氮气弹簧储气罐系统在汽车冲压模具中的应用

优胜五金陈老师

1 引言

汽车工业高速发展到今天，对车身材料的要求，基于高强度和轻量化，汽车覆盖件的板材应用正由普通的冷轧钢板向高强度钢板和铝合金板普及；同时，对模具及拉延压边机构提出了更为严格的要求，本文针对高强度钢板，从原理、系统设计，到模具应用，重点介绍氮气弹簧储气罐系统对覆盖件在拉延和整形过程中的起皱和拉裂的现象的有效控制。

2 汽车覆盖件拉延工艺性能分析

我们通常所说的汽车覆盖件，所指的是狭义上的乘用车的“四门两盖”（左右前车门板、左右后车门板、发动机舱盖板和行李舱盖板）和顶盖、侧围板、翼子板等（参见图1），其中门板又分为外板和内板。



图1 汽车覆盖件示意图

这些覆盖件，早期的冲压工艺都是采用的普通的冷轧钢板，从安全性方面考虑，通常选用钣金厚度要大一些；现代汽车冲压工艺，既要考虑安全性，又要考虑节能性，因此，高强度和轻量化的高强度钢板在现代汽车制造中得到广泛应用。

冷轧钢板，抗拉强度σb=340~420MPa；高强度板，抗拉强度σb=500~700MPa，超高强度钢板，抗拉强度σb＞700MPa。因此同样厚度的钢板，高强度钢板在起皱和拉裂的克服方面，对压边力的要求就更为苛刻。

传统的拉延工艺，相对比较简单的拉延件，可采用螺旋弹簧、聚氨酯、氮气弹簧压边，但是这类弹性元件的弹性曲线都是直线，其压边力将随着下压行程的增大而增大（参见图2）。从冲压过程对压边力的要求来看，冲压开始时，压边圈上的毛坯材料面积较大，需要较大的压边力防止起皱；但随着拉延过程的进行，压边圈上的毛坯面积将会逐渐减少，所需的防止起皱的压边力也会较小。因此，这类弹性元件，压边的防起皱效果不好。


图2 形状简单拉延件传统拉延模结构图

传统拉延工艺中，对较复杂的覆盖件，还采用气垫、或者液压垫，通过托杆作用于压边圈上（参见图3）。由于是气缸或者液压缸提供动力源，因此基本上可以控制压边力在整个冲压行程中不变。但是这种拉延冲压工艺，对冲压设备的性能和功率要求较高，不利于冲压成本的降低。



图3形状复杂拉延件传统拉延模结构图

当然，采用双动拉延，会完全解决压边动力来源于冲压设备的外滑块的刚性压边，压边力稳定可靠。但是，同样存在对设备的高额投资的问题，不利于冲压成本的降低。

而采用氮气弹簧储气罐系统，其作用于模具的压边圈上，不需要昂贵的双动冲压设备、克服了螺旋弹簧弹簧、聚氨酯弹簧、氮气弹簧的高增压比，仅使用单动冲压设备，就可以提供相对比较恒定的压边力（λ= 1.1~1.2），有效控制了起皱和拉裂现象，保证了汽车覆盖件的冲压质量。

3 氮气弹簧储气罐系统原理分析

汽车覆盖件件不起皱的前提是，保证拉延过程足够的拉延力；不拉裂的前提是，拉延过程中的压力增量足够小。现代汽车冲压工艺，拉延成形的压边力提供普遍使用氮气弹簧，而氮气弹簧提供的压边力，在下死点时，压力增量达到初始值的1.5~1.7倍，即增压比λ=1.5~1.7，冲压生产中，不可避免的要出现个别的起皱和拉裂等不良品冲压件。

根据“波义尔-马略特定律”，在忽略温度的轻微影响前提下，气体的压力变化与体积变化成反比，即：P1V1=P2V2。要实现较小的增压比，就必须保持冲压行程上下死点的气体体积不发生显著的变化，即：适当的增加储存氮气的体积，完成这个功能的部件就是储气罐，与氮气弹簧系统形成压力回路，使系统的增压比显著降低（参见图4）。氮气弹簧储气罐系统可以实现的增压比可可低至λ=P2/P1=V1/V2=1.1。



