【摘要】在汽车覆盖件冲压模具高速大批量生产进程里，存放氮气缸老是频繁出现漏气状况，对漏气的成因展开了剖析。并且，从存放装置的种类、存放氮气缸的压缩比、氮气缸的散热条件、新型模具的结构、专用氮气缸、可控延时氮气缸等多个方面，给出了改善这个问题的解题思路。
关键词：模具存放；专用氮气缸；可控延时氮气缸；散热；压缩比
1 引言
进行汽车覆盖件冲压模具设计之际，会用到数量众多的弹性元件，这些元件用于压料、退料、提供成形力以及斜楔回程等操作。为了延长上述弹性元件的使用期限，一般在模具处于不工作状态时，采用模具存放装置来限制上下模合入的深度，以此让模具弹性元件的行程能够完全释放，进而提升弹性元件的使用寿命。常用的存放装置包含刚性存放限制器、聚氨酯存模块、存放氮气缸等，情况如图1所示。
模具存放之际，一般会以双层或者3层的形式进行摞放，然而，摞放的模具所具备的重量，致使以往单单于模具四角设置4个聚氨酯存模块（相关情况可见图1b）或者氮气缸（相关情况可见图1c）这样的做法，没办法将内部弹性元件完全释放出来。自动化程度在冲压方面不断提高，内换模时间得到了优化，单纯的刚性存放，也就是图1a所示的那种，还有聚氨酯存模块与刚性存放装置的组合，即图1a、图1b呈现的，都没办法满足内换模时间的要求了，而且聚氨酯存模块受最大压缩量的限制，一般情况下只能应用在小行程的模具里，当下存放氮气缸加上刚性存放的组合，像图1a、图1c中展示的，已然成了绝大多数汽车覆盖件冲压模具存放装置设计的首选。
图1 常用模具存放装置
a——刚性存放装置
b——聚氨酯存模块
c——氮气缸
2 高节拍和大产量给汽车覆盖件模具存放装置带来的新挑战
冲压线节拍不断加快，然而外换模时间可压缩的空间较为有限，致使模具单批次产量渐渐增大，氮气弹簧在工作进程里发热问题逐步突显。
2.1 氮气弹簧工作原理和温升
氮气缸把高压氮气封闭在缸体之内，外力借着柱塞杆把氮气予以压缩，当外力消除时依靠被压缩的高压氮气膨胀去获取一定的弹力。氮气弹簧处于被压缩进程中，压机针对氮气弹簧做功，氮气弹簧的内能得以升高，氮气弹簧伴随压机滑块运动同步释放的进程里，在不考虑摩擦生热的情形下，氮气弹簧的内能又传递回压机。是在具备高冲程节拍的情形下，且处于连续生产的状况中，氮气弹簧被压缩之际，那种增大的内能所传递的热量，还有活塞快速摩擦而产生的热量，会积聚在气缸里的活塞杆以及缸壁之处，缸壁与活塞杆的温度升高以后，依靠热传导，进而使得氮气缸内部的气体温度上升。
依据我司正常生产状态下涉及的某SPM65，针对其氮气缸实际运用行程为55mm的落料模具而言，存放氮气缸U.2600.063进行在线测温，当连续冲压达到1,800次的时候，氮气缸缸壁的温度从开始投入生产时的25.2℃上升到了65.6℃，已然逼近了该型号氮气弹簧71℃的最高设计使用温度的极限。
2.2 温升对氮气弹簧密封性能的影响
根据克拉勃龙气体状态方程pV=nRT能够知道，在体积保持不变的情形下，要是氮气缸里面的气体温度出现升高的情况，那么压强P也将会随之升高了。在氮气弹簧的国家标准当中，针对体积不变的这种情况，给出了氮气压力随着温度升高而增大的的计算公式：
P1=P0（ 1+0.0036t）
（1）式中 Pt——氮气在温度t时的压力，MPa
P0——氮气在参考温度时的压力，MPa
t——温度的变量，℃
在20℃这个条件时，氮气弹簧的充气压力是15MPa，按照公式1来讲，当氮气弹簧处于65.6℃的温度状况下，处于氮气弹簧行程不压缩的这种状态时，其内部实际的氮气压力会上升成为。
即，因温度升高导致氮气弹簧内部气体压力增大了16.42%。
而氮气缸本身工作过程被压缩过程中，内部气压也会随之增大。
