KR101461373B1 - 스프링 및 이를 형성하는 방법들 - Google Patents

Abstract

씰은 중합체 재킷의 길이를 따라 중합체 재킷 내에서 연장되는 내측 공동 및 씰 표면을 한정하는 중합체 재킷을 포함한다. 씰은, 복수의 레이저 절단 스프링 요소를 포함하고 내측 공동 내에서 연장되는 스프링을 더 포함한다. 씰은 정적 요소와 회전 요소 사이에 배치될 수 있다.

Description

스프링 및 이를 형성하는 방법들{SPRINGS AND METHODS OF FORMING SAME}

본 발명은 일반적으로 스프링들, 이러한 스프링들을 이용한 씰(seal)들, 및 이러한 스프링들 및 씰들을 형성하는 방법들에 관한 것이다.

스프링은 특정 방향으로 힘을 가하기 위해서 다양한 산업들에서 사용된다. 특히, 스프링들은 소정의 표면에 접촉하도록 밀봉 재료를 압박하고 서로에 대해 이동하는 부품들 사이의 밀봉의 형성을 촉진하기 위해 밀봉 적용들에서 사용된다. 이러한 씰들에 유용한 스프링들은 나선형의 둥근 리본 또는 접힌 평평한 스톡 스프링(flat stock spring)들을 포함할 수 있다.

접힌 평평한 스톡 스프링들은 종래에는 스탬핑 공정을 통해 형성되었다. 종래에는, 평평한 스톡은 패턴을 평평한 스톡 내로 스탬핑하는 스탬핑 기계에 공급되고, 패터닝된 평평한 스톡은 뒤이어서 평평한 스톡 스프링을 형성하도록 접힌다. 이러한 스프링들은 환형 씰들 또는 페이스 씰들과 같은 씰들 내에 포함될 수 있다.

그러나, 종래의 스탬핑 공정은 스탬핑된 형상, 특히 엣지들 주위에 응력을 발생시킨다. 게다가, 스탬핑은 상당히 많은 양의 폐기물을 초래하고, 스프링의 엣지에 버(burr)들 및 원치 않는 날카로운 돌출부들을 형성할 수 있다. 게다가, 이러한 종래의 스탬핑 공정들은 금속 구성요소들의 연속공정에 적합하지 않고, 이와 같이, 배치(batch) 공정들로 실행되는 경향이 있으며, 생산효율을 저하시킨다.

따라서, 개선된 스프링 및 이러한 스프링들을 제조하기 위한 방법이 바람직할 것이다.

첨부된 도면들을 참고함으로써 본 발명이 더 잘 이해될 수 있고 본 발명의 많은 특징들 및 이점들이 본 기술 분야의 기술자들에게 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 씰을 도시한 사시도이다.
도2는 도 1에 도시한 예시적인 씰과 같은 예시적인 씰을 도시한 단면도이다.
도 3은 예시적인 씰을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 예시적인 씰과 같은 예시적인 씰을 도시한 단면도이다.
도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 예시적인 스프링 패턴의 도면들이다.
도 9는 예시적인 레이저 절단장치의 도면이다.
도 10은 스프링들을 제조하기 위한 예시적인 시스템의 도면이다.
도 11, 도 12 및 도 13은 평평한 스톡 재료의 절단 엣지들의 도면들이다.
상이한 도면들에서의 동일한 참조부호들의 사용은 유사하거나 동일한 항목들을 표시한다.

특정 실시예에서, 스프링을 형성하는 방법은 평평한 스톡 또는 금속 박판의 리본을 배출하는 단계, 리본을 따라서 길이방향으로 분포되는 복수의 스프링 요소를 형성하기 위해 레이저 절단장치로 평평한 스톡 또는 금속 박판 을 절단하는 단계 및 스프링을 형성하기 위해 레이저로 절단된 리본을 접는 단계를 포함한다. 일 예에서, 접는 단계는 길이방향 주름을 형성하기 위해 접는 단계를 포함한다. 특히, 이와 같은 접는 단계는 리본 또는 평평한 스톡을 V자 형상 또는 U자 형상의 단면을 가지는 스프링으로 형성할 수 있다. 게다가, 스프링 요소들은 소정 위치에 배치되었을 때 씰 재킷과 같은 다른 물체를 미는 가지(tine)들, 루프들 또는 다른 구조들을 포함할 수 있다. 특정 예에서, 스프링은 씰을 형성하기 위해 환형 재킷과 같은 씰 재킷의 공동에 삽입될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 스프링을 형성하는 방법은 튜브를 배출하는 단계 및 스프링을 형성하기 위해 튜브를 레이저로 절단하는 단계를 포함한다. 일 예에서, 레이저 절단은 튜브의 원주에 둘레에 절단된 나선형을 초래한다. 튜브는 절단 중에 회전될 수 있다. 레이저로 절단된 튜브는 씰 재킷의 공동에 삽입될 수 있다.

도 1에 도시한 실시예에서, 씰(100)은 재킷(102) 및 재킷(102)의 공동(106) 내에 배치되는 스프링(104)을 포함한다. 도시한 바와 같이, 씰(100)은 환형 씰로서, 예를 들어 축 주위의 완형 공간에 배치될 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 씰(100)은 구성요소(208)의 환형 영역(214) 내에 배치될 수 있다. 스프링(104)은 축(212)을 중심으로 회전하는 회전 요소(210)에 접촉하도록 재킷(102)을 압박한다. 스프링(104)의 측벽(110)은 이동 및 고정 구성요소들(210, 208)에 대한 접촉을 유지하기 위해 재킷(102)의 측벽들(112)을 압박한다.

