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近年來隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，我們公司需求的鍛件產(chǎn)品也越來越多，特別對鍛件質(zhì)量和精度的要求也越來越高，而且伴隨著自動化逐步走進工廠，生產(chǎn)節(jié)奏越來越快，尤其是公司引進了多條高速自動生產(chǎn)線，怎樣才能快速穩(wěn)定的生產(chǎn)成了擺在我們面前一個重要的課題，如何保證鍛件質(zhì)量、保證設(shè)備穩(wěn)定、低成本的運行是我們自動生產(chǎn)線必須解決的問題。

氮氣彈簧的使用

最初我們的自動線生產(chǎn)工藝路線如下：下料－加熱－鍛造－沖孔－余溫正火。我們設(shè)計的沖孔工序是利用碟簧（圖1)將沖孔后的鍛件退出和校正的，但是因為自動線高速鍛造生產(chǎn)的特點，我們目前的生產(chǎn)頻率是滑塊每分鐘運行35次左右，對于這樣高節(jié)奏的生產(chǎn)，碟簧壽命急速下降，導(dǎo)致鍛件成本不斷上升，而且頻繁更換碟簧，導(dǎo)致操作工勞動強度加大和設(shè)備OEE達不到設(shè)計要求。

為了解決上述問題，我們選用氮氣彈簧作為解決沖孔工序的突破口。氮氣彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示，這是一種具有彈性功能的部件，它是將高壓氮氣密封在氮缸容器內(nèi)，外力通過活塞桿將氮氣壓縮，當(dāng)外力去除時，靠高壓氮氣膨脹，來獲得一定彈性壓力。

改進后的沖孔工序結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)壓機滑塊下行至最低點氮氣彈簧被壓縮到設(shè)計最低點，沖孔沖頭將鍛件連皮沖掉；接著滑塊上行，氮氣彈簧推動沖孔頂出器相對沖頭向下運動，使鍛件保持在沖孔凹模上，直到?jīng)_頭脫離鍛件、沖孔頂出器被上模拉回，從而實現(xiàn)退出鍛件的功能。在沖孔工序，鍛件一直固定在沖孔凹模上，可以保證鍛件沖孔的同軸度，同時在沖孔過程中鍛件會因為沖孔變形，可以利用氮氣彈簧對鍛件起到校正。如果在沖孔過程中氮氣彈簧壓力不夠，會導(dǎo)致鍛件無法從沖頭上退出和鍛件平面度無法受控，更嚴(yán)重時鍛件沒法固定在沖孔凹模上，導(dǎo)致后續(xù)步進梁卡爪抓卡時無法定位而整線停機。

圖1 碟簧沖孔結(jié)構(gòu)示意圖

①沖孔凹模 ②鍛件 ③沖孔頂出器 ④碟簧 ⑤碟簧安裝底座 ⑥沖頭 ⑦沖頭墊塊 ⑧上模墊圈 ⑨、⑩上模墊塊

圖2 氮氣彈簧結(jié)構(gòu)

圖3 改進后的沖孔工序結(jié)構(gòu)

氮氣彈簧沖孔設(shè)計要點

⑴在鍛造沖孔模具設(shè)計過程中，氮氣彈簧的選型很重要，首先要根據(jù)自己的產(chǎn)品和裝?？臻g選擇最佳的氮氣彈簧型號、數(shù)目和布局方式。一般選擇氮氣彈簧的頂出力需要是沖孔退料力的1.5～1.8倍為最合適，因為：①考慮到?jīng)_孔時鍛件連皮受下料精度和模具磨損的情況，鍛件連皮厚度會小幅波動，同時由于沖孔沖頭刃口變鈍等因素，所以氮氣彈簧選擇需要增大安全系數(shù)。②氮氣彈簧的彈壓力受到溫度和壓力行程影響（圖4)，所以選型時必須考慮到這些因素，將退料力選到1.5～1.8倍為最適用。③在使用過程中，氮氣彈簧活塞桿在后期會受到輕微磨損，高壓氮氣會有一定漏損，造成彈壓力有所下降，所以為了保證大批量生產(chǎn)順利進行，選擇氮氣彈簧需要增加到壓力的1.5～1.8倍最合適。