还是要拿前文之中所讲的U.2600.063规格氮气缸来举例，在没有被压缩的时候，其内部的氮气压力就是初始压力P0（15MPa），初始弹力是F0，在工作当中被压缩了55mm之后，内部氮气体积变成了V2，这个时候内部氮气压力是P2，弹力是F2，去查看压力曲线能够知道，在不把温度升高这个因素考虑进去的情况下，F0是23.86kN，F2大概是37.5kN，由于F=PS（S是活塞面积），所以呢。
要是把温度升高的情况纳入考量范围之内，然后依据公式一去进行推导得出结论，这样能够大概地估算出温度升高以后的内部氮气压力：
P温升后=P2×P1/P0=27.44MPa
是否知道，在这个时候，氮气缸內部的压力，已然远远地大于了开始时的充气压力，密封元件的工作条件，要比初始状态更加恶劣得多。
氮气弹簧一般借助密封圈、活塞、压力隔膜等元件来实现密封，当气缸壁以及活塞的温度有所升高的时候，密封圈跟气缸活塞以及缸壁之间的接触应力会增大，与此同时，随着温度的升高，气缸活塞所处位置的润滑油脂黏度会下降，其润滑性能会降低。上述这些因素都会致使氮气弹簧密封耐久性降低，并且会使得漏气或者爆炸事故的几率增加。再加上本身温度升高以后氮气弹簧内部氮气的压强增大，这进一步引起弹簧密封效果下降。在实际生产当中也常常会碰到氮气弹簧在工作过程中出现漏气的情况。以某个具备30万产能的主机厂的标准冲压车间来讲，由于实际生产的节拍很高，每一批次连续生产的数量又大，在一年之中，因为密封损坏而进行更换的模具，存放氮气缸以及斜楔回程氮气缸的数量，达到了87个。
存放氮气缸出现漏气状况，会致使换模之前刚性存放限制器没办法取下，进而对换模时间产生影响，当模具四角支撑氮气缸压力处于不平衡状态时，换模进程中滑块会出现偏载卸荷现象，我们公司处理一次压机卸荷，至少会造成27分钟冲压线停台，而且每次卸荷所带来的直接经济损失大约为5670元。
对于汽车覆盖件模具存放装置改善思路，是在3高冲程节拍，以及大批量生产条件之下的情况。
应对高冲程节拍时，以及大产量生产条件下，模具存放氮气缸发热引发的氮气泄露情况，还有密封元件使用寿命降低的问题，建议从以下几个方向着手，来改善模具存放装置设计。
3.1 工作行程小的模具采用聚氨酯存模块
通常情况下，聚氨酯被允许的压缩行程是原始高度的百分之二十五 ，它的标准高度一般是一百四十毫米 ，所以 ，对于工作行程较小的模具 ，能够采用聚氨酯存模块去替代氮气弹簧加上刚性存放的那种方案。为了防止模具多层摞放致使支撑力不够的问题 ，可以相应地增加所使用的聚氨酯存模块数量。这种方案具备以下这些优点：
（1）避免存放氮气缸工作过程中发热。
（2）把模具制造的成本给降低下来，存在着这样一种情况，聚氨酯存模块的价格仅仅只是用于存放氮气缸价格的百分之二十五。
（3）将刚性存放装置取消之后，生产之前，人为把刚性存放装置取下这一行为有所减少，因为人为出现忘取或漏取刚性存放装置，进而致使模具出现损坏的可能性也因此被降低了。
（4）长有使用期限。笔者曾有实际经历，某车型侧围落料模运用聚氨酯存模块，冲压次数达200万次却无需进行更换，真是那种实际体验感受。
但该方案存在如下问题，于设计之际得格外留意：聚氨酯工作次数增多后会出现塑性变形，其全长会变短，而且弹力曲线会变动。如图2显示，聚氨酯工作10万次后，全长相较初始状态出现5至7mm的缩短，弹力曲线同样产生变化，不过在10万次之后基本维持稳定。设计之时要一并考量初始状态以及塑性变形后的两种弹力曲线。
图2 存放聚氨酯弹力-压缩量曲线
3.2 减小压缩比