재킷(102)은 중합체 재료 또는 중합체 재료를 포함하는 복합재료로 형성될 수 있다. 중합체 재료는 엔지니어링 또는 고성능 열가소성 중합체와 같은 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 열가소성 재료는 폴리케톤, 폴리아라미드, 열가소성 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설폰, 폴리아미드이미드, 초고분자량 폴리에틸렌, 열가소성 불소 중합체, 폴리아미드, 폴리벤즈이미다졸, 액정 중합체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 중합체를 포함할 수 있다. 일 예에서, 열가소성 재료는 폴리케톤, 폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 설폰, 불소 중합체, 폴리벤즈이미다졸, 이들의 유도체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 특정 예에서, 열가소성 재료는 폴리케톤, 열가소성 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 설폰, 폴리설폰, 폴리아미드이미드, 이들의 유도체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 중합체를 포함한다. 또 다른 예에서, 열가소성 재료는 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 케톤 케톤, 폴리에테르 케톤 에테르 케톤 케톤, 이들의 유도체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 폴리케톤을 포함한다. 열가소성 불소 중합체의 일 예는 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 퍼플루오로알콕시(PFA), 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 비닐리덴 플루오라이드의 삼원 중합체(THV), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 에틸렌 및 플루오로화 에틸렌 프로필렌의 공중합체(EFEP), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 에틸렌의 삼원 중합체(HTE), 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 액정 중합체의 일 예는 XYDAR(Amoco), VECTRA(Hoechst Celanese), SUMIKOSUPER 또는 EKONOL(Sumitomo Chemical), DuPont HX 또는 DuPont ZENITE(E.I DuPont de Nemours), RODRUN(Unitika), GRANLAR(Grandmont)의 상표명들로 이용 가능한 것들, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 방향족 폴리에스테르 중합체들을 포함한다. 또 다른 예에서, 열가소성 중합체는 초고분자량 폴리에틸렌일 수 있다.

복합재료는 또한 고체 윤활제, 세라믹 또는 무기 충전재(mineral filler), 중합체 충전재, 섬유 충전재, 금속미립자 충전재, 염들, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 충전재를 포함할 수 있다. 예시적인 고체 윤활제는 폴리테트라플루오로에틸렌, 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐, 흑연, 그래핀, 팽창 그래핀, 질화붕소, 활석, 불화칼슘, 불화세륨, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예시적인 세라믹 또는 무기물(mineral)은 알루미나, 실리카, 이산화 티타늄, 불화칼슘, 질화붕소, 운모, 규회석, 탄화규소, 질화규소, 지르코니아, 카본블랙, 안료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예시적인 중합체 충전재는 폴리이미드, 액정 중합체, 폴리벤즈이미다졸, 폴리테트라플루오로에틸렌, 위에 열거된 열가소성 중합체들 중 임의의 것, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예시적인 섬유는 나일론 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리아라미드 섬유, 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유, 현무암 섬유, 흑연 섬유, 세라믹 섬유, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예시적인 금속은 청동, 구리, 스테인레스 스틸, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예시적인 염은 황산염, 황화물, 인산염, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일 실시예에서, 복합재료는 탄성재료일 수 있다. 영률은 복합재료의 강성의 척도일 수 있고, 재료의 샘플에 대한 인장시험 중에 응력-변형률 곡선의 기울기로부터 결정될 수 있다. 복합재료는 적어도 약 0.5 GPa, 바람직하게는 적어도 약 1.0 GPa, 보다 바람직하게는 적어도 약 3.0 GPa, 가장 바람직하게는 적어도 약 5.0 GPa의 영률을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 복합재료는 상대적으로 낮은 마찰계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 복합재료의 마찰계수는 약 0.4 이하, 바람직하게는 약 0.2 이하, 보다 바람직하게는 약 0.15이하일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 복합재료는 비교적 높은 연신율을 가질 수 있다. 예를 들어, 복합재료는 적어도 약 20%, 바람직하게는 적어도 약 40%, 보다 바람직하게는 적어도 약 50%의 연신율을 가질 수 있다.

도 1을 참고하면, 스프링(104)은 스프링을 형성하기 위해 접히거나 구부려진 레이저 절단 평평한 스톡 재료로 형성된다. 예시적인 평평한 스톡 재료는 금속 또는 금속합금으로 형성된다. 금속합금은 스테인레스 스틸; 베릴륨 구리 및 구리 크롬 아연합금과 같은 구리합금; Hastelloy, Ni220, Phynox 또는 Elgiloy와 같은 니켈합금; 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 게다가, 스프링은 금, 주석, 니켈, 은 또는 이들의 임의의 조합과 같은 도금 금속으로 도금될 수 있다.

