作者：

寧海濤，密思斌，張振杰

（一汽大眾汽車有限公司天津分公司

）

文章已刊載在《模具製造》月刊，版權歸作

者所有，轉載請註明出處，謝謝！

【摘要】

汽車覆蓋件衝壓模具高速大批次生產過程中存放氮氣缸頻繁漏氣，分析了漏氣原

因並從存放裝置種類、存放氮氣缸壓縮比、氮氣缸散熱條件、新型模具結構、專用氮氣缸、

可控延時氮氣缸等方面提出了改善該問題的解決思路。

關鍵詞：

模具存放；專用氮氣缸；可控延時氮氣缸；散熱；壓縮比

1 引言

汽車覆蓋件衝壓模具設計時需用到大量彈性元件進行壓

、退料、提供成形力以及斜楔回程等

。為延

長上述彈性元件的使用壽命

，通常在模具不工作時採

用模具存放裝置限制上下模合入深度，使模具彈性元

件行程完全釋放，提升彈性元件的使用壽命。常用存

放裝置有剛性存放限制器、聚氨酯存模組、存放氮氣

缸等，如圖

1

所示。

模具存放時通常雙層或

3

層摞放，摞放的模具重

量使得以往單純在模具四角設定

4

個聚氨酯存模組

（見圖

1b

）或氮氣缸（見圖

1c

）的做法無法完全釋放內

部彈性元件。隨著衝壓自動化程度提高及內換模時

間的最佳化，單純的剛性存放（見圖

1a

）和聚氨酯存模

塊

+

剛性存放裝置的組合（圖

1a

、圖

1b

）已不能滿足內

換模時間的要求，加之聚氨酯存模組受最大壓縮量限

制，通常只能使用在小行程的模具中，目前存放氮氣

缸

+

剛性存放的組合（圖

1a

、圖

1c

）已成為絕大多數汽

車覆蓋件衝壓模具存放裝置設計首選。

圖

1

常用模具存放裝置

a

—

—剛性存放裝置

b

—

—聚氨酯存模組

c

—

—氮氣缸

2

高節拍和大產量給汽車覆蓋件模具存放裝置帶來的新挑戰

隨著衝壓線節拍越來越快，而外換模時間壓縮空

間有限，導致模具單批次產量也在逐漸增大，氮氣彈

簧工作過程中的發熱問題逐漸凸顯。

2.1 氮氣彈簧工作原理和溫升

氮氣缸將高壓氮氣密閉在缸體中，外力透過柱

塞杆將氮氣壓縮，當外力去除時靠被壓縮的高壓氮

氣膨脹來獲得一定的彈力

［1］

。氮氣彈簧被壓縮過程

中，壓機對氮氣彈簧做功，氮氣彈簧內能升高，氮氣

彈簧隨壓機滑塊運動同步釋放的過程中，不考慮摩

擦生熱的情況下，氮氣彈簧的內能又傳遞迴壓機

［2］

。

但在高衝程節拍和連續生產的條件下，氮氣彈簧被

壓縮時增大的內能傳遞的熱量以及活塞快速摩擦

產生的熱量積聚在氣缸活塞桿和缸壁上，缸壁和活

塞杆溫度升高後，透過熱傳導使氮氣缸內部的氣體

升溫。

根據對我司正常生產中某

SPM65

，氮氣缸實際使

用行程

55mm

的落料模具存放氮氣缸

U。2600。063

線上

測溫發現，連續衝壓

1，800

次時，氮氣缸缸壁的溫度從

開始生產時

25。2

℃升高到了

65。6

℃。已經接近了該型

號氮氣彈簧

71

℃的最高設計使用溫度極限

［3］

。

2.2 溫升對氮氣彈簧密封效能的影響

由克拉勃龍氣體狀態方程

pV=nRT

可知，體積不

變的情況下，當氮氣缸內氣體溫度升高時，壓強

P

也

隨之升高。氮氣彈簧國家標準中給出了體積不變的

情況下

［4］

，氮氣壓力隨溫度升高而增大的計算公式：

P

1

=

P

0

（

1+0。0036

△

t

）

（

1

）

式中

P

t

—

—氮氣在溫度

t

時的壓力，

MPa

P

0

—

—氮氣在參考溫度時的壓力，

MPa

△

t

—

—溫度的變數，℃

氮氣彈簧充氣壓力為

20

℃條件下的

15MPa

，由公

式

1

可知，當氮氣彈簧溫度為