由波意尔定律能够知道，在等温的情况之下，理想气体体积被压的缩比例越大，压强增大的比例也就越大。通过给存放氮气缸串联储气罐，以此减小存放氮气缸被压缩时内部气体的压缩比，这样做既能够减少氮气缸内部氮气最大压力，又能够减小氮气缸被压缩过程中增大的气体内能。这对减少氮气缸工作温升以及压力增大对密封元件的影响有帮助，有助于提升存放氮气缸密封元件的使用寿命。
3.3 改善存放氮气缸缸壁散热条件
模具存放氮气缸常常被设计成采用前法兰安装的方式，在这种情况下，氮气缸的缸体要穿过模座上加工出来的孔，它处于压机工作台或者上滑块台面与模具立筋所构成的那相对封闭的空间当中，这对氮气缸缸壁散热不利，进而会影响密封元件的使用寿命。把存放氮气缸的缸体设计在与外界空气联通性良好的位置，像后法兰安装那样，借助上下模相对运动带来的空气流动实现自然散热，或者运用压缩空气、冷却风扇等手段来进行辅助散热，这样有助于在高速连续生产的状况下提升存放氮气缸的使用寿命。
3.4 可动氮气缸支撑块技术
上海宏旭模具，其中叫曹勤华的人员，设计出了一种东西，这种东西是可动的存放氮气缸顶块，它能够提升模具存放氮气缸的使用寿命，并且针对该设计申请了专利，情况如图3所示。
图3中所展示的氮气缸顶块5，其具有可移动的特性，模具是安装于压机之上的，在上下模彼此分开之后，会把氮气缸顶块5进行移开操作，在冲压生产历经的过程当中，当氮气缸3跟随上模缓缓下行之际，氮气缸活塞杆会进入到下模的预留孔4里面，借助此举进而致使氮气缸3实际处于不工作的状态，能够达成有效提升存放氮气缸寿命此项结果。
但此方式也存在以下缺点：
（1）那个存放氮气缸进入毫无工作的全然状态，它原本对上下模能起到的缓冲作用就此消失，其对整体的平衡作用也一并失去了。
（2）每一批次冲压生产开始之前的时候，以及该批次冲压生产结束之际，人员进入到冲压线的内部，去移动顶块5，如此便产生了工艺停台的情况。
3.5 采用模具存放缓冲型氮气缸
由国内某公司所设计的模具存放缓冲型氮气弹簧，使回程速率有所减少，其速率约为1mm/s。当该氮气缸用于模具存放之际，随着上模向下运行，氮气缸受到压缩后，活塞杆会以1mm/s的速度缓缓回程。以SPM12次的冲压生产作为例子，在氮气缸活塞杆刚刚回程还不到5mm的时候，就又一次被压缩到最大压缩量。因为每个冲压循环的行程出现减少的情况，所以显著降低了氮气缸以及冲压组件的损耗。其行程图与普通氮气缸的对比情况如图4所示。
图4 模具存放缓冲型氮气弹簧与普通氮气弹簧对比
3.6 运用可控延时氮气缸技术
可控延时氮气缸常常被应于为非标斜楔施加压力源，为夹持翻边压料圈供应压力源，为拉伸模内部的独立压料芯压料等给予压力源，和上面所讲的存放缓冲型氮气缸相像，可控延时氮气缸被压缩到下死点之后，凭借氮气缸底部自身带有的插装阀来将氮气缸活塞杆锁住，插装阀接收到控制信号以后，才会把活塞杆释放出来以进行回程。可控延时氮气缸系统相较于普通气缸来讲价格更为高昂，可是在用于存放缓冲气缸的时候，能够把系统里的“消回弹装置”以及“冷却装置”简化掉，进而削减模具制造成本。在将可控延时氮气缸用作存放缓冲气缸之际，它和上面的存放缓冲型氮气缸，二者原理是相同的。然而，其具备这样的优点，即在生产结束之时，能够借助换模的PLC信号，去控制氮气缸活塞实现快速回位。如此一来，便可以避免出现因工作结束合模之后，存放缓冲氮气缸顶起延时，进而导致的导向部件偏载磨损这一问题。
4 总结
针对汽车覆盖件模具存放氮气缸在生产里发热致使密封元件常常损坏的问题，从存放装置的种类，氮气缸的压缩比，氮气缸的散热条件，新型模具的结构，专用氮气缸，可控延时氮气缸这6个方面，提出了改善此问题的解决思路。这有助于提升高冲程节拍以及大批量生产条件下模具存放装置的使用寿命，降低维护成本，并且提高生产效率。
