在汽车覆盖件冲压模具进行高速大批量生产时，氮气缸的存放环节常常出现漏气现象，对此进行了原因分析，并从存放装置的类型、氮气缸的压缩比、散热条件、新型模具结构设计、专用氮气缸以及可控延时氮气缸等多个角度，提出了针对该问题的改进措施和解决方案。
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
在设计汽车覆盖件冲压模具的过程中，必须使用众多弹性元件来完成压料、退料、提供成形力以及斜楔回程等操作。为了延长这些弹性元件的使用期限，我们通常会在模具处于非工作状态时，利用模具存放装置来控制上下模具的合入深度，确保模具中的弹性元件能够完全释放行程，从而提高其使用寿命。常见的存放装置包括刚性存放限制器、聚氨酯存模块以及存放氮气缸等，具体可参照图1。
模具在存放时一般采用双层或三层叠加的方式，这种叠加后的模具重量导致过去仅于模具四角安装的四个聚氨酯存储模块（如图1b所示）或氮气缸（如图1c所示）的方式，已无法充分释放模具内部的弹性元件。冲压自动化水平的提升以及内换模时间的优化，使得单一的刚性存放方式（参见图1a）以及聚氨酯存模块与刚性存放装置的搭配（图1a、图1b）已无法满足内换模时间的需求。同时，聚氨酯存模块因最大压缩量的限制，通常仅适用于小行程模具。因此，目前采用存放氮气缸与刚性存放装置的组合（图1a、图1c）已成为大多数汽车覆盖件冲压模具存放装置设计的首选方案。
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
冲压线的节奏逐渐加快，与此同时，外换模的周期缩短，空间受限，这促使模具在单批次生产中的产量不断上升，氮气弹簧在作业过程中产生的热量问题开始变得日益明显。
2.1 氮气弹簧工作原理和温升
氮气缸将氮气以高压状态封闭于缸体内，外力借助柱塞杆的作用对氮气进行压缩。外力一旦撤离，被压缩的高压氮气便会产生膨胀，从而产生一定的弹力。在氮气弹簧被压缩的过程中，压机会对弹簧施加功，导致弹簧内能增加。当氮气弹簧与压机的滑块同步运动并释放时，若忽略摩擦产生的热量，弹簧的内能便会传递回压机。在高冲程节拍及连续生产过程中，氮气弹簧在压缩过程中所积累的内能转化为热量，同时，活塞在高速运动中产生的摩擦热也不断累积。这些热量在气缸活塞杆及缸壁上积聚，导致缸壁和活塞杆的温度上升。随后，通过热传导作用，氮气缸内气体温度也随之升高。
在我司日常生产过程中，针对一款型号为SPM65的氮气缸，其实际使用的行程为55mm的落料模具内存放着氮气缸U.2600.063。通过在线测温，我们观察到，在连续进行1,800次冲压操作后，氮气缸的缸壁温度从生产初期的25.2℃上升至65.6℃。这一温度已接近该型号氮气弹簧所能承受的最高设计使用温度，即71℃。
2.2 温升对氮气弹簧密封性能的影响
依据克拉勃龙气体状态方程，即pV=nRT，我们可以得知，在体积保持恒定的情况下，若氮气缸内的气体温度上升，其压强P亦会相应地增加。氮气弹簧的国家标准中，针对体积恒定条件下，氮气压力随温度上升而上升的情况，提供了相应的计算公式。
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℃的环境下，氮气弹簧的充气压力达到15MPa，根据公式1的推算，当氮气弹簧的温度升至65.6℃时，即使不进行压缩，其内部的氮气压力也将相应上升，具体数值待定。
P1/P0等于1加上0.0036乘以（65.6减去20），大约等于1.1642。
