弹簧和橡胶的选用方法

（1）圆钢丝圆柱螺旋压缩弹簧 在冲裁模卸料和顶件装置中，最常用的是两端圈并紧磨平的普通圆柱螺旋压缩弹簧（表2-42）。其计算公式见表2-43，用表2-43～表2-45即可计算出弹簧的基本尺寸及参数。

选取步骤如下：

1）根据冲模结构与尺寸大小，卸料力大小，确定可装弹簧数量、预压缩后弹簧长度、弹簧压缩后的最小长度以及弹簧外径最大尺寸。

2）计算每个弹簧的预压力

式中 F₁——弹簧预压状态下的压力（安装负荷）（N）；

n——弹簧数量；

F_x——卸料力（N）；

K——安全系数，取1.5～2。

3）根据预压力大小，从表2-42中预选弹簧。

表2-42 普通圆柱螺旋压缩弹簧（摘自GB/T2089—2009）

（续）

（续）

（续）

（续）

（续）

注：F′为弹簧刚度，m为弹簧单件质量，n为有效圈数。

表2 - 43 圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式（一）

（续）

表2 - 44 圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式（二）

注：试验切应力740MPa，选自GB/T23934—2009。

表2 - 45 C级材料抗拉强度（摘自GB/T4357—2009）

注：表中材料抗拉强度为C级下限值。

4）计算弹簧预压变形量，校核预压力。

5）计算最大变形量和最大工作负荷。

例已知冲裁件材料为H68（黄铜），料厚为0.3mm，冲裁件周长为142mm，试选用弹簧。

1）根据冲模结构与尺寸大小，可安装4根弹簧，预压后弹簧高度为36.5mm，冲压时弹簧最小高度为34mm，弹簧最大外径不超过18mm。

2）计算每个弹簧的预压力（安装负荷）

冲裁力 F=LtR_m=142mm×0.3mm×300MPa=12780N

卸料力 F_x=0.04F=0.04×12780N=511N

预压力

3）根据预压力F₁大小，从表2-44预选弹簧为：d=2.5mm，F_n=291N，D=14mm，H₀=55mm，f_n=22mm，n=10.5圈。

4）计算弹簧预压变形量f_s和校核预压力F′₁

f_s=55mm-36.5mm=18.5mm由，得F′₁=244N。因为F′₁=244N>217N=F₁，所以选用安全。

5）计算最大工作负荷下的变形量f和最大工作负荷F₂

f=55mm-34mm=21mm由，得F₂=277N。最大工作负荷变形量f=21mm<f_n=22mm，符合要求。最大工作负荷F₂=277N<291N=F_n，符合要求。所以选用弹簧为YA2.5×14×55 GB/T2089。

表2-46 强力弹簧

（续）

（2）弹力弹簧的选用 圆钢丝圆柱螺旋压缩弹簧在普通冲模中被广泛采用；但对高速冲模、精冲模和高效率、高精度、高寿命多工序多工位级进模中，广泛使用截面为矩形或扁圆形的强力弹簧。强力弹簧在同样的负荷下体积比圆柱螺旋压缩弹簧小，而在相同的体积下却可以获得较大的压缩量，且使用寿命长。强力弹簧使用外径大于25mm较好。一般可使用国产标准弹簧，另一种是按日本、美国或其他国家标准生产或代理他们的产品向市场供应，可按表2-46选用。

图2-45 碟形弹簧

a）碟形弹簧的型式 b）对合组合碟簧 c）复合组合碟簧

（3）蝶形弹簧的选用 蝶形弹簧具有以小变形承受较大载荷、缓冲吸振力强、结构紧凑等优点，在冲压中得到了日益广泛的应用。碟形弹簧根据厚度的不同，分为无支承面碟簧和有支承面碟簧，如图2-45所示，碟形弹簧根据D/t及h₀/t的比值不同分为A、B、C三个系列（表2-47～表2-49），碟形弹簧的计算公式见表2-50。

