专利名称：一种具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及弹性元件技术领域，尤其是模具用弹性元件技术领域，具体是一种具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧。
技术背景随科学技术不断发展，工业领域对弹性元件的要求越来越高，既要求弹性元件满足机械结构设计的各种需要，又要求弹性元件的性能带来产品质量的提高。例如，模具工业一直大量使用常规弹性元件，但由于弹簧橡皮所产生的弹性力随着压缩量的增加成正比增加而不能在工作过程中保持恒定压力，这给成形工艺特别是拉深工艺带来了致命的影响。在拉深成形大型复杂零件时，往往需要在不同的部位有不同的压边力和成形力，并且需要力基本恒定，常规弹性元件(橡皮、弹簧)不能满足工艺的需要，从而导致工件起皱或破裂，影响产品质量，造成生产成本提高，如果用氮气缸作为新型弹性功能部件便可以解决以上问题。
氮气是一种惰性气体，无毒、无腐蚀、不然烧，工作安全可靠。氮气缸或氮气缸弹压装置就是利用氮气的可压缩性来行使弹簧功能的部件，它的结构由柱塞(活塞)、缸体、密封部分、导向部分、充气结构组件、润滑系统等几大部分组成。
氮气弹簧使用压力在10-15MPa，对于往复轴运动气缸在这此压力下要保证一定的寿命指标，实际上就是要保证氮气缸高压氮气的密封效果。氮气弹簧的密封分为动密封和静密封，众所周知，静密封技术比较成熟，而往复轴的高压气体动密封是一个难解决的关键技术问题。因此，动密封结构设计的可靠性就成为氮气弹簧成败的关键。
在工业发达国家，氮气弹簧已经成为模具的主要配件而取代常规弹性元件，目前，我国进口的部分模具中采用了氮气弹簧技术，因密封技术等原因，我国未开发和生产该产品，但模具技术上台阶并与国际接轨成为必然趋势，氮气弹簧的研究与开发应用势在必行，具有广阔的发展前景。
发明内容
本实用新型针对高压氮气动密封的可靠性问题，设计出一种具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧，保证往复轴高压氮气动密封的可靠性，结构简单、安装方便、加工制造易保证精度。
实现上述发明目的的技术方案如下一种具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧，它包括有柱塞、缸体、柱塞密封套以及密封部分、导向部分和充气结构组件，柱塞密封套装于缸体上端，柱塞穿过柱塞密封套伸出缸体，缸体内充有氮气，缸体底部安装充气结构组件。
本弹簧的密封部分分为动密封结构和静密封结构，静密封结构设计由O型静密封圈和挡圈组成，设置于与缸体具有静配合关系的柱塞密封套外缘的凹槽内。为了保证动密封的可靠性，本实用新型将动密封结构设计由滑环作为主密封环和O型密封圈作为辅助弹性密封元件形成滑环组合密封，装于与柱塞具有动配合关系的柱塞密封套内侧的凹槽中，径向组合。该组合密封属接触型自紧式密封，安装时，先给弹性体密封元件缸径方向一定量的压缩量阻止气体可能通过O型密封圈和主密封环之间以及O型密封圈和沟槽之间流过，起到初始密封作用。在高压气体作用下，O型密封圈发生形变，并挤压主密封环，使主密封环与金属表面的接触应力增加，挤压应力增大，起到自紧式密封的作用。
