提高氮氣缸在壓形模具中的使用壽命

摘要：從氮氣缸的使用要求、模具結構、零件成形特點等方面進行分析，找出導致氮氣缸斷裂的原因并進行了改進，提高了氮氣缸的使用壽命。

關鍵詞：氮氣缸；模具結構；壓形；壽命

1氮氣缸的介紹

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缸體內，外力通過柱塞桿或活塞將氮氣壓縮，當外力去除時，靠高壓氮氣膨脹來獲得一定的彈壓力，故該部件稱為氮氣彈簧，也可稱為氮氣缸。氮氣缸結構如圖1所示：

傳統模具中使用的彈性功能元件有3大類，彈簧、橡膠和壓力機氣墊。彈簧和橡膠在自由長度時，彈壓力為零，因此彈簧和橡膠在使用時必須預壓，而橡膠壓縮到一定程度后就很難變形。氮氣缸與氣墊相似，均有較大的初始壓力，彈壓力隨壓縮量的變化較平穩。在模具設計時，彈簧或橡膠行程的大小，除要考慮彈壓力外，還要選擇其自由長度。行程太大，需要兩個或多個疊加，容易失穩，占用模具空間大，壓力調整很不方便。氮氣缸最大行程達300mm，壽命在100萬次以上．且因其安裝于模具內部，模具的裝卸非常方便，減小了模具體積，簡化了模具結構。所以在模具設計和制造中，得到了廣泛的應用。本文探討的是氮氣缸在壓形模具中的應用。

2現狀調查

我廠橫梁壓形模具使用到氮氣缸，其主要目的是在橫梁成形結束后，利用氮氣缸卸料。但是在壓形模具（S-120-900）使用過程中，氮氣缸頻繁斷裂，使用壽命低。5月份，對橫梁壓形模具上的氮氣缸的使用壽命進行了統計。使用壽命指每個氮氣缸從開始使用到出現故障所工作的次數。統計結果見表1：

由統計表可以看出，5月份共更換了4個氮氣缸，其失效方式都為斷裂。平均每個使用壽命為4745次。遠遠低于氮氣缸設計使用壽命100萬次以上。

3原因分析

3.1原因一：機床滑塊壓力不穩定

為了測量機床滑塊壓力是否穩定，要求加工人每加工10件記錄一次機床滑塊壓力，連續觀測記錄了8次，結果見表2:

表2機床滑塊壓力統計表

由表2的記錄可以看出，機床滑塊壓力在519T-546T之間，符合工藝參數要求的范圍，所以該項為非要因。

3.2原因二：氮氣缸工作方向與上模板的不垂直度偏大打開模具后，測量氮氣缸根部與模板之間的角度，每個角度測量4次求平均值，測量結果見表3：

表3氮氣缸與上模板不垂直度測量數據

由表3的統計數據可以看出，左、右兩個氮氣缸的壓力中心與模板都不垂直，即氮氣缸工作方向與模具沖壓力方向不平行。從而導致氮氣缸工作是偏載狀態，進而導致斷裂。所以此項為要因。

3.3原因三：氮氣缸工作行程不合適

測量氮氣缸露出凸模高度，即氮氣缸的工作行程。測量結果是105mm。計算橫梁成型所需的彎曲力為F=960KN，所需卸料力按最大系數算，F卸=960×0.05=48KN。每個氮氣缸所提供的卸料力為24KN。規格為XSA1500-125的氮氣缸行程為75mm即能達到所需卸料力。所以得出工作行程為105mm偏大，在工作中容易引起斷裂，所以此項為要因。

3.4原因四：氮氣缸根部緊固螺釘擰緊力矩太小

模具每加工500件，拆卸測量根部緊固螺釘擰緊力矩。此次實驗分4次測量了氮氣缸根部8個緊固螺釘的擰緊力矩，測量結果在82Nm-101Nm之間，滿足了《實用模具設計與制造手冊》中要求的擰緊力矩在76Nm-102Nm，達到了模具緊固件的使用要求。所以此項為非要因。

3.5原因五：氮氣缸的固定點太少

氮氣缸和模板固定僅依靠根部的固定板緊固。但該橫梁在成型時，前后方向所受側向力不均勻，因而氮氣缸也受到側向力。在橫梁成型中會出現氮氣缸工作方向與模具沖壓力方向不平行的情況，只有根部進行緊固，達不到使用要求，從而導致氮氣缸斷裂。所以此項為要因。

通過以上分析，共找出影響氮氣缸斷裂的主要原因有3個。分別為氮氣缸工作方向與上模板的不垂直度偏大、氮氣缸工作行程不合適、氮氣缸的固定點太少。

4對策實施針對以上三個主要原因，分別制定相應對策，并逐一實施，以下為實施過程

4.1調整氮氣缸與上模板的角度

在數控銑床上對氮氣缸的兩安裝座進行銑削加工，使安裝座與上模板平行。

從而保證了氮氣缸與上模板的垂直度。加工后，裝回氮氣缸。每加工500件測量1次氮氣缸根部與上模板之間的角度。換算得出，不垂直度在2′-8′之間，這樣就保證了氮氣缸工作方向與模具沖壓力方向平行，緩解了氮氣缸斷裂的情況，提高了使用壽命。

4.2調整氮氣缸工作行程

將氮氣缸底部安裝座高度方向銑掉30mm，氮氣缸的工作行程就由原來的105mm變為為75mm，滿足退料的同時，保證了其行程盡可能小，緩解了氮氣缸斷裂的情況。

4.3增加氮氣缸固定點

原狀態，氮氣缸只在根部用固定板緊固。考慮可在缸體頂部增加一個固定點。但是氮氣缸在缸體頂端沒有卡槽，無法利用標準件進行固定。因鑄件凸模固定座高度尺寸不定，導致氮氣缸缸體露出凸模固定座的高度不固定。因此給頂部固定帶來一定的難度。

為了固定氮氣缸，設計制作了一固定板（加工圖見圖2，實物圖見圖3）。

圖2圖3

該固定板設計有直徑為∮65的沉孔，比氮氣缸缸體直徑∮63稍大，沉孔的深度為38mm。在沉孔中間加工∮40的孔，便于氮氣缸的塞桿穿過，這樣，就在∮65的沉孔底面形成了一個環形接觸面，并在四周加工4個螺栓過孔。緊固氮氣缸時，通過固定板的環形接觸面與氮氣缸缸體上表面配合，并通過4-M12的螺栓與凸模固定座緊固聯接。缸體露出凸模固定座高度為43mm，固定板的沉孔深度為38mm，他們之間有5mm的間隙，這樣有利于提高螺栓的緊固強度。通過安裝該固定板，實現了在缸體頂部增加一個固定點的目的，降低了側向力對氮氣缸的影響，從而提高了氮氣缸的使用壽命。裝配效果圖見圖4和圖5。

圖4圖5

５結束語

采取以上3個改進措施后，模具已連續使用了6個月，再未出現氮氣缸斷裂現象。氮氣缸的使用壽命已達到了12萬次以上。較改進前的4745次有大幅的提升。設計制作的固定板，可以根據缸體露出凸模固定座的高度靈活加工使用，克服了缸體頂部無法使用標準件緊固的缺陷，可在同類模具上推廣使用。

參考文獻

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[2]陳錫棟，靖穎怡.沖模設計應用實例[M].北京：機械工業出版社，1999.

[3]許發樾.實用模具設與計制造手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

作者簡介：張興峰（1985-），男，主要從事汽車沖壓工藝及模具設計、驗證等工作。