65。6

℃時，氮氣彈簧行程

不壓縮的狀態下，內部實際的氮氣壓力會上升為

P

1

/

P

0

=1+0。0036×

（

65。6-20

）≈

1。1642

即，因溫度升高導致氮氣彈簧內部氣體壓力增大

了

16。42%

。

而氮氣缸本身工作過程被壓縮過程中，內部氣壓

也會隨之增大。

仍以前文中提到的

U。2600。063

規格氮氣缸為例，

未被壓縮時，內部氮氣壓力為初始壓力

P

0

（

15MPa

），

初始彈力為

F

0

，工作中被壓縮

55mm

後，內部氮氣體積

變為

V

2

，此時的內部氮氣壓力為

P

2

，彈力為

F

2

，查壓力

曲線可知

［4］

，不考慮溫度升高的前提下，

F

0

為

23。86kN

，

F

2

約為

37。5kN

，因

F=PS

（

S

為活塞面積），則

若考慮溫度升高時，結合公式一推導結論，可粗

略估算溫度升高後的內部氮氣壓力：

P

溫升後

=

P

2

×

P

1

/

P

0

=27。44MPa

可知此時氮氣缸內部壓力已經遠遠大於初始充

氣壓力，密封元件的工作條件遠比初始狀態更惡劣。

氮氣彈簧通常透過密封圈

/

活塞

/

壓力隔膜等元件

進行密封

［5］

，氣缸壁和活塞溫度升高時

，密封圈與氣缸

活塞

/

缸壁的接觸應力增大

［6］

，同時隨著溫度升高，氣

缸活塞處潤滑油脂黏度下降，潤滑效能降低。上述因

素均導致氮氣彈簧密封耐久性降低，並導致漏氣或爆

炸事故機率增加

［5］

。加上本身溫度增高後氮氣彈簧內

部氮氣的壓強增大，進一步導致彈簧密封效果下降。

實際生產中也經常遇到氮氣彈簧工作過程中漏氣的

情況。以某

30

萬產能的主機廠標準衝壓車間為例，因

實際生產節拍高，每批次連續生產數量大，一年中因

密封損壞更換的模具存放氮氣缸和斜楔回程氮氣缸

數量達到了

87

個。

存放氮氣缸漏氣會導致換模前剛性存放限制器

無法取下，影響外換模時間，模具四角支撐氮氣缸壓

力不平衡時，換模過程中滑塊偏載卸荷，我司處理一

次壓機卸荷至少會導致

27min

衝壓線停臺，每次卸荷

的直接經濟損失約

5，670

元。

3 高衝程節拍和大批次生產條件下汽車

覆蓋件模具存放裝置改善思路

為應對高衝程節拍和大產量生產條件下模具存

放氮氣缸發熱導致的氮氣洩露、密封元件使用壽命

降低問題，建議從以下幾個方向來改善模具存放裝

置設計。

3.1 工作行程小的模具採用聚氨酯存模組

一般聚氨酯許用壓縮行程為原始高度的

25%

，其

標準高度一般為

140mm

，因此，工作行程小的模具，可

用聚氨酯存模組代替氮氣彈簧

+

剛性存放的方案。為

避免模具多層摞放導致的支撐力不足問題，可相應增

加使用的聚氨酯存模組數量。該方案有以下優點：

（

1

）避免存放氮氣缸工作過程中發熱。

（

2

）降低模具製造成本（聚氨酯存模組價格僅為

存放氮氣缸的

25%

）。

（

3

）取消剛性存放裝置後

，減少了生產前人為取

下剛性存放裝置的動作

，減少了因人員忘取或漏取導

致模具損壞的可能。

（

4

）使用壽命長。筆者曾有某車型側圍落料模使

用聚氨酯存模組，衝壓

200

萬次無需更換的實際經驗。

但該方案也有以下問題，需要在設計時特別考

慮：聚氨酯工作次數增加後產生塑性變形，全長變短，

彈力曲線變化。如圖

2

所示

，聚氨酯工作

10

萬次後，

全長比初始狀態有

5~7

mm

的縮短

，彈力曲線也發生變

化，但在

10

