氮氣彈簧密封件自動裝配機的設計

劉永亞，方素平，邵振振

（合肥工業大學，安徽 宣城 242000)

0 引言

氮氣彈簧是一種將高壓氮氣密封在密閉容器內的新型彈性元件，與傳統的彈性元件彈簧，橡膠，氣墊等相比，具有占用空間少、初始彈壓力大、工作過程中彈壓力基本恒定等優點，被廣泛應用于汽車、電子、輕工等行業，主要應用在模具上，并逐步取代傳統的彈性元件。隨著模具設計水平提高，氮氣彈簧市場需求迅速增加，而氮氣彈簧多采用國外進口品牌，國內產品產量不足是其中一個重要影響因素。

目前氮氣彈簧的組裝目前多采用手工裝配，存在以下問題：① 裝配效率低，以湖南某氮氣彈簧生產廠家為例，擁有職工85人，氮氣彈簧的年產量僅為10萬支，難以滿足日益增長的氮氣彈簧市場需求；② 裝配質量不穩定，特別在裝配C型環時，容易刮傷柱塞桿，造成動密封件磨損加劇，影響氮氣彈簧的使用壽命。

目前針對氮氣彈簧的研究主要集中在以下幾個方面：氮氣彈簧結構優化設計[1]；氮氣彈簧密封性能研究[2-3]。而與氮氣彈簧自動組裝方法相關的研究很少。文獻[4]中提到一種鋼絲擋圈的快速安裝裝置，適應產品型號比較單一，設備調整時間長。氮氣彈簧型號較多，為適應自動裝配提出氮氣彈簧密封件裝配單元模塊化設計，減少設備調整時間。

基于低成本自動化和模塊化設計，氮氣彈簧密封件自動裝配機設備成本較低，調整時間短，并且能夠適應多種型號氮氣彈簧的裝配[5-6]，研發氮氣彈簧的自動組裝方法及其設備有實用價值。

1 氮氣彈簧結構與裝配工藝

1.1 氮氣彈簧結構

氮氣彈簧的結構通常分為：柱塞式和活塞式兩大類型。不同氮氣彈簧生產廠家生產的氮氣彈簧內部結構不同，圖1為一種柱塞式氮氣彈簧結構形式。密封件多數裝配在柱塞套上，包括防塵密封圈、導向環、U形密封圈、擋圈和O形密封圈，密封件與柱塞套組裝成柱塞套組件。C型環起限位作用，防止柱塞套組件與柱塞桿在高壓氮氣的作用下沖出缸體。

1.2 氮氣彈簧裝配工藝

氮氣彈簧手工組裝的一般工藝流程[7]，如圖2所示。柱塞套組件裝配完成后需要在內壁涂抹潤滑油，為下一步壓入柱塞桿準備。完成缸體裝配后需要進行C型環的裝配，最后則是充氣閥、堵頭及防塵罩的裝配。

氮氣彈簧裝配過程的難點主要包括：

1）不同型號氮氣彈簧柱塞套組件尺寸不同，自動裝配過程中需要保證不同直徑柱塞套的可靠夾持。本設計采用基于V型塊的隨行夾具，實現不同直徑柱塞套的夾持。

2）柱塞套內徑較小時，手工涂抹潤滑油存在涂抹困難與涂抹不均勻的問題。如以興達氮氣彈簧MQB10.0為例，其柱塞套內徑僅為30 mm，本文設計潤滑油自動噴涂機構，實現潤滑油快速均勻涂覆。

圖1 柱塞式氮氣彈簧Fig.1 Plunger type nitrogen spring

圖2 氮氣彈簧手工裝配工藝圖Fig.2 Manual assembly process of nitrogen spring

3）氮氣彈簧C型環的安裝多借助起子手工安裝，容易出現劃傷柱塞桿的情況，造成裝配效率低，裝配質量不易保證。本文設計C型環自動上料及自動壓裝來提高裝配質量及效率。

2 總體方案設計

根據氮氣彈簧密封件的特點，采用回轉型布局，配合隨行夾具進行密封件的裝配，總體設計方案如圖3所示。間歇回轉機構圓盤上共有六個工位，包括上料工位、防塵密封圈裝配工位、U形密封圈裝配工位、O形密封圈裝配工位、潤滑油噴涂工位和下料工位。圓盤上安裝隨行夾具組件，由凸輪分割器和步進電機驅動。凸輪分割器回轉定位分割精度為±30",反映到隨行夾具組件與工件周向定位精度為0.039 mm，考慮到圓盤加工精度，夾具制造精度與安裝誤差的影響，工件徑向定位精度為±0.1 mm，周向定向精度為±0.12 mm。對于不同型號的密封件采用振動盤自動上料時，調整較難。擬采用彈匣式上料，只調整倉匣可以適應不同型號密封件上料。

圖3 總體方案設計Fig.3 Overall program design

圖4 柱塞套隨行夾具設計Fig.4 Plunger sleeve accompanying fixture design

3 關鍵機構設計

3.1 柱塞套隨行夾具設計

不同型號氮氣彈簧柱塞套組件尺寸不同，以柱塞套為基礎件時需要考慮隨行夾具可以適應不同型號氮氣彈簧的裝配。本文設計柱塞套隨行夾具結構如圖4(a)所示，隨行夾具組件依靠壓縮彈簧的彈壓力與V型塊對柱塞套進行可靠定位。