冲模中常用对合组合碟簧和复合组合碟簧如图2-45所示。单片碟形弹簧的特性曲线如图2-46所示。

图2-46 按不同h₀/t或K₄（h₀′/t′）计算的单片碟形弹簧的特性曲线

表2-47 系列A（D/t≈18，h₀/t≈0.4，E=206000MPa，μ=0.3）

① 表中给出的t是碟簧厚度的公称数值，t′是第3类碟簧的实际厚度。

② σ_OM是碟簧上表面OM点的计算应力。

③ 有“∗”号的数值是在位置Ⅱ处的最大计算拉应力，无“∗”号的数值是在位置Ⅲ处的最大计算拉应力。

表2 - 48 系列B（D/t≈28，h₀/t≈0.75，E=206000MPa，μ=0.3）

（续）

① 表中给出的t是碟簧厚度的公称数值，t′是第3类碟簧的实际厚度。

② σ_OM是碟簧上表面OM点的计算应力。

③ 有“∗”号的数值是在位置Ⅱ处的最大计算拉应力，无“∗”号的数值是在位置Ⅲ处的最大计算拉应力。

表2 - 49 系列C（D/t≈40，h₀/t≈1.3，E=206000MPa，μ=0.3）

（续）

① 表中给出的t是碟簧厚度的公称数值，t′是第3类碟簧的实际厚度。

② σ_OM是碟簧上表面OM点的计算应力。

③ 有“∗”号的数值是位置Ⅱ处的最大计算拉应力，无“∗”号的数值是位置Ⅲ处的最大计算拉应力。

表2 - 50 碟形弹簧的计算公式

蝶形弹簧的材料为65Mn、50CrVA、60Si2MnA等弹簧钢，经热处理后硬度为48～52HRC，中心杆容易磨损，一般采用45钢制造，经热处理后硬度为43～52HRC。

蝶形弹簧的选用方法与螺旋弹簧相同，根据卸料力和要求的压缩量，按表2-47～表2-49。

标记示例

① 一级精度，系列A，外径D=100mm的碟簧，标记为：碟簧A100-1GB/T1972。

② 二级精度，系列B，外径D=100mm的碟簧，标记为：碟簧B100GB/T1972。

（4）氮气弹簧 氮气弹簧是一种结构比较复杂的弹性元件。它是将高压氮气密封在缸体内，工作时，外力通过柱塞或活塞将氮气压缩；当外力去除时，靠高压氮气膨胀来获得一定的弹压力。

氮气弹簧国外在20世纪70年代以后逐渐普遍应用，在电子元器件模具、家用电器模具、五金模具、尤其是汽车覆盖件模具中应用广泛。氮气弹簧对于简化模具设计与制造，提高和稳定制件质量，具有独特的优点和良好的经济效果。

1）氮气弹簧的结构。氮气弹簧的结构如图2-47和图2-48所示，它主要由承受和产生弹压力的柱塞或活塞，组成气室的缸体和缸底，充气阀、氮气、导向环、动密封、静密封、螺堵、防止圈等组成。

通过充气阀给缸体内冲入氮气。氮气在缸内对活塞或柱塞施加压力，使柱塞或活塞沿着导向环向上运动达到工作状态，缸体的大小和施加的压力决定了氮气弹簧所能提供的弹压力。

图2-47 柱塞密封式氮气弹簧

1—螺堵 2—充气阀 3—氮气 4—导向环 5—柱塞套 6—缸体 7—动密封 8—静密封 9—钢丝卡圈 10—防尘圈 11—防尘卡圈 12—柱塞

图2-48 活塞密封式氮气弹簧

1—螺堵 2—钢丝卡圈 3—静密封 4—缸底 5—氮气 6—充气阀 7—缸体 8—动密封 9—导向环 10—防尘圈 11—活塞

2）氮气弹簧的原理和基本参数

① 设计原理。氮气弹簧的设计是用安全、不可燃、干净、经济的氮气作为工作介质，它的工作过程近似认为是等温膨胀和压缩过程，其工作原理如图2-49所示，弹压力F的计算式为

式中 F——弹压力（N）；

d——柱塞杆直径（mm）；

p——缸内压力（Pa）。

② 基本性能参数。基本性能参数包括压力介质（氮气），最大充气压力（Pa），最小充气压力（Pa），工作环境温度（0～80℃），有效工作行程（mm），最大行程次数（次/min），柱塞或活塞的最大速度（m/s）。工作寿命：行程长度不大于50mm，氮气弹簧的寿命约为100万次以上。

③ 特点。较小的空间可以产生较大的初始弹压力，无需预压，压力垫板与氮气弹簧接触时，可以达到预定弹压力。弹压力在整个模具行程中基本保持恒定。各种弹性元件的特性曲线比较如图2-50所示。从图2-50可知，氮气弹簧特别是对压边力要求比较高的情况下，使用非常方便安全可靠。(www.xing528.com)