萬次以後基本保持穩定。設計時應同時考

慮初始狀態和塑性變形後兩種彈力曲線。

圖

2

存放聚氨酯彈力

-

壓縮量曲線

3.2

減小壓縮比

由波意爾定律可知，等溫條件下，理想氣體體積

被壓縮的比例越大

，壓強增大的比例也越大

。透過

給存放氮氣缸串聯儲氣罐

，減小存放氮氣缸被壓縮

時內部氣體的壓縮比

，可同時起到減小氮氣缸內部

氮氣最大壓力和減小氮氣缸被壓縮過程中增大的氣

體內能的作用。有助於減少氮氣缸工作溫升和壓力

增大對密封元件的影響，提升存放氮氣缸密封元件

的使用壽命。

3.3 改善存放氮氣缸缸壁散熱條件

模具存放氮氣缸經常被設計成前法蘭安裝方式

，

此時氮氣缸缸體穿過模座上的加工孔，處於壓機工作

臺（或上滑塊檯面）與模具立筋構成的相對封閉空間

內。不利於氮氣缸缸壁散熱，影響密封元件使用壽

命。透過將存放氮氣缸缸體設計在與外界空氣聯通

性好的位置（例如後法蘭安裝），透過上下模相對運動

帶來的空氣流動自然散熱，或利用壓縮空氣、冷卻風

扇等手段進行輔助散熱，有助於在高速連續生產的條

件下提高存放氮氣缸的使用壽命。

3.4 可動氮氣缸支撐塊技術

上海宏旭模具的曹勤華設計了一種可動的存放

氮氣缸頂塊來提升模具存放氮氣缸使用壽命並申請

了專利，如圖

3

所示。

圖

3

所示氮氣缸頂塊

5

為可移動式，模具安裝在

壓機上，上下模分開後，將氮氣缸頂塊

5

移開，衝壓生

產過程中，氮氣缸

3

隨上模下行時，氮氣缸活塞桿進入

下模的預留孔

4

中，從而使氮氣缸

3

實際不工作，有效

提高存放氮氣缸的壽命。

但此方式也存在以下缺點：

（

1

）存放氮氣缸完全不工作，失去了存放氮氣缸

對上下模起到的緩衝和整體平衡作用。

（

2

）每批次衝壓生產開始前及結束時，人員進入

衝壓線內部移動頂塊

5

，產生工藝停臺。

3.5 採用模具存放緩衝型氮氣缸

國內某公司設計的模具存放緩衝型氮氣彈簧，減

少了回程速率（約為

1mm/s

）。該氮氣缸用作模具存放

時，隨著上模下行，氮氣缸被壓縮後，活塞桿以

1mm/s

的速度緩慢回程，以

SPM12

次的衝壓生產為例，氮氣

缸活塞桿剛剛回程不到

5mm

時，即再次被壓縮到最大

壓縮量。由於每個衝壓迴圈的行程減少，從而顯著降

低了氮氣缸和衝壓元件的損耗。其行程圖與普通氮

氣缸對比如圖

4

所示。

圖

4

模具存放緩衝型氮氣彈簧與普通氮氣彈簧對比

3.6 運用可控延時氮氣缸技術

可控延時氮氣缸一般用於為非標斜楔、夾持翻邊

壓料圈以及拉伸模內部的獨立壓料芯壓料等提供壓

力源，與上面提到的存放緩衝型氮氣缸類似，可控延

時氮氣缸被壓縮至下死點後，透過氮氣缸底部自帶的

插裝閥將氮氣缸活塞桿鎖住，插裝閥收到控制訊號

後，才將活塞桿釋放進行回程。可控延時氮氣缸系統

相對普通氣缸價格昂貴，但用於存放緩衝氣缸時，可

簡化掉系統中的“消回彈裝置”和“冷卻裝置”，從而減

少模具製造成本。可控延時氮氣缸用作存放緩衝氣

缸時，與上面的存放緩衝型氮氣缸原理相同，但優點

是在生產結束時可以透過換模的

PLC

訊號控制氮氣

缸活塞快速回位，避免因工作結束合模後存放緩衝氮

氣缸頂起延時導致的導向部件偏載磨損問題。

4 總結

結合汽車覆蓋件模具存放氮氣缸在生產中發熱

導致密封元件頻繁損壞問題，從存放裝置種類、氮氣

缸壓縮比、氮氣缸散熱條件、新型模具結構、專用氮氣

缸、可控延時氮氣缸等

6

個方面提出了改善該問題的

解決思路

。有助於提升高衝程節拍和大批次生產條

件下模具存放裝置的使用壽命

，降低維護成本，同時

提高生產效率。

—The End—