평평한 스톡은 0.254 mm (10 밀(mil)) 이하, 바람직하게는 0.127 mm (5 밀) 이하, 보다 바람직하게는 0.076 mm (3 밀) 이하의 두께를 가질 수 있다. 특히, 평평한 스톡의 두께는 0.025 mm 내지 0.127 mm (1 밀 내지 5 밀), 바람직하게는 0.025 mm 내지 0.076 mm (1 밀 내지 3 밀), 보다 바람직하게는 0.038 mm 내지 0.064 mm (1.5 밀 내지 2.5 밀)의 범위 내에 있을 수 있다. 또 다른 예에서, 두께는 0.051 mm 내지 0.254 mm (2 밀 내지 10 밀), 바람직하게는 0.076 mm 내지 0.254 mm (3 밀 내지 10 밀), 보다 바람직하게는 0.127 mm 내지 0.254 mm (5 밀 내지 10 밀)의 범위 내에 있을 수 있다. 일 예에서, 평평한 스톡은 10 인치 이하, 바람직하게는 5 인치 이하의 폭을 가지는 리본 형태로 제공된다. 예를 들어, 리본은 0.5 인치 내지 10 인치, 바람직하게는 0.5 인치 내지 5 인치, 보다 바람직하게는 0.5 인치 내지 3 인치의 범위 내의 폭을 가질 수 있다. 게다가, 리본의 폭에 대한 리본으로부터 형성된 스프링 가공물의 폭의 비는 적어도 0.9, 바람직하게는 적어도 0.95일 수 있다. 특정 예에서, 리본의 폭에 대한 절단된 스프링 가공물의 폭의 비는 약 1.0이다.

재킷(102)은 스프링(104)이 배치되는 환형 공동(106)을 한정한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 개구부(108)를 통해, 재킷(102) 내에서 연장되는 공동(106)에 접근할 수 있다. 도시한 바와 같이, 개구부(108)는 씰(100)의 축방향 측면에 위치된다. 축방향 측면은 이 측면을 통해 씰(100)의 축에 평행한 선이 연장되는 측면이다. 또는, 개구부(108)는 씰(100)의 반경방향 측면에 형성될 수 있다. 반경방향 측면은 이 측면을 통해 씰(100)의 축으로부터 연장되는 반경방향 선이 연장되는 측면이다. 일 예에서, 개구부(108)는 씰(100)의 반경방향 내측면 상에 배치되어 축을 대면한다. 또는, 개구부(108)는 반경방향 내측면보다도 축에서 멀리 씰(100)의 반경방향 외측면 상에 배치된다.

예를 들어, 도 3은 예시적인 씰(300)의 도면이며, 씰(300)은 재킷(302) 및 재킷(302)의 공동(306) 내에 배치되는 스프링(304)을 포함한다. 도시한 바와 같이, 공동(306)에 대한 개구부(308)는 씰(300)의 반경방향 내측면 상에 배치된다. 이러한 씰 구성은 특히 도 4에 도시한 페이스 씰로서 유용하다. 예를 들어, 씰(300)은 축(412) 주위의 블록(408)의 환형 공간 내에 배치될 수 있다. 축(412)을 중심으로 회전하는 회전 요소(410)는 씰(300)에 접촉하도록 배치될 수 있다. 스프링(302)은 회전 요소 (410)의 표면에 대해 재킷(302)의 측벽을 압박한다.

스프링을 형성하기 위해, 스프링 패턴을 레이저로 절단하여 평평한 스톡 리본을 형성한다. 스프링 패턴은 리본을 따라 길이방향으로 분포되는 복수의 스프링 요소를 포함한다. 길이방향이란 리본 또는 튜브의 가장 긴 치수에 평행한 방향을 의미하고 횡방향이란 길이방향 치수 및 두께에 수직으로 연장되는 리본 또는 튜브의 단면 치수를 의미한다. 일반적으로, 횡방향 치수는 리본 또는 튜브의 두 번째로 긴 직교 치수이다. 일 예에서, 스프링 요소들은 횡방향으로 연장될 수 있고 스프링 몸체에 연결될 수 있는 가지들, 루프들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

도 5에 도시한 예에서, 스프링(500)은 루프들(504)을 형성하는 레이저 절단 패턴을 포함하고 루프들은 평평한 스톡 리본의 폭에 걸쳐서 횡방향으로 연장된다. 패터닝 후에, U자형 스프링을 형성하도록 스프링(500)을 길이방향 주름들(502)을 따라 구부릴 수 있다. 또는 길이방향으로 연장되는 하나 이상의 주름을 따라 스프링(500)을 구부릴 수 있다. 예를 들어, V자 형상을 형성하도록 하나의 길이방향 주름을 따라 스프링(500)을 구부릴 수 있다. 또는, 단면에서 볼 때 더 복잡한 구조를 형성하도록 셋 이상의 길이방향 주름을 따라 스프링(500)을 접을 수 있다.

도 6에 도시한 또 다른 예에서, 스프링(600)은 도 5에 도시한 패턴보다 더 얇은 단면치수를 가지는 루프들(604)을 포함할 수 있다. 일단 형성되면, 패턴(600)이 루프들(604)을 형성한다. 스프링을 형성하기 위해 패턴을 따라 길이방향으로 연장되는 접는선들(602)을 따라 접혀질 수 있다.

도 7에 도시한 또 다른 예에서, 패턴(700)은 몸체(706)로부터 횡방향으로 연장되는 가지들(704)을 포함할 수 있다. 스프링을 형성하기 위해 길이방향 접는선들(702)을 따라 패턴(700)을 접을 수 있다.

도 8에 도시한 추가적인 예에서, 패턴(800)은 크로스 피스(cross-piece)들(806)에 의해 연결되는 연속적인 스트립들(804)로 구현될 수 있다. 이러한 패턴(800)은 U자형 또는 V자형 스프링을 형성하기 위해 길이방향의 접는선들(802)을 따라 접힐 수 있다.