图2-49 氮气弹簧工作原理

图2-50 各种弹性元件特性曲线比较

a—氮气弹簧 b—螺旋弹簧 c—橡胶 d—气垫

3）氮气弹簧在冲模中的应用。氮气弹簧分为独立式和组合式，如图2-51所示，具有使用方便，安装和维修简单，安全可靠，使用寿命长等特点，在冲模中被推广使用。

图2-51 氮气弹簧的类型

a）独立式 b）组合式 1—柱塞 2—缸盖 3—缸筒 4—缸底 5—氮气弹簧 6—高压连接管 7—储气罐 8—控制罐

① 在冲裁模中，用于卸料和顶件，当冲裁卸料力或顶件力较大时，采用氮气弹簧能有效解决模具空间小而卸料力大的矛盾，甚至可以将模座作为氮气弹簧的气室加以利用，减少氮气弹簧占有的空间。图2-52所示为氮气弹簧用于冲裁过程中的压料和顶件。当开始冲裁时，氮气弹簧顶着顶件板和落料凸模一起将条料压紧；当凸模继续下行，使条料在受压状态下进行冲裁，不但提高了冲裁件的断面质量，而且提高了冲裁件的直线度、平面度和平行度。当冲裁结束后，氮气弹簧的弹压力通过顶件板将冲裁件从凹模中顶出，同时氮气弹簧的弹压力通过垫板、推杆、卸料板将条料从凸模上卸下。

② 在大型弯曲模中，氮气弹簧用于料的压紧，防止弯曲过程中料的滑移，弯曲成形后，弯曲件非常平稳地被顶出，尺寸精度和几何精度都比较好。

③ 在拉深模中用于压边，保持压边力基本恒定。解决了螺旋弹簧、橡胶的弹压力随着拉深件高度的增加弹压力越大，容易造成拉深件材料变薄或拉裂的危险，因而提高了拉深件的质量稳定性。

图2-52 氮气弹簧用于冲裁过程中的压料和顶件

1—凸模 2—凹模 3—顶件板 4—顶杆 5—氮气弹簧

图2-53 氮气弹簧在拉深模上应用的实例

a）在油压机上使用的模具结构 b）在压力机上使用的模具结构 1—氮气弹簧 2—凸模 3—压边圈 4—凹模

图2-53所示为氮气弹簧在拉深模上应用的实例。图2-54所示为微电动机外壳，图2-55所示为氮气弹簧在微电动机外壳多工位级进拉深模中的应用。该模具共有15个工位，分别为：①、②冲工艺切口；③为空工位；④首次拉深，该工位采用氮气弹簧用于压边；⑤、⑥第二次和第三次拉深；⑦为空工位；⑧预冲孔；⑨翻边成形；⑩侧向冲孔和缺口，采用氮气弹簧压料；（11）螺纹孔成形；（12）侧压成形；（13）空工位；（14）环形剖切，用氮气弹簧进行压料；（15）切断废料。

4）氮气弹簧的选用

① 氮气弹簧的数量

式中 F——冲压力，如压边力、卸料力等（N）；

p₀——氮气弹簧额定压力（N）；

K——安全系数，取K=1.15～1.20。

图2-54 微电动机外壳

例：如拉深某制件，需压边力为100kN，应选120kN的氮气弹簧，如选择每个氮气弹簧的额定压力为20kN，则

图2-55 氮气弹簧在微电动机外壳多工位级进拉深模中的应用

1—上模座 2—下模座 3、5、6—氮气弹簧 4—控制仪表 7—氮气弹簧座板

氮气弹簧的数量和额定压力之间有如下关系：额定压力小，数量多；额定压力大，数量小，见表2-51。如何选择氮气弹簧的数量，需考虑下列因素：①作力点布置要均匀，保持整个力系的平衡；②有利于制件的成形；③有利于模具的安装。

② 氮气弹簧行程的选择。不同的冲压工序要求冲压行程大小是不一样的，氮气弹簧的行程应满足冲压工序的具体要求。如分离工序的冲裁行程小，应选用小行程的氮气弹簧；拉深、弯曲工序的行程大，应选用大行程氮气弹簧。但行程大，氮气弹簧总高度大，稳定性差，且行程越大，它的价格也越高。

行程的选择要留有余量，绝对不能超过氮气弹簧的有效工作行程。为了保证氮气弹簧的使用寿命，在选择行程时要考虑留出10%的余量。对于冲裁工序，一般用于卸料或顶件，行程较小，应选行程S≤20mm较为合理。对于拉深模，可按图2-56选取；对于弯曲模，可按图2-57选取。

表2-51 压料力为120kN时氮气弹簧压力与氮气弹簧数量之间的关系

（5）工业用普通橡胶 由于橡胶允许承受较大的负荷，且安装调整方便，取材又容易，在冲模中被广泛应用于冲裁模的卸料，顶件的弹性元件；在弯曲模中用于压料，顶件的弹性元件；在拉深模中用于卸料、压料、顶件的弹性元件等。