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。
以文中提及的U.2600.063型号氮气缸为例，在未进行压缩的状态下，缸内氮气的压力为起始压力P0，即15MPa，此时缸内的初始弹力为F0。当缸体在工作过程中被压缩了55mm之后，缸内氮气的体积降至V2，此时缸内氮气的压力变为P2，弹力变为F2。根据压力曲线分析，在忽略温度上升的情况下，F0的数值为23.86kN，而F2的数值大约为37.5kN。由于F等于P乘以S（S代表活塞的面积），因此可以继续计算。
若将温度上升的情况纳入考量，并依据公式一进行推导，我们能够大致计算出温度上升后内部氮气的压力值。
P温升后=P2×P1/P0=27.44MPa
此时，氮气缸内部的压强已显著超过最初充气时的压强，密封部件所面临的工况相较于最初阶段已变得极其恶劣。
氮气弹簧的密封通常依赖于密封圈、活塞或压力隔膜等部件，当气缸壁及活塞温度上升，密封圈与气缸活塞或缸壁之间的接触应力随之上升。此外，随着温度的升高，气缸活塞处的润滑油脂黏度会减小，进而影响润滑效果。这些因素共同作用，使得氮气弹簧的密封耐用性下降，同时也提高了漏气或爆炸事故的风险。由于氮气弹簧本身温度上升，内部氮气压强随之上升，这进而影响了弹簧的密封性能。在现实生产中，氮气弹簧在工作时常常出现漏气现象。以某家年产量达30万台的主机厂标准冲压车间为例，由于生产节奏快，每批次的连续生产数量较多，因此一年内因密封损坏而更换的模具，包括存放氮气缸和斜楔回程氮气缸，累计达到了87个。
氮气缸若发生泄漏，将使得换模前的刚性存放限制器难以拆卸，进而延长外换模所需时间；同时，若模具四角支撑的氮气缸压力不均，换模时滑块将承受不均匀的负荷，导致卸荷。我司每次处理压机卸荷问题，至少会造成27分钟的冲压线停工，每次卸荷所造成的直接经济损失约为5,670元。
在实施高冲程节拍作业及大批量生产流程中，针对汽车覆盖件模具存放装置的优化策略。
为了解决在高冲程节奏及大量生产过程中，由于模具存放氮气缸产生热量引发的氮气泄漏以及密封部件寿命缩短的问题，我们建议从以下几方面对模具存放装置的设计进行优化改进。
3.1 工作行程小的模具采用聚氨酯存模块
通常聚氨酯的允许压缩行程是原始高度的25%，而其标准高度通常是140毫米，所以对于工作行程较小的模具，我们可以使用聚氨酯存储模块来替代氮气弹簧和刚性存储的方案。为了防止模具多层堆叠引起的支撑力不足问题，可以适当增加聚氨酯存储模块的使用数量。这一方案具有以下优势：
（1）避免存放氮气缸工作过程中发热。
削减模具生产成本，因为聚氨酯模块的价格仅为氮气缸存储装置的25%。
取消刚性存放装置的使用，降低了在生产准备阶段人工拆卸该装置的操作频率，同时减少了因操作人员遗忘或疏忽而引发的模具损坏风险。
该车型侧围落料模采用了聚氨酯材料，经实际测试，在使用过程中，即便冲压达到200万次，也无需进行更换，充分证明了其使用寿命之长。
然而，此方案存在一些需在设计阶段特别注意的问题：聚氨酯在经历多次工作后，会出现塑性变形，导致整体长度缩短，弹力曲线亦随之改变。如图2所示，当聚氨酯使用至10万次时，其长度相较于最初状态缩短了约5至7毫米，弹力曲线亦发生变动。不过，在10万次之后，这种变化基本趋于稳定。因此，在设计过程中，需同时兼顾初始状态和塑性变形后的弹力曲线。
图2 存放聚氨酯弹力-压缩量曲线
3.2 减小压缩比