또는, 스프링은 레이저 절단 튜브로 형성될 수 있다. 튜브는 평평한 스톡과 관련하여 위에서 설명한 금속 또는 금속합금들로 형성될 수 있다. 일 예에서, 그 결과로 나온 스프링은 나선형 구성을 가질 수 있다. 또 다른 예에서, 스프링의 길이방향의 길이를 따라 분포되는 복수의 스프링 요소는 튜브를 절단하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 스프링을 형성하기 위해 튜브를 절단하여 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8과 관련하여 위에서 기술한 요소들과 유사한 요소들을 형성할 수 있다. 튜브는 0.254 mm (10 밀) 이하, 바람직하게는 0.127 mm (5 밀) 이하, 보다 바람직하게는 0.076 mm (3 밀) 이하의 두께를 가질 수 있다. 특히, 평평한 스톡의 두께는 0.025 mm 내지 0.127 mm (1 밀 내지 5 밀), 바람직하게는 0.025 mm 내지 0.076 mm (1 밀 내지 3 밀), 보다 바람직하게는 0.038 mm 내지 0.064 mm (1.5 밀 내지 2.5 밀)의 범위 내에 있을 수 있다. 다른 예에서, 두께는 0.051 mm 내지 0.254 mm (2 밀 내지 10 밀), 바람직하게는 0.076 mm 내지 0.254 mm (3 밀 내지 10 밀), 보다 바람직하게는 0.127 mm 내지 0.254 mm (5 밀 내지 10 밀)의 범위 내에 있을 수 있다. 튜브의 직경(OD)은 1.270 mm (50 밀) 내지 10 인치의 범위, 바람직하게는 1.270 mm (50 밀) 내지 5 인치의 범위, 보다 바람직하게는 1.270 mm (50 밀) 내지 2 인치의 범위, 더욱 바람직하게는 1.270 mm 내지 25.399 mm (50 밀 내지 1000 밀)의 범위, 가장 바람직하게는 1.270 mm 내지 12.700 mm (50 밀 내지 500 밀)의 범위 내에 있을 수 있다.

예시적인 방법에 있어, 리본 또는 튜브를 레이저 절단장치 내로 배출 또는 공급한다. 레이저 절단장치는 도 5, 도 6, 도 7 또는 도 8에 도시한 패턴들과 같은 패턴을 리본 또는 튜브에 형성하거나, 또는 헬리컬 또는 나선형 패턴을 튜브에 형성한다. 그 결과로 나온 스프링 가공물을 연속적으로 다이(die) 내로 공급한다. 다이는 접는선들을 따라 스프링 가공물에 접힘들을 부여한다. 뒤이어서, 씰을 형성하기 위해 재킷의 공동 내로 가공물을 삽입할 수 있다. 특히, 씰은 환형 씰이고 공동은 재킷 내에서 환형으로 연장될 수 있다.

도 9는 예시적인 절단장치(900)의 도면이며, 절단장치(900)는 리본(902)을 공급 블록(910)으로 공급한다. 레이저 헤드(906)가 위치결정 시스템(904)에 부착되어 있다. 리본(902)이 공급 블록(910)으로 공급되면, 위치결정 시스템(904)은 스프링 가공물의 패턴을 형성하기 위해 리본(902)을 절단하는, 910에서의 레이저의 위치를 조작한다. 특히, 패턴은 가지들, 루프들, 크로스 피스들, 또는 이들의 조합과 같은 복수의 스프링 요소를 포함하고, 이들은 리본(902)에 걸쳐서 횡방향으로 연장되고 리본(902)의 길이를 따라 길이방향으로 분포되어 있다.

특정 실시예에서, 절단장치는 레이저 헤드(906) 및 레이저 코어 (미도시)를 포함한다. 레이저 코어는 섬유 레이저일 수 있다. 섬유 레이저는 활성 이득 매체(active gain medium)가 에르븀, 이테르븀, 네오디뮴, 디스프로슘, 프라세오디뮴 및 툴륨과 같은 희토류 원소들로 도핑된 광학섬유인 레이저이다. 레이저 방사가 섬유 활성 이득 매체에 생성되면, 방사는 추가적인 광학섬유들, 가이드들, 반사체들 또는 렌즈들을 사용하여 목표 리본으로 안내될 수 있다.

이러한 절단장치(900)는 스프링 가공물을 연속적으로 형성하는 시스템에서 특히 유용하다. 도 10에 도시한 바와 같이, 시스템(1000)은 스프링 가공물(1010)을 생산하기 위해 레이저 절단장치(1002)로 리본(1008)을 공급한다. 또는, 튜브가 레이저 절단장치(1002)로 공급될 수 있다. 레이저 절단장치(1002)는 스프링 가공물(1010)을 형성하기 위해 리본(1008) 또는 튜브를 절단하여 패턴을 형성한다. 패턴은 리본(1008)에 걸쳐서 횡방향으로 연장되고 스프링 가공물(1010)을 따라 길이방향으로 분포되는 복수의 스프링 요소들을 포함할 수 있다. 특히, 스프링 요소들은 인접한 스프링 가공물들을 형성하도록 연결된다. 예를 들어, 스프링 요소들은 구불 구불한(serpentine) 패턴으로서 형성되는 루프들일 수 있다. 다른 예에서, 스프링 요소들은 스프링 몸체에서 연장되는 가지들로서 형성될 수 있다. 추가적인 예에서, 스프링 요소들은 리본의 엣지에서 연결될 수 있다.

일 예에서, 스프링 가공물은 단일 연속 스트립으로서 레이저 절단장치(1002)로부터 배출될 수 있다. 다른 예에서, 레이저 절단장치는 인접한 패턴으로부터 개별적인 스프링 가공물들을 형성하기 위해 리본에 걸쳐서 횡방향으로 스프링 가공물을 추가로 절단할 수 있다.