圖4 氮氣彈簧彈壓力受溫度和壓力行程影響曲線

⑵在沖孔過程中，氮氣彈簧通過頂出器將彈壓力傳遞到鍛件上將其從沖頭上退出。但是因為鍛件在鍛造過程中會有薄厚不均等問題，會造成氮氣彈簧出現(xiàn)輕微偏載問題，所以氮氣彈簧最好的布局為偶數(shù)布局，盡量減少奇數(shù)布局，同時加長氮氣彈簧的導(dǎo)向段（圖5)，將氮氣彈簧緊固在氮氣彈簧座內(nèi)，避免受偏載力過大導(dǎo)致氮氣彈簧損壞，采取以上辦法基本保持平衡，氮氣彈簧系統(tǒng)中心會與沖孔模具中心同心，保證鍛件的沖孔同軸度和氮氣彈簧的活塞桿不會過早磨傷報廢。

圖5 加長導(dǎo)向段，偶數(shù)布局

⑶氮氣彈簧設(shè)計時如果條件允許盡量做到上模，因為上模接觸鍛件時間短，升溫慢，這樣能更好的保證氮氣彈簧在它的工作溫度范圍內(nèi)運行，如果氮氣彈簧使用過程中超過它的使用溫度，會導(dǎo)致密封件迅速老化失效，最終報廢。所以在不能保證控制溫升的情況下，就要考慮氣冷或者水冷，確保氮氣彈簧在120℃以下工作，而且溫度越低越好，我們通常在沖孔模座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，從而達到提高氮氣彈簧和沖頭壽命的目的。

⑷因為氮氣彈簧安裝在上模，需要隨滑塊的運動而不斷地相對運動，牢固的安裝氮氣彈簧是必不可少的先決條件。因此在設(shè)計安裝氮氣彈簧時，在氮氣彈簧安裝座上（圖6)必須至少設(shè)有1/3氮缸高度的安裝孔，而且徑向嚴(yán)格按照使用標(biāo)準(zhǔn)公差設(shè)計，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，甚至?xí)l(fā)人員傷害，所以在使用氮氣彈簧時，必須充分重視安裝的穩(wěn)定性。

圖6 安裝座上設(shè)有1/3氣缸高度的安裝孔

⑸氮氣彈簧工作性質(zhì)是屬于柔性范疇，在模具工作過程中，受力和卸載都應(yīng)當(dāng)比較平順，不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)猛然沖擊現(xiàn)象，為了達到這個目的，我們在設(shè)計時將氮氣彈簧的活塞桿和頂出器之間直接接觸，甚至可以預(yù)壓1～2mm，在氮氣彈簧壓縮最終階段，活塞桿行程必須保證最少3～5mm富余量，即圖7行程S必須按照氮氣彈簧使用手冊執(zhí)行，這樣方能更好的保證氮氣彈簧的使用壽命。

圖7 行程S按照氮氣彈簧使用手冊執(zhí)行

總結(jié)

目前我們高速鍛造生產(chǎn)線氮氣彈簧使用可以達到壓縮十萬余次，生產(chǎn)鍛件六萬余件的壽命，相信在傳統(tǒng)手工鍛造生產(chǎn)線上氮氣彈簧可以達到更高壽命。在此通過在高速鍛造生產(chǎn)線上對氮氣彈簧在鍛造模具中的設(shè)計和現(xiàn)場遇到的問題進行分析，將氮氣彈簧在鍛造過程中有利于解決鍛件變形和降低沖孔成本的優(yōu)點進行闡述，同時將現(xiàn)場使用氮氣彈簧遇到問題解決辦法與大家分享。希望氮氣彈簧這個利器能為鍛造工藝提升有所幫助。在氮氣彈簧工藝開發(fā)的過程中受到上海鈺含五金配件有限公司高老師不斷的在線指導(dǎo)，在此表示感謝！