同时，本设计注意到了弹簧运动部件摩擦给弹簧动密封带来的影响。运动副在工作中产生摩擦，如润滑效果不好或无润滑，运动副的机械能将转换为热能，使氮气弹簧升温而破坏氮气的绝热压缩和膨胀过程，同时，还会加剧运动副的摩擦磨损，气体泄漏，从而缩短动密封的寿命，因此，氮气弹簧必须润滑，且只能在气室内部进行。针对此问题，本实用新型的解决方式是将滑环组合密封中的滑环采用聚四氟乙烯为主材制造。聚四氟乙烯滑环与金属的摩擦系数是所有固体中最低的，具自润滑作用，这一点正符合氮气弹簧设计需要。聚四氟乙烯滑环与金属对磨时，磨下的微粒粘附于金属微粗糙的表面，最后形成塑料与塑料之间的摩擦，保护了金属表面。这种密封能在干摩擦条件下使用，解决了气体动密封的润滑问题。但聚四氟乙烯耐磨性较低，必须填充青铜粉、玻纤、石墨、二硫化钼等材料，以提高它的耐磨性和使用寿命。
另外，本设计还考虑到了导向结构稳定性对动密封结构的影响。氮气弹簧的弹压力是通过柱塞杆对高压氮气反复压缩与膨胀来传递的，如果柱塞杆导向精度不高或导向长度太短，都会引起偏载使运动不平稳，造成运动副磨损严重，密封效果差，缩短密封寿命。因此，导向结构设计应保证运动的稳定性和具抗偏载的能力。本实用新型采用双耐磨导向环来保证运动稳定性，双耐磨导向环装于与柱塞具有动配合关系的柱塞密封套内侧的凹槽中，其结构和与运动件配合精度能保证抗偏载能力。
进一步，为了配合上述动密封结构达到更好的密封效果，本弹簧的导向环主材也采用聚四氟乙烯，使之能够自润滑，进一步还在各密封部分的装配部位注入有内循环的高速泵润滑油。
另外，动密封的寿命与相对滑动表面的材质、加工精度、加工方法、润滑情况及环境污染等因素有关，因此需要保证密封件及相关构件的制造精度和表面粗糙度。本实用新型的解决方式是对柱塞杆进行耐磨表面处理，并进行珩磨或镜面磨削，保证制造尺寸精度和表面粗糙度，金属表面粗糙度Ra0.2-0.4um以下，硬度50HRC以上，使动密封与滑动金属表面耐磨性好、抗粘合能力强、承压能力强、摩擦阻力小、运动平稳。
由上述结构设计及分析可见，本实用新型通过采用滑环组合密封做为动密封结构的主体，它利用了聚四氟乙烯与金属表面接触作滑动摩擦面，又充分利用了弹性O型密封圈随压力的增加自紧式密封的优点，用作往复轴密封具有独特的优势，其结构简单、紧凑、轴向尺寸小；同时采用了双耐磨导向环来保证运动稳定性，其结构和与运动件配合精度能保证抗偏载能力，保证密封效果；另外还通过润滑油增强部件润滑效果，通过密封件及相关构件的表面耐磨处理，增加其耐磨性、承压能力，减小摩擦阻力，从而更有效地本弹簧往复轴高压氮气动密封的可靠性。
图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
以下结合图来说明本实用新型的结构参见图1，本氮气弹簧由滑环1、O型密封圈2、O型静密封圈3、挡圈4、柱塞密封套5、导向环6、柱塞7、防尘圈81、82、钢丝卡环9、缸体10、进气装置11、防护螺钉12组成。另外设计有专门的可调压力和显示氮气瓶压力及氮气弹簧内压力的充气系统。
本氮气弹簧的高压氮气静密封结构由O型静密封圈3、挡圈4组成，设置于与缸体10具有静配合关系的柱塞密封套5外缘的凹槽内，O型静密封圈3在缸径方向压缩变形起密封作用，为防止O型静密封圈单向受力变形被挤入缝隙中，特装入挡圈4。
本氮气弹簧的高压氮气动密封结构主要由滑环1和O型密封圈2形成滑环组合密封，径向组合，装于与柱塞7具有动配合关系的柱塞密封套5内侧的凹槽中，在缸径方向两个密封件受预压变形而起初始密封作用，受工作压力后滑环受轴向压力而沿缸径方向变形膨胀从而使密封效果加强。