공급장치(1014)가 스프링 가공물을 다이(1004)로 안내한다. 일 예에서, 폐기물은 다이(1004)로 안내되기 전에 스프링 가공물(1010)로부터 제거된다. 다이(1004)는 접힌 스프링 가공물(1012)를 형성하기 위해 길이방향의 접는선을 따라 스프링 가공물을 접는다. 스프링 가공물(1010)이 연속적인 스트립 형태를 가지는 경우, 다이(1004)는 스트립이 다이(1004)로 공급될 때 연속적으로 주름을 형성하도록 구성될 수 있다. 다이(1004)는 개별적인 접힌 스프링 가공물(1012)을 형성하기 위해 접기 전이나 접은 후에 스트립을 절단하는 커터를 포함할 수 있다.

또는, 스프링 가공물(1010)이 독립된 스프링 가공물의 형태를 가지는 경우, 공급장치(1014)는 각각의 독립된 스프링 가공물을 다이(1004)로 공급하도록 구성될 수 있다. 다이(1004)는 스프링 가공물(1010)의 위치를 결정하기 위해 센서들 및 메커니즘을 포함할 수 있고, 스프링 가공물(1010)이 소정의 위치에 위치되면, 단일 단계에서와 같이 스프링 가공물(1010)을 접을 수 있다.

접힌 스프링 가공물(1012)은 접힌 스프링 가공물을 씰 재킷의 공동으로 삽입하기 위한 장치(1006)로 연속적으로 혹은 배치 공정으로 공급될 수 있다. 특정 예에서, 접힌 스프링 가공물(1012)이, 환형 씰의 공동으로 삽입되도록 원형 형태를 형성하기 위해 스프링 가공물을 추가로 구부리는 장치(1006)로 연속적으로 공급된다.

특정 예에서, 레이저 절단장치(1002)는 광학 섬유 활성 이득 매체를 가지는 섬유 레이저이다. 이러한 섬유 레이저는 기체 또는 고체 코어의 형태의 활성 이득 매체를 포함하는 레이저에 대비된다. 섬유 레이저 및 다른 레이저들 각각은 추가적인 광학 섬유들에 의해 방출된 펄스를 전달할 수 있다. 그러나, 광학 섬유들의 존재가 반드시 레이저가 섬유 레이저라는 것을 의미하지는 않는다.

본 출원인들은 섬유 레이저들이 다른 레이저 장치들에 의해 제공된, 얇은 평평한 스톡 재료들에서의 스프링 패턴들의 레이저 절단과 관련된 어려움들을 극복한다는 것을 발견하였다. 특히, 본 출원인들은 이러한 섬유 레이저들이 0.254 mm (10 밀) 이하의 두께, 바람직하게는 0.025 mm 내지 0.203 mm (1 밀 내지 8 밀)의 범위 내의 두께, 보다 바람직하게는 0.025 mm 내지 0.076 mm (1 밀 내지 3 밀)의 범위 내의 두께를 가지는 평평한 스톡의 스프링 패턴들의 형성을 허용한다는 것을 발견하였다. 다른 레이저 기술들은 부정확한 절단 및 과열을 발생시키는 경향이 있었고, 이로 인해 스프링 요소들에 뒤틀림이 발생하였다. 부정확한 절단 또는 과열은 스프링 내에 불균일을 유발할 수 있고, 이에 따라 일정치 않은 마모 및 밀봉불량이 야기된다. 게다가, 섬유 레이저들은 얇은 평평한 스톡의 정확한 절단을 가능케 하며, 이에 따라 리본의 큰 부분에 걸쳐서 횡방향으로 연장되는 스프링 요소들을 형성할 수 있게 된다. 예를 들어, 스프링 요소들이 리본의 횡방향 폭에 걸쳐서 적어도 90%, 바람직하게는 적어도 95%, 보다 바람직하게는 약 100% 연장될 수 있다. 이와 같이, 정확한 절단에 의해, 폐기물이 감소될 수 있다.

게다가, 이러한 섬유 레이저들은 패터닝된 가공물의 엣지에서 도입되는 응력 및 변형률을 감소시킨다. 도 11에 도시한 바와 같이, Elgiloy 재료의 레이저 절단 엣지는 10 마이크로미터 초과로 이격된 얕은 기복(undulation)들만을 가지는 상대적으로 균일한 절단을 제공한다. 이와 대조적으로, 도 12는 다른 패턴들을 가지는 표면(1204, 1206) 사이의 틈(1202)을 보이는 예시적인 스탬프 형성 엣지의 도면이다. 표면(1204)은 표면(1206)에 발생한 균열이 수반되는 압축력들에 의해 형성된 소성변형을 나타내고 있다. 두 개의 표면(1204, 1206) 사이에 중간 틈(1202)이 형성된다.

도 13에 도시한 바와 같이, 에징(edging)은 두 개의 별도의 표면(1302, 1304)이 균열이 수반되는 변형을 보이는 유사한 결과를 초래한다. 두 개의 표면(1302, 1304) 사이의 수평 줄무늬(striation)(1306)에 의해 나타내어진 응력이 도 12에 도시한 것들보다 뚜렷하지 않지만, 에징 및 스탬핑은 확실히 레이저 절단 샘플에서 발견되지 않는, 어떤 물체의 엣지에서의 응력을 도입한다. 스탬핑 및 에징된 표면들과 대조적으로, 레이저 절단 표면들에는 균열 표면이 없고 절단된 리본의 표면에 평행하게 연장되는 줄무늬들 또는 틈들이 없다.