如圖4(b)所示，為柱塞套定位夾緊力示意圖，aF為工件在間歇回轉機構轉位時產生的離心力，F為壓縮彈簧產生的彈壓力。h為工件重心距離固定板的高度（單位：mm），V型塊高度25 mm，橡膠壓塊高度 19 mm。間歇回轉機構的工作節拍由裝配用時最多的工位決定，大小為7.5 s，轉位時間與定位時間之比為1:2，轉位時間2.5 s，定位時間5 s，轉位角度為π/6，由式(1)可估算轉位時的角速度，工件回轉產生的離心力可由式(2)計算。

式中，ω為轉位時的角速度(rad/s) ，θ為轉位角度(rad) ，1t為轉位時間(s) ，aF為工件回轉產生的離心力(N) ，1M 為工件重量(kg)，R為工件有效回轉半徑(mm)。

代入數據可得：

不同型號氮氣彈簧柱塞套高度不同（重心距離固定板高度不同），直徑不同，重量不同。依據裝備可裝配的最大尺寸工件進行設計計算，工件離心力和V型塊共同作用下產生的傾覆力矩，壓縮彈簧彈壓力需要克服圖4(a)中直線導軌滑動產生的阻力和導向軸在固定座內滑動產生的阻力（兩者阻力之和大小為5 N）才能作用在工件上，由于離心力相對較小，彈簧初始彈壓力設為12.5 N，選擇壓縮彈簧型號為VUR10-80，預壓縮高度為25 mm。可適應柱塞套的重量范圍為0.3~2.5kg，距離固定板的重心高度h范圍為25~50 mm，直徑范圍為45~85 mm。

圖6 潤滑油自動噴涂機構Fig.6 Automatic paint spraying mechanism圖7 噴嘴高度示意圖Fig.7 Nozzle height diagram

3.2 潤滑油自動噴涂機構

潤滑油自動噴涂機構[8]示意圖如圖6所示，升降氣缸帶動噴嘴上下移動，油管一端連接耐油鋼管另一端連接潤滑油存儲油罐，油罐與油管之間連接有電磁閥和流量調節閥，控制潤滑油的供給。噴嘴型號為米思米NART2-0.7，噴射形狀為圓環形，噴射角度為75°，在流體壓力為0.4 MPa時的流量為0.27/minλ。柱塞套組件內徑D=30 mm，如圖7所示，噴嘴距離柱塞套組件的高度為H，所需高度可由式(5)計算得到。

代入數據可得，H=19.548 mm，為避免潤滑油浪費，可通過圖6中調整限位螺栓設置高度16 mm≤ H≤19 mm。噴嘴移動距離由行程可調型升降氣缸控制，為減少行程末端氣缸引起的沖擊，氣缸選擇帶緩沖型。

3.3 C型環壓裝單元結構設計

C型環裝配結構設計,如圖8所示。C型環上料前，定位套處于下端，末端執行器手指處于收縮狀態。C型環上料完成后圖8(a)中定位氣缸退回，在壓縮彈簧的彈壓力作用下推板帶動定位套上移，末端執行器的手指在壓縮彈簧作用下張開捕獲C型環，完成自動上料的動作。圖8(b)末端執行器下移將C型環壓入內錐套筒，在壓裝單元氣缸和內錐套筒作用下C型環被壓縮導致外徑變小，推動C型環到達裝配位置后，壓縮狀態的C型環依靠自身彈性自動裝入安裝槽內，末端執行器退回初始位置，完成C型環裝配一次循環。

針對不同型號C型環壓裝需更換不同規格的定位套，不同內徑的定位套可以使末端執行器手指張開的角度不同，可以適應于不同型號的C型環壓裝。使用彈簧固定夾可實現定位套的可靠定位與快速更換，其中適用于MQB10.0型號氮氣彈簧C型環裝配的定位套內徑為51.5 mm，高度為8 mm。圖8(a)中定位氣缸行程為30 mm，壓裝氣缸行程為83 mm，其中10 mm為可調行程。

圖8 C型環裝配結構設計Fig.8 Assembly structure design of C-ring

4 結論

本文應對氮氣彈簧自動裝配的市場需求，設計了氮氣彈簧密封件自動裝配機[9-10]，可滿足大批量自動化生產的需求，具有較高的實用價值。具體結果如下：

1）采用多工位間歇回轉方案設計與基于V型塊的柱塞套隨行夾具設計，可實現不同直徑柱塞套的快速定位與自動可靠夾持。

2）設計了潤滑油自動噴涂機構，可實現潤滑油快速均勻涂覆，解決傳統手工涂抹潤滑油存在涂抹困難與涂抹不均勻的問題。

3） 完成了C型環自動壓裝單元的結構設計，可提高C型環裝配效率的同時避免柱塞桿與缸體的劃傷，提高裝配質量。

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