为了解决气体动密封干摩擦状态引起摩擦力大、磨损严重，高压气体产生泄漏，降低动密封寿命，我们在氮气弹簧装配时缸内注入了少量特制润滑油；滑环1采用具润滑作用的聚四氟乙烯制造；设置两个运动高耐磨导向环6，也采用聚四氟乙烯材料制造，双耐磨导向环6装于与柱塞7具有动配合关系的柱塞密封套5内侧的凹槽中。以上三方面的润滑作用确保了动密封润滑效果，把摩擦磨损降低到最低程度，从而保证了动密封寿命。
为了解决滑环1、导向环6与柱塞7轴向运动时不因运动部件机械加工精度、硬度和表面粗糙度问题引起气体泄漏，柱塞7要进行耐磨性和镜面磨削处理，使运动部件之间长久保持平整光滑接触，把气体泄漏降低到最低程度，提高动密封寿命。
装配过程如下各种零件加工完毕，经检验合格。首先，用专用工具安装静密封—O型静密封圈3和挡圈4，然后安装动密封—滑环1和O型密封圈2形成的组合密封，之后安装两条耐磨导向环6和柱塞上防尘圈81，密封部分安装完毕。把柱塞7通过专用夹具平稳装入柱塞密封套5内，然后把柱塞密封套5和柱塞7组件平稳装入缸体1内，再安装钢丝卡环9和缸体上防尘圈82。气缸组合后，装入专用进气装置11，通过与充气系统连接开始充气，达到压力要求压力后(10-15MPa)关闭充气系统，盖上防护螺钉12。在气压作用下柱塞密封套5和柱塞7组件平稳上升，到钢丝卡环9处被挡住限位，事先应在缸内注入设计要求的少量高速泵润滑油。
本实用新型的密封结构也适合于在活塞式氮气弹簧中使用。
权利要求1.一种具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧，弹簧包括有柱塞、缸体、柱塞密封套以及密封部分、导向部分和充气结构组件，柱塞密封套装于缸体上端，柱塞穿过柱塞密封套伸出缸体，缸体内充有氮气，缸体底部安装充气结构组件，其特征在于密封部分分为动密封结构和静密封结构，其中动密封结构由滑环和O型密封圈形成滑环组合密封，装于与柱塞具有动配合关系的柱塞密封套内侧的凹槽中，滑环组合密封中的滑环采用聚四氟乙烯为主材制造；静密封结构由O型静密封圈和挡圈组成，设置于与缸体具有静配合关系的柱塞密封套外缘的凹槽内；所述导向部分采用双耐磨导向环，装于与柱塞具有动配合关系的柱塞密封套内侧的凹槽中。
2.根据权利要求1所述的具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧，其特征在于导向环的主材采用聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧，其特征在于各密封部分的装配部位注入有高速泵润滑油。
4.根据权利要求1所述的具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧，其特征在于柱塞表面粗糙度Ra0.2-0.4um以下，硬度50HRC以上。
专利摘要本实用新型涉及一种具有高可靠性动密封结构的氮气弹簧，弹簧包括柱塞、缸体、柱塞密封套以及密封部分、导向部分和充气结构组件。其中密封部分分为动密封结构和静密封结构，动密封结构由滑环和O型密封圈形成滑环组合密封，装于与柱塞具有动配合关系的柱塞密封套内侧的凹槽中，滑环组合密封中的滑环采用聚四氟乙烯为主材制造；静密封结构由O型静密封圈和挡圈组成，设置于与缸体具有静配合关系的柱塞密封套外缘的凹槽内。导向部分采用双耐磨导向环，装于与柱塞具有动配合关系的柱塞密封套内侧的凹槽中。本实用新型能保证往复轴高压氮气动密封的可靠性，结构简单、安装方便、加工制造易保证精度。
文档编号F16F13/00GK2725624SQ200420061328
公开日2005年9月14日 申请日期2004年9月16日 优先权日2004年9月16日
发明者彭成允, 邓明, 黄伟九, 陈康 申请人:重庆工学院