使用时一般根据需要加工成一定形状和尺寸的零件，统称橡胶垫。如图2-58所示，且橡胶垫的单位压力与橡胶垫的压缩量、形状及尺寸有关。

图2-56 拉深时氮气弹簧行程的选择

a）拉深示意图 b）氮气弹簧 S=R_d+（4～6）+H+（5～15） H—拉深件高度 R_d—凹模圆角半径 S—氮气弹簧行程

图2-57 弯曲时氮气弹簧行程的选择

a）弯曲示意图 b）氮气弹簧 S=R_d+（3～14）+H+（10～20） H—弯曲件高度 R_d—凹模圆角 S—氮气弹簧行程

图2-58 橡胶垫的形状与单位压力值

a）空心圆柱形 b）圆柱形 c）方形 d）矩形

橡胶工作时所产生的弹压力按下式计算

F=Ap （2-22）

式中 F——橡胶工作时所产生的弹压力（N）；

A——橡胶的横截面积（mm²）；

p——与橡胶压缩量有关的单位压力（MPa），见表2-52。

表2-52 橡胶压缩量与单位压力值

使用橡胶时，不应使最大相对压缩量过大，避免橡胶过早失去弹性而损坏，其允许最大压缩量应不超过自由高度的45%，一般按下式选取

h₁=（0.35～0.45）H₀ （2-23）

式中 h₁——橡胶允许最大压缩量（mm）；

H₀——橡胶在未受压力状态下的自由高度（mm）。

橡胶垫装在模具上后，为了保证有足够的预压力，通常应有一定的预压缩量h，一般取H0的10%～15%，即h=（0.1～0.15）H₀

橡胶垫的工作行程h′为

h′=h₁-h=（0.25～0.30）H₀ （2-24）

橡胶垫的自由高度为

H₀=（3.4～4）h′ （2-25）

在冲裁模中

h′=（t+1）+（4～6） （2-26）

在弯曲模中

h′=R_d+h₀+l （2-27）或 h′=R_d+h₀+R_p+t （2-28）式中 R_d——弯曲凹模圆角半径（mm）；

l——弯曲件的高度（mm）；

h₀——凹模深度（mm），如图4-82所示；

R_p——弯曲凸模圆角半径（mm）。

在拉深模中

h′=R_d+（4～6）+H （2-29）

橡胶垫的自由高度H₀与直径D之比必须满足下式

如果H/D>1.5，应把橡胶分成若干段，并在橡胶之间垫上钢垫圈，常用断面的橡胶尺寸按表2-53中的公式计算。

表2 - 53 常用断面的橡胶垫尺寸计算

（6）聚氨酯橡胶

1）聚氨酯橡胶的主要性能。聚氨酯橡胶是聚酯型聚氨基甲酸酯和氨基甲酸乙酯橡胶的简称。它是一种优良的弹性元件材料，其特点是质量轻、弹性大、硬度高、耐磨、耐冲击、强度高且易于成形。其主要特性见表2-52。使用时常将聚氨酯橡胶制造成带孔或不带孔的圆柱体或长方体，统称聚氨酯橡胶垫（图2-59），在冲模中作为卸料、压料和顶件等。

聚氨酯橡胶的使用寿命比普通橡胶高得多，一般可达20万次以上。在相同尺寸的情况下，相同硬度的聚氨酯橡胶与普通橡胶比，聚氨酯橡胶所允许的承载能力要比普通橡胶大6～8倍。因此，当需承载压力一定时，利用聚氨酯橡胶作为弹性元件，可以减小弹性垫和模具的体积。

图2-59 常用聚氨酯橡胶垫

a）长方体 b）圆柱体 c）空心圆柱体

实验证明，在相同压缩量的情况下，相同硬度（HS70A）的聚氨酯橡胶比普通橡胶具有更大的弹性（图2-60）。并且压缩时的应力和应变关系呈非线性，因而在冲模上被广泛应用。

2）聚氨酯橡胶弹性垫的尺寸及应用。各国家均有聚氨酯橡胶弹性垫的标准，我国的标准为JB/T7650.9—1995，规定的尺寸见表2-55，聚氨酯橡胶弹性垫的压缩量与工作载荷的关系见表2-56。

当使用聚氨酯橡胶弹性垫时，应注意下列两点：

① 预压缩量应大于总高度H₀的1%，即取预压缩量h=（0.1～0.3）H₀。

图2-60 聚氨酯橡胶与普通橡胶承载能力的比较

1—普通橡胶（HS70A） 2—聚氨酯橡胶（SH70A）

② 当H₀/D>1.5时，为防止失稳，应将H₀分成若干件，并在各件之间垫上一块3～4mm厚的钢垫板，以便弹性垫变形均匀。

表2 - 54 聚氨酯橡胶的主要性能

表2-55 聚氨酯橡胶弹性垫尺寸 （单位：mm）

表2 - 56 聚氨酯橡胶弹性垫的压缩量与工作载荷的关系

注：表中工作负荷是硬度值为HS80A±5条件下的计算值，若采用其他硬度的聚氨酯的聚氨酯橡胶时，应乘以修正系数，修正系数见表2-57。

表2-57 弹压力修正系数