶出器紧抱锻件。完成切边或切边冲孔后，滑块向上移动过程中，冲头同时向上移动，氮气弹簧推动顶出器和锻件同时向上运动，此过程锻件在模具中是完全处于抱紧状态。这样有效防止了锻件的切边变形，保证了锻件质量。

氮气弹簧技术

在锻造切边模具中应用氮气弹簧技术时，通常需考虑的问题有，切边力P、氮气弹簧弹压力的大小、氮气弹簧的数量、氮气弹簧的增压比等。在进行切边工艺参数计算时，首先需要根据锻件实际情况计算切边力，根据锻造工艺来选择氮气弹簧的型号、规格、数目等。

一般来说，不能根据切边力P1计算的结果来直接进行选择，需要给切边力一个增量再加上氮气弹簧的力量P2，使其结果等于切边压床压力的80％即可。具体原因如下：

⑴所计算的切边力不可能表达出锻件切边时所需要的力量，考虑到切边或冲连皮时锻件发生弯曲、拉伸、刃口变钝等原因，所以切边力一般选取一个增大系数，通常取1.5～1.8。

⑵氮气弹簧的额定弹压力并不等于氮气弹簧的实际弹压力，因为它在充气时，高压气体必然会有节流损失，从而使弹压力有所下浮，所以必须考虑这部分变动产生的影响。

⑶氮气弹簧经过使用一段时间后，高压氮气会有一定漏损，造成弹压力有所下降，使实际弹压力低于额定弹压力。因此，为了保证大批量生产顺利进行，选择氮气弹簧需要增加15％～20％弹压力增量。

计算公式如下式所示：

80％P＞（1.5～1.8）P1+（1.15～1.2）P2

式中 P——压床的公称压力，MPa；

P1——切边力，MPa；

P2——氮气弹簧的弹压力，MPa。

在锻造模具设计中弹压力的传递应当保持平衡，选用的氮气弹簧不只一个，力量大小的选择、数量的选择、着力点的选择等都要围绕压力平衡的问题，以利于提高模具的使用寿命、保证锻件的质量。抱切模过程中，氮气弹簧往往不直接接触锻件，弹压力是通过顶料器将弹压力进行传递的。因此，为了避免偏载，整个力系应当基本保持平衡，或者说整个力系对模具中心力矩应当基本为零，这时模具中心基本处于静力平衡状态，氮气弹簧弹压力力系中心与切边或切边冲孔压力中心基本重合。

行程选择

氮气弹簧的行程应满足锻造切边或切边冲孔的工艺要求，不同的锻件，根据实际情况所要求的行程大小都不一样。对于切边冲孔，要求是弹力大，行程也比较大。为了安全起见，避免意外情况的发生，选用氮气弹簧时还要考虑加大10mm的安全行程，从而保证氮气弹簧长久正常地工作。

结构形式选择

当锻造工艺需要使用氮气弹簧时，一般选用管路连接式的氮气弹簧较为合适，这样整个系统中氮气弹簧的弹压力一致。压力调整也比较简单，当出现锻件卡在模具中时，放气较为方便。具体根据实际情况，也可以选择独立式的氮气弹簧。

氮气弹簧稳定性

氮气弹簧无论在安装还是在工作时，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体积内要释放出几百千克甚至几吨的力量，而这个过程又在反复不断进行。因此，保持其工作的稳定性就相当重要。安装紧固时，尤其是使用力量较大的氮气弹簧，必须确保牢固，特别是反置氮气弹簧或者是安装在上模的氮气弹簧，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的、稳定的工作。

因此，在设计安装氮气弹簧时，在缸体或在柱塞开设有一定深度的安装孔，以确保其定位，避免发生偏斜。如果安装不稳定将会引起氮气弹簧和模具的损坏，严重时会引发人身事故。所以，在使用氮气弹簧时，必须充分重视这一点。

图2 氮气弹簧的切边模具的剖面结构示意图

避免冲击和温度过高

氮气弹簧的工作性质属于柔性工作范畴，在模具工作过程中，开启与闭合都应当比较平缓、顺利，不应当出现冲击现象。为了达到这个目的，对于采取独立式氮气弹簧，在设计时应使氮气弹簧的柱塞和顶件器之间不留较大间隙，可以直接紧固。

氮气弹簧的频率响应是很高的，锻件一经接触氮气弹簧柱塞杆就可以产生弹压力，根本不需要有预紧过程，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）响应是非常快的。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块回程的现象，破坏了曲柄压力机滑块的曲线运动，从而毁坏设备，造成严重的经济损失。因此，应当尽量避免出现这种现象。

氮气弹簧应避免温度过高，在锻造切边模具中，一般都是热切边，所以需要对氮气弹簧进行冷却。通常在顶出器上做出安装水管的螺纹孔，这样就能接通冷却水，保证模具在工作过程中温度不至于过高，从而达到延长模具寿命，提高生产效率的目的。

综上所述，实际应用生产过程中，氮气弹簧的切边模具的剖面结构示意图如图2所示。

结束语

在国民经济快速发展的今天，氮气弹簧的应用会越来越多，应用范围会越来越广。本文对氮气弹簧在锻造模具中的应用进行分析，详细阐述了氮气弹簧在锻模设计中的优点和作用。通过采用氮气弹簧，可以有效地解决锻件在切边时的变形问题，在保证锻件质量的前提下，又提高了生产效率，同时也缩短了模具制造周期，降低了生产成本。希望其他锻造企业在结合自身生产工艺特点的基础上，能够更多地采用氮气弹簧进行锻件的生产。

大型系列报道