图4 氮气弹簧储气罐系统示意图

4 氮气弹簧储气罐系统设计要点

第一步：工艺力计算

根据制品材料性能、厚度、拉延投影面积、拉延高度和压边面积等参数，计算确定拉延工序所需要的工艺力，包括压边力、卸料力和拉延力等。

第二步：确定氮气弹簧数量及氮气弹簧型号选择

确定需要多少个压力点提供的压力均匀地分布在压边圈上。这是为了压边力分布均匀，而做的必要的氮气弹簧数量确定。

为了适应部分厚度的差异，拉伸强度，模具的磨损，所选择的的氮气弹簧总压力应有适当冗余，略大于计算压边力的10~15%。

第三步：选择氮气弹簧行程

氮气弹簧的行程选择，要有一定的冗余量，一般按照实际行程追加10~15%。

第四步：确定氮气弹簧的安装位置

按照压边圈的压力分布，根据工艺力，布局氮气弹簧点位。氮气弹簧不能有与模座、座板产生干涉，并且氮气弹簧满足冲压行程需要。

第五步：确定增压比和增加气体体积设计

需要在传统的拉延模具与氮气弹簧储气罐系统保持相对恒定（较小增压比λ= 1.1~1.2）的压边力。

应用于汽车覆盖件拉延模具的氮气弹簧储气罐系统，通常被设计为10％-20％的增压，根据“波义尔-马略特定律”，通过体积增量（VS），来计算储气罐系统需要储存的整体氮气量VT（总体积）。

VS（气体体积增量） = 系统所选氮气弹簧的数量x拉延行程x氮气弹簧柱塞的断面积

VT（总体积） = VS（气体体积增量）/增量比率

根据增设的储气罐的总体积，来选取需要设置的储气罐的大小和数量。

第六步：完成前五步计算，确定系统中氮气弹簧和储气罐的综合布局，并进行管路连接设计。包括氮气弹簧和储气罐之间的压力回路畅通和外界系统压力动态显示装置。

至此，完成汽车覆盖件拉延模具提供给压边圈的动力源的氮气弹簧储气罐系统的设计。（参见图5）

氮气弹簧储气罐系统在汽车冲压模具中的应用

1 安装基板 2 氮气弹簧 3 储气罐 4 管路 5 管夹 6 罐夹 7 控制表

图5 氮气弹簧储气罐系统设计图

5 设计案例

工艺力计算为：F=95tonf

根据拉延件形状和压边圈设置，确定氮气弹簧布局的点数为21处，即，该座板系统使用的氮气弹簧为21个。

确定氮气弹簧的型号和行程：根据设计的工艺力，每个氮气弹簧的分布力为FA=F/21=4.52tonf，适当加上冗余，选取TU5000（5ton）型号为宜；设计冲压行程为ST=125mm，加上冗余，选取ST=160mm为宜。故，确定氮气弹簧型号为：T2ISO-5000-160（美国HYSON的国际标准）。

计算氮气体积增量：VS=氮气弹簧数量x拉延行程x氮气弹簧活（柱）塞截面积=21x125x0.332/100=8.715升

用户的设计增压比λ=1.15（压力增量为15%），以此计算氮气总体积VT=氮气体积增量/增量比率=VS/15%=58.1升

依据氮气总体积VT，计算外设的储气罐的气体体积VTK（储气罐容积）。氮气弹簧的初始状态的氮气体积为：VGS=21x1.36=28.56升，则需要外设的储气罐容积为：VTK=58.1-28.56=29.54升。选取6升的储气罐，则需要：VTK /6=29.54/6=4.92个（5个）,或者空间布局影响的话，选用3个8升和2个3升的储气罐。重新核定增压比：λ=VT，/（VT，-VS）=（28.56+30）/（28.56+30-8.715）≈1.15,符合用户设计要求。

确定基板厚度和长度宽度尺寸。根据冲压件压力布点要求，结合模座尺寸，确定座板尺寸：L x W x T=长度x宽度x厚度=2000mmx1500mmx30mm

至此完成整个氮气弹簧储气罐系统设计，提交制造部完成模具制造任务。（参见图5、图6和图7）



图6 内置储气罐系统的模具示意图


图7 氮气弹簧储气罐系统照片

6 应用效果

较独立式氮气弹簧，氮气弹簧储气罐系统的压力提供均匀、相对恒定，增压比小、拉延件质量可靠；

与氮气弹簧管路系统相比，维护成本低、压力供给相对恒定（较小的增压比），拉延件质量可靠；

氮气弹簧储气罐系统，在北美的车型生产应用实绩，寿命可达160万次以上；

通过控制表，对系统进行氮气填充和排气处理，可以方便简捷地对压边力进行调整，模具调整、维护便利；

欧美车型覆盖件模具和进出口覆盖件模具，已开始普及应用。

7 结束语

氮气弹簧储气罐系统在汽车覆盖件拉延模具的应用中，其显著的优势在于，使冲压行程的压边力保持相对恒定，对拉延件的起皱和拉裂冲压缺陷的控制做到了“0不良率”；同时，对冲压设备没有苛刻的辅助元件和双动要求，从设备投资角度看，显著降低了投资成本；储气罐的氮气储存、密封可靠，模具维护成本低廉。氮气弹簧座板系统，将是今后汽车覆盖件拉延模具设计上的主力压边机构设计选择。