波意尔定律指出，在恒温状态下，理想气体的体积若被压缩得越多，其压强也会相应地增加。因此，通过在储存氮气的气缸中串联储备气罐，可以有效降低气缸在压缩过程中内部气体的压缩比。这一措施不仅能够减少氮气缸内部氮气的最大压力，还能降低压缩过程中气体内能的增加。有助于降低氮气缸在工作过程中温度上升和压力上升对密封部件的损害，从而延长存放的氮气缸密封部件的使用期限。
3.3 改善存放氮气缸缸壁散热条件
模具所用的氮气缸通常采用前置法兰的安装形式，这种设计使得氮气缸的缸体需穿过模座上的特定加工孔，进而位于压机的工作台面（或上滑块台面）与模具的立筋之间，形成了一个相对封闭的环境。这样的结构设计对氮气缸缸壁的散热并不利，从而可能缩短密封元件的使用寿命。将氮气缸的缸体设置在易于与外界空气交换的位置，比如在后法兰处安装，借助上下模具的相对运动产生的空气流动实现自然散热，或者通过使用压缩空气、冷却风扇等方法进行辅助散热，这些措施有助于在高速连续生产过程中延长存放氮气缸的使用期限。
3.4 可动氮气缸支撑块技术
上海宏旭模具公司的曹勤华工程师设计了一款新型的可动式氮气缸顶块，旨在延长模具氮气缸的使用寿命，并已成功申请了相关专利。具体设计如图3所示。
图3中展示的氮气缸顶块5是可移动的，模具被安置在压机上。当上下模具分离后，我们将氮气缸顶块5移除。在冲压生产环节，随着氮气缸3跟随上模下降，其活塞杆便进入了下模预留的孔洞4。这一过程使得氮气缸3实际上并未参与工作，从而有效延长了存放氮气缸的使用寿命。
但此方式也存在以下缺点：
氮气缸的存放装置完全失效，导致其无法对上下模具进行缓冲，进而丧失了维持整体平衡的功能。
在生产每批次的冲压作业启动阶段以及结束阶段，工作人员需进入冲压生产线内部，移动编号为5的顶块，这一动作会导致生产流程暂时中断。
3.5 采用模具存放缓冲型氮气缸
国内某企业研发的模具专用缓冲氮气弹簧，有效降低了回程速度（大约为每秒1毫米）。当氮气缸用于模具存放，且上模向下移动时，氮气缸在压缩状态下，活塞杆以每秒1毫米的速度缓缓返回原位。以每分钟12次的冲压生产速度为例，当氮气缸活塞杆回程仅约5毫米时，它便再次被压缩至最大压缩量。冲压循环的行程有所缩短，这一变化显著减少了氮气缸及冲压部件的磨损。具体行程对比情况，可参照图4进行观察。
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
此类氮气缸常应用于非标准斜楔、夹持翻边压料圈以及拉伸模具内部独立压料芯的压料作业中，其功能与之前所述的缓冲型氮气缸存放功能相似。当可控延时氮气缸被压缩至最低点时，底部配备的插装阀会锁定活塞杆，只有接收到控制信号，插装阀才会解除对活塞杆的锁定，从而实现活塞杆的回程运动。相较于一般气缸，可控延时氮气缸系统的费用较高，然而，在用作存放缓冲气缸时，它能够省去系统中的“回弹消除装置”与“冷却设备”，进而降低模具的制造成本。在作为存放缓冲气缸使用时，这种可控延时氮气缸与上方存放缓冲型氮气缸的运作原理一致，然而其显著优势在于，生产结束后，能够通过PLC信号的换模操作来迅速控制氮气缸活塞的回位，从而有效避免因工作结束后的合模操作导致存放缓冲氮气缸顶起延时，进而引发的导向部件因偏载而磨损的问题。
4 总结
针对汽车覆盖件模具在存放氮气缸时因发热而引起密封元件频繁受损的问题，我们从存放装置的类型、氮气缸的压缩比、散热条件、新型模具的结构设计、专用氮气缸以及可控延时氮气缸等六个方面，提出了相应的改进措施。这些措施旨在延长模具存放装置在高冲程节拍和大批量生产环境下的使用寿命，减少维护费用，并提升生产效率。