특히, 0.076 mm 내지 0.203 mm (3 밀 내지 8 밀) 범위의 금속 두께에 대한 스탬핑은 레이저 절단 중에 발견되지 않는 스프링 재료의 경화를 야기한다고 믿어진다. 스프링 구성들의 빠른 피로가 이러한 경화에 의해 발생될 수 있다.

예

U자형 스프링의 샘플들에 대한 피로시험을 실시한다. U자형 스프링들은 평평한 스톡 재료로 만들어지고 섬유 레이저 장치를 이용한 절단 또는 스탬핑에 의해 패터닝된다. 이와 같이 패터닝된 평평한 스톡 재료를 U자형 스프링이 되도록 접는다. 그 결과로 나온 U자형 스프링은 Saint-Gobain으로부터 이용 가능한 Omniseal 400A의 스프링과 유사한 외팔보 핑거 스프링 설계이다. 0.051 mm (2 밀)의 두께를 가지는 304 스테인레스 스틸 및 0.127 mm (5 밀)의 두께를 가지는 301 스테인레스 스틸로부터 샘플 스프링들을 준비한다.

휘어진 위치와 이완된 위치 사이로 스프링의 핑거를 순환시켜 시험을 실시한다. 핑거들의 단부들에서, 휘어진 위치는 이완된 위치에 대해 스프링의 중심을 향해 약 0.508 mm 내지 0.762 mm (20 밀 내지 30 밀) 안쪽으로 위치하고 있다. 피로에 의한 파괴가 생길 때까지 또는 백만 사이클 동안 샘플들을 순환시킨다.

표 1에 도시한 바와 같이, 레이저 절단 또는 스탬핑에 의해 패터닝된 0.051 mm (2 밀)의 스테인레스 스틸 샘플들은 백만 사이클 동안의 굽힘(flexing)을 견뎌냈다. 0.127 mm (5 밀)의 샘플들의 경우, 스탬핑 사이클의 두 배인 이십만 사이클 동안 레이저 절단 샘플을 순환하였다.

스테인레스 스틸 샘플들의 굽힘 시험

샘플	재료	방법	두께 mm (밀)	파괴까지의 사이클
1	304 SST	레이저	0.051 (2)	>1M
2	304 SST	스탬핑	0.051 (2)	>1M
3	301 SST	레이저	0.127 (5)	200,000
4	301 SST	스탬핑	0.127 (5)	100,000

제1 양상에서, 씰은 중합체 재킷의 길이를 따라 중합체 재킷 내에서 연장되는 내측 공동 및 씰 표면을 한정하는 중합체 재킷, 및 내측 공동 내에서 연장되고 복수의 레이저 절단 스프링 요소를 포함하는 스프링을 포함한다.

제 1 양상의 일 예에서, 스프링의 엣지에는 균열 표면이 없다. 다른 예에서, 스프링의 엣지에는 틈이 없다.

다른 예에서, 중합체 재킷은 폴리케톤, 폴리아라미드, 열가소성 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설폰, 폴리아미드이미드, 초고분자량 폴리에틸렌, 열가소성 불소 중합체, 폴리아미드, 폴리벤즈이미다졸, 액정 중합체, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 중합체 재료를 포함한다. 또 다른 예에서, 중합체 재킷은 고체 윤활제, 세라믹 또는 무기 충전재, 중합체 충전재, 섬유 충전재, 금속미립자 충전재, 염들, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 충전재를 더 포함한다.

또 다른 예에서, 중합체 재킷은 약 0.4 이하, 바람직하게는 약 0.2 이하의 마찰계수를 가진다.

또 다른 예에서, 중합체 재킷은 적어도 약 0.5 GPa, 바람직하게는 적어도 약 1.0 GPa의 영률을 가진다. 중합체 재킷은 적어도 약 20%, 바람직하게는 적어도 약 40%의 연신율을 가질 수 있다.

일 예에서, 스프링은 스테인레스 스틸, 구리합금, 니켈합금, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속합금으로 만들어진다. 또 다른 예에서, 스프링은 0.254 mm (10 밀) 이하, 바람직하게는 0.127 mm (5 밀) 이하, 보다 바람직하게는 0.076 mm (3 밀) 이하의 두께를 가지는 시트 재료로 만들어진다.

특정 예에서, 씰은 환형 씰 또는 페이스 씰이다.

제 2 양상에서, 씰은, 중합체 재료를 포함하고 환형 재킷 내에서 연장되는 환형 공동을 한정하는 환형 재킷 및 환형 공동 내에서 연장되는 스프링을 포함하고, 스프링은 복수의 레이저 절단 스프링 요소를 포함하는 접힌 금속 박판을 포함한다.

제 2 양상의 일 예에서, 스프링의 엣지에는 균열 표면이 없다. 다른 예에서, 스프링의 엣지에는 틈이 없다.

또 다른 예에서, 중합체 재료는 폴리케톤, 폴리아라미드, 열가소성 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설폰, 폴리아미드이미드, 초고분자량 폴리에틸렌, 열가소성 불소 중합체, 폴리아미드, 폴리벤즈이미다졸, 액정 중합체, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 추가적인 예에서, 환형 재킷은 고체 윤활제, 세라믹 또는 무기 충전재, 중합체 충전재, 섬유 충전재, 금속미립자 충전재, 염들, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 충전재를 더 포함한다.

다른 예에서, 환형 재킷은 약 0.4 이하의 마찰계수를 가진다. 또 다른 예에서, 환형 재킷은 적어도 약 0.5 GPa의 영률을 가진다. 또 다른 예에서, 환형 재킷은 적어도 약 20%의 연신율을 가진다.

