近年來隨著汽車行業的不斷發展，我們公司需求的鍛件產品也越來越多，特別對鍛件質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，生產節奏越來越快，尤其是公司引進了多條高速自動生產線，怎樣才能快速穩定的生產成了擺在我們面前一個重要的課題，如何保證鍛件質量、保證設備穩定、低成本的運行是我們自動生產線必須解決的問題。
氮氣彈簧的使用
最初我們的自動線生產工藝路線如下：下料－加熱－鍛造－沖孔－余溫正火。我們設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的特點，我們目前的生產頻率是滑塊每分鐘運行35次左右，對于這樣高節奏的生產，碟簧壽命急速下降，導致鍛件成本不斷上升，而且頻繁更換碟簧，導致操作工勞動強度加大和設備OEE達不到設計要求。
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。氮氣彈簧結構如圖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，外力通過活塞桿將氮氣壓縮，當外力去除時，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構如圖3所示，當壓機滑塊下行至最低點氮氣彈簧被壓縮到設計最低點，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，直到沖頭脫離鍛件、沖孔頂出器被上模拉回，從而實現退出鍛件的功能。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，會導致鍛件無法從沖頭上退出和鍛件平面度無法受控，更嚴重時鍛件沒法固定在沖孔凹模上，導致后續步進梁卡爪抓卡時無法定位而整線停機。
氮氣彈簧沖孔設計要點
⑴在鍛造沖孔模具設計過程中，氮氣彈簧的選型很重要，首先要根據自己的產品和裝模空間選擇最佳的氮氣彈簧型號、數目和布局方式。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考慮到沖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。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。
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輕微偏載問題，所以氮氣彈簧最好的布局為偶數布局，盡量減少奇數布局，同時加長氮氣彈簧的導向段（圖5)，將氮氣彈簧緊固在氮氣彈簧座內，避免受偏載力過大導致氮氣彈簧損壞，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。
⑶氮氣彈簧設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運行，如果氮氣彈簧使用過程中超過它的使用溫度，會導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。因此在設計安裝氮氣彈簧時，在氮氣彈簧安裝座上（圖6)必須至少設有1/3氮缸高度的安裝孔，而且徑向嚴格按照使用標準公差設計，以確保其定位，避免發生偏斜。如果安裝不穩定將會引起氮氣彈簧和模具的損壞，甚至會引發人員傷害，所以在使用氮氣彈簧時，必須充分重視安裝的穩定性。
⑸氮氣彈簧工作性質是屬于柔性范疇，在模具工作過程中，受力和卸載都應當比較平順，不應當出現猛然沖擊現象，為了達到這個目的，我們在設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行，這樣方能更好的保證氮氣彈簧的使用壽命。
總結
目前我們高速鍛造生產線氮氣彈簧使用可以達到壓縮十萬余次，生產鍛件六萬余件的壽命，相信在傳統手工鍛造生產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線上對氮氣彈簧在鍛造模具中的設計和現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點進行闡述，同時將現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，在此表示感謝！