추가적인 예에서, 스프링은 스테인레스 스틸, 구리합금, 니켈합금, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속합금으로 만들어진다. 추가적인 예에서, 스프링은 0.254 mm (10 밀) 이하의 두께를 가지는 시트 재료로 만들어진다.

제 3 양상에서, 씰의 형성 방법은 금속 박판 의 리본을 배출하는 단계, 스프링 가공물을 형성하기 위해 리본을 따라 길이방향으로 분포되는 복수의 스프링 요소를 레이저 절단하는 단계, 및 스프링을 형성하기 위해 스프링 가공물을 접는 단계를 포함한다.

제3 양상의 예에서, 레이저 절단하는 단계는 섬유 레이저를 이용하여 레이저 절단하는 단계를 포함한다. 다른 예에서, 레이저 절단하는 단계는 리본에 걸쳐서 횡방향으로 연장되도록 복수의 스프링 요소를 레이저 절단하는 단계를 포함한다.

추가적인 예에서, 복수의 스프링 요소는 리본의 폭에 대한 리본으로부터 형성되는 스프링 가공물의 폭의 비가 적어도 0.9, 바람직하게는 적어도 0.95가 되도록 연장된다. 특정 예에서, 비는 약 1.0이다.

다른 예에서, 스프링 가공물은 연속적인 부품이며 스프링 가공물을 접는 단계는 스프링 가공물을 연속적으로 접는 단계를 포함한다. 또 다른 예에서, 리본이 독립된 스프링 가공물들을 형성하기 위해 레이저 절단된다.

추가적인 예에서, 스프링 가공물을 접는 단계는 스프링 가공물을 위치시키는 단계 및 위치된 스프링 가공물을 접는 단계를 포함한다. 일 예에서, 방법은 스프링을 씰 재킷에 삽입하는 단계를 더 포함한다.

제 4 양상에서, 씰의 형성 방법은 0.127 mm (5 밀) 이하의 두께를 가지는 금속 박판 의 리본을 배출하는 단계, 리본의 길이를 따라 분포되며 리본에 걸쳐서 횡방향으로 연장되는 복수의 스프링 요소를 섬유 레이저장치를 이용하여 형성하는 단계, 스프링 가공물을 형성하기 위해 레이저장치를 이용하여 레이저 절단 리본을 절단하는 단계, 및 리본의 길이방향 길이를 따라 스프링 가공물을 접는 단계를 포함한다.

제 4 양상의 일 예에서, 복수의 스프링 요소는 리본의 폭에 대한 리본으로부터 형성되는 스프링 구성요소의 폭의 비가 적어도 0.9가 되도록 연장된다.

추가적인 예에서, 스프링 가공물을 접는 단계는 스프링 가공물을 위치시키는 단계 및 위치된 스프링 가공물을 접는 단계를 포함한다. 추가적인 예에서, 방법은 스프링을 씰 재킷에 삽입하는 단계를 포함한다.

제 5 양상에서, 기계는 정적 요소, 회전 요소, 및 정적 요소와 회전 요소 사이에 배치되는 씰을 포함한다. 씰은 중합체 재킷의 길이를 따라 중합체 재킷 내에서 연장되는 내측 공동 및 씰 표면을 한정하는 중합체 재킷, 및 내측 공동 내에서 연장되고 복수의 레이저 절단 스프링 요소를 포함하는 스프링을 포함한다.

제 6 양상에서, 씰의 형성 방법은 튜브를 배출하는 단계, 스프링 가공물을 형성하기 위해 튜브를 레이저 절단하는 단계, 및 씰을 형성하기 위해 스프링 가공물을 재킷에 삽입하는 단계를 포함한다.

제 6 양상의 일 예에서, 튜브를 레이저 절단하는 단계는 나선을 절단하는 단계를 포함한다. 다른 예에서, 튜브를 레이저 절단하는 단계는 튜브의 길이를 따라 길이방향으로 분포되는 스프링 요소들의 패턴을 절단하는 단계를 포함한다.

추가적인 예에서, 방법은 레이저 절단 중에 튜브를 회전시키는 단계를 더 포함한다. 다른 예에서, 튜브는 금속 또는 금속합금을 포함한다.

전반적인 설명 또는 예들에서 위에서 설명한 작용들의 모두가 요구되는 것은 아니고, 특정 작용의 일부는 요구되지 않을 수 있고, 설명된 것들에 추가하여 하나 이상의 작용이 더 실행될 수 있다는 것을 주목하라. 게다가, 이러한 작용들이 열거된 순서는 반드시 이들이 실행되는 순서가 되는 것은 아니다.

위의 명세서에서, 개념들은 특정 실시예들에 대하여 설명되었다. 그러나, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 아래의 청구항들에서 기재되고 있는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 것을 인정할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면들은 한정적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 하며 이러한 변형들은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.

여기에서 사용되는 바와 같이, 포함한다(comprises), 포함하는(comprising),포함한다(includes),포함하는(including), 가진다(has), 가지는(having) 이라는 용어들 또는 이들의 임의의 다른 변형들은 비한정적인 포함을 의미하도록 의도된다. 예를 들어, 일련의 특징을 포함하는 공정, 방법, 물품, 또는 장치는 반드시 이 특징들에만 한정되지 않으며, 이와 같은 공정, 방법, 물품, 또는 장치의 고유하거나 명시적으로 열거되지 않은 다른 특징들을 포함할 수 있다. 게다가, 이와 반대로 명시적으로 언급하지 않는 한, 또는(or)은 배타적인 또는이 아닌 포함하는 또는을 의미한다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중 하나에 의해 만족된다: A 는 진실이고(또는 존재하고) B는 거짓이며(또는 존재하지 않으며), A는 거짓이고(또는 존재하지 않고) B는 진실이며(또는 존재하며), A와 B는 모두 진실이다(또는 존재한다).

또한, a 또는 an은 여기에서 설명되는 요소들 및 구성요소들을 기술하는 데 이용된다. 이는 단지 편리성을 위해, 그리고 본 발명의 범위의 전반적인 의미를 부여하기 위해 행해진다. 이러한 설명은 하나 또는 적어도 하나를 포함하도록 해독되어야 하며, 단수는 또한 다르게 의미한다는 것이 명백히 않는 한 복수를 포함한다.

이익들, 다른 이점들, 및 문제들에 대한 해법들은 특정 실시예들에 대하여 위에서 설명되었다. 그러나, 이익들, 다른 이점들, 문제들에 대한 해법들, 및 어떤 이득, 이점, 또는 해법이 발생하게 하거나 더 현저하게 할 수 있는 특징(들)이 청구항들의 일부 또는 전부의 중대하거나, 필요하거나, 필수적인 특징으로서 해석되지 말아야 한다.

본 명세서를 읽은 후에, 기술자들은 어떤 특징들은 명확성을 위해 개별 실시예에 대하여 설명되며 또한 단일 실시예의 조합으로 제공될 수 있다고 인정할 것이다. 이와 반대로, 간결성을 위해 단일 실시예에 대하여 설명되는 다양한 특징들은 또한 개별적으로 또는 임의 부조합으로 제공될 수도 있다. 게다가, 범위들 내의 기술된 값들에 대한 언급은 그 범위 내의 모든 값을 포함한다.

Claims (47)

1. 씰(seal)로서, 상기 씰이,
   중합체 재킷의 길이를 따라 상기 중합체 재킷 내에서 연장되는 내측 공동 및 씰 표면을 한정하는 중합체 재킷; 및
   복수의 레이저 절단 스프링 요소들을 포함하고 상기 내측 공동 내에서 연장되는 스프링을 포함하고,
   상기 복수의 레이저 절단 스프링 요소들 각각의 두께가 0.254 mm (10 밀(mil)) 이하이고, 상기 스프링의 엣지에 균열 표면이 없고/거나 틈 또는 줄무늬가 없는, 씰.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저 절단 스프링 요소들 각각의 두께가 0.025 mm 내지 0.203 mm (1 밀 내지 8 밀)의 범위인, 씰.
3. 제1항에 있어서, 상기 씰이 페이스 씰인, 씰.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 재킷이 폴리케톤, 폴리아라미드, 열가소성 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설폰, 폴리아미드이미드, 초고분자량 폴리에틸렌, 열가소성 불소 중합체, 폴리아미드, 폴리벤즈이미다졸, 액정 중합체, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 중합체 재료를 포함하는, 씰.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 재킷이 고체 윤활제, 세라믹 또는 무기 충전재, 중합체 충전재, 섬유 충전재, 금속 미립자 충전재, 염들, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 충전재를 추가로 포함하는, 씰.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 재킷의 마찰계수가 0.4 이하인, 씰.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 재킷의 영률이 0.5 GPa 이상인, 씰.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 재킷의 연신율이 20% 이상인, 씰.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링이 스테인레스 스틸, 구리 합금, 니켈 합금, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 합금으로 형성되는, 씰.
10. 씰로서, 상기 씰이,
    중합체 재료를 포함하고, 환형 재킷 내에서 연장되는 환형 공동을 한정하며, 연신율이 50% 이상인 환형 재킷; 및
    상기 환형 공동 내에서 연장되는 스프링을 포함하고,
    상기 스프링이 복수의 레이저 절단 스프링 요소들을 포함하는 접힌 금속 박판을 포함하고, 상기 복수의 레이저 절단 스프링 요소들 각각의 두께가 0.254 mm (10 밀) 이하이고, 상기 스프링의 엣지에 균열 표면이 없고/거나 틈 또는 줄무늬가 없는, 씰.
11. 씰의 형성 방법으로서, 상기 방법이,
    금속 박판의 리본을 분배하는 단계;
    스프링 가공물을 형성하기 위해 상기 리본을 따라 길이방향으로 분포되는 복수의 스프링 요소들을 레이저 절단하는 단계; 및
    스프링을 형성하기 위해 상기 스프링 가공물을 접는 단계를 포함하고,
    레이저 절단하는 단계가 광학 섬유 활성 이득 매체를 갖는 섬유 레이저를 사용하여 레이저 절단하는 단계를 포함하는, 씰의 형성 방법.
12. 제11항에 있어서, 금속 박판의 리본의 두께가 0.254 mm (10 밀) 이하인, 씰의 형성 방법.
13. 제11항에 있어서, 레이저 절단하는 단계가 상기 리본에 걸쳐서 횡방향으로 연장하도록 상기 복수의 스프링 요소들을 레이저 절단하는 단계를 포함하는, 씰의 형성 방법.
14. 제11항에 있어서, 상기 복수의 스프링 요소들이 상기 리본의 폭에 대한 상기 리본으로부터 형성되는 스프링 가공물의 폭의 비가 0.9 이상이 되도록 연장되는, 씰의 형성 방법.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링 요소들이 인접한 스프링 가공물을 형성하도록 연결되고, 레이저 절단하는 단계가 독립된 스프링 가공물을 형성하기 위해 상기 리본을 레이저 절단하는 단계를 추가로 포함하는, 씰의 형성 방법.
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