설계 과제를 해결하는 벨로우즈 기술

BellowsTech

소개

의료 펌프, 다이빙 시계, 산소 밸브, 유연한 기계식 커플 링 및 반도체 웨이퍼 핸들러 등은 공통점을 갖고 있다. 모두 스프링과 같은 정밀한 엔지니어링 구성 요소인 벨로우즈(Bellows)에 의존한다. 벨로우즈 기술은 압력 보정, 부피 보정, 스위치, 밸브, 확장 조인트, 피드스루 등을 통해 수백 가지 기계 부품 및 OEM 제품에 사용된다. 항공 우주, 반도체, 에너지, 의료 및 산업 분야의 애플리케이션에서 엔지니어들은 벨로우즈에 의존한다.

각 금속 벨로우즈 기술에는 성능 특성, 재료 및 제조 기술이 있다. 본문에서는 MW Industries Inc. 자회사 BellowsTech와 Servometer 그리고 Ameriflex에서 제공하는 다양한 벨로우즈 기술에 대해 설명함으로 애플리케이션과 예산에 가장 적합한 벨로우즈 선택을 할 수 있도록 돕고자 한다.

금속 벨로우즈의 기초

금속 벨로우즈는 정밀하게 가공된 유연한 금속 구성 요소로, 서로 분리된 두 환경을 밀봉하는 역할을 한다. 이 다목적 부품으로 압력, 온도 및 위치 변화를 선형 운동 또는 회전 변속기로 변환하여 유연한 기계적 및 전기적 연결을 유지할 수 있다. MW Industries가 제공하는 모든 벨로우즈의 가장 큰 차이점은 각각의 생산 방법에 달려있다.

전착, 엣지 용접 및 하이드로 포밍의 세 가지 생산 방법은 사용된 제조 기술을 기반으로 하여 성능에서 독창적인 장점을 가지고 있다.
Servometer의 전착 벨로우즈는 니켈 재질을 알루미늄 맨드렐(mandrels)에 도금하여 만든다. 그런 다음 알루미늄을 제거하여 얇은 금속 벨로우즈를 남긴다. 얇은 벽 성능은 전착 벨로우즈의 가장 강력한 특성이다. 또한, 맨드렐은 기존 CNC 터닝 기계로 만들 수 있어 특별한 툴링 요구 없이 까다로운 사양을 충족할 수 있는 큰 형상 변형 가능성을 제공한다.

BellowsTech의 모서리 용접 벨로우즈는 다이어프램을 금속으로 스탬핑한 다음 교대로 용접하여 아코디언 모양의 벨로우즈를 형성한다. 주요 특징은 생산을 위해 다양한 재료를 선택할 수 있으며 자연 길이의 80%까지 압축할 수 있다는 점이다.

Ameriflex의 하이드로 포밍 벨로우즈는 벨로우즈를 구성하는 컨볼루션으로 형성된 튜빙(tubing)으로 만들어진다. 이 벨로우즈는 환경 요구 사항을 충족시키기 위해 다양한 재료로 만들 수 있다. 하이드로 포밍 벨로우즈의 주요 특징은 상대적으로 대량으로 제조하기 쉽고 가장 저렴한 비용을 제공하며, 높은 공차를 가진 얇은 벽에서 제조 할 수 있다는 것이다.

전착 벨로우즈

전착 벨로우즈는 오래된 자동차의 크롬 범퍼와 유사한 기판에 금속을 도금하여 만든다. 그러나 Servometer는 범퍼를 제거하여 크롬 쉘(니켈 또는 구리 쉘)만 남긴다. 이 기술은 0.020"에서 9"까지의 직경을 가진 매우 얇은 벽 벨로우즈를 생산할 수 있다(그림1).

Servometer벨로우즈의 독특한 측면은 얇은 벽으로 인해 매우 유연하게 만들 수 있으며 사이클 수명이 매우 높다는 것이다. 또 다른 중요한 측면은 이음매 없는 구조가 진동이 많은 환경에 매우 강하여 온도, 압력 및 부피 표시 또는 작동에 이상적이라는 것이다.

전착 벨로우즈는 독점적인 플렉스 니켈 및 구리로 만들어지며 부식 방지 또는 전기 전도도를 높이기 위해 금 또는 은 도금으로 제공된다. 사용 가능한 재고 제품에는 니켈 또는 구리 벨로우즈 그리고 샤프트 커플링과 금도금 전기 접점이 있으며, 맞춤형 벨로우즈 어셈블리와 일렉트로 폼이 제공된다.

제조

벨로우즈 및 일렉트로 폼의 제조 공정은 5단계로 완성된다. 1단계는 6061 T6 알루미늄 블록으로 시작한다. 다음으로, 맨드렐을 만들기 위해 알루미늄을 최종 부품의 내부 치수로 가공한다. 3단계에서, 맨드렐은 환경 저항에 대해 규정된 바와 같이 추가 금 또는 은으로 니켈 또는 구리로 도금된다.

그 후 맨드렐을 적절한 길이로 잘라 벨로우즈 또는 전기 성형 부품의 전체 길이를 정한다. 마지막으로 5단계에서 알루미늄은 침출이라고 알려진 화학 공정을 통해 완전히 제거된다. 그런 후에 벨로우즈를 테스트하고 출하하거나 허브 또는 플랜지로 조립하여 다음 레벨 구성 요소에 통합한다.

외경(OD)은 0.020"(0.5mm)만큼 작거나 9"만큼 클 수 있으며, 전체 길이는 최대 10"까지 가능하다. Servometer 벨로우즈의 일반적인 압축 행정은 컨볼루션 길이의 약 35%이며 일부 애플리케이션의 경우 압축률이 50%이상 된다. 표준 누출율은 1x10-6 입방 센티미터(cc)이다. 1기압에서 초당 헬륨 1기압에서 초당 1x10-9cc의 낮은 헬륨 속도가 대부분의 벨로우즈에서 달성될 수 있다.

이러한 애플리케이션에는 일반적으로 밀봉이 필요하지 않기 때문에 표준 커플링 및 전기 접점에는 누출 등급이 없다.

최대 차압은 최대 10,000psi 일 수 있지만 스트로크 및 사이클 수명과 같은 직경 및 적용 요구 사항에 따라 다르다. 최대 온도는 350°F이며, 이 한계는 니켈 재료가 고온에서 어닐링이 되거나 부서지기 때문에 벨로우즈의 스프링 속도와 성능 등급을 변경할 수 있기 때문이다. 최대 1,000°F의 온도가 가능한 정적 전기 형태로 니켈의 재료 온도 제한이 훨씬 높다.

저온 정격은 -423°F이지만 밀리 켈빈(millikelvin) 연구에서 앵글 커플링으로 사용되는 Servometer 벨로우즈가 있으므로 실제 최저 한계는 알려져 있지 않다. 또한 Servometer 벨로우즈는 액체 헬륨을 측정하는데 성공적으로 사용되었으며, 이는 -423°F보다 훨씬 낮다. Servometer 벨로우즈는 이론적으로 무한 수명주기를 달성하도록 설계할 수 있다.

애플리케이션

항공 우주 분야의 경우, 벨로우즈 설계를 통해 유체의 가열 및 냉각으로 인해 다양한 부피 함량으로 구부러지는 축압기 및 저장소가 가능하다(그림3). 이러한 시스템은 밀폐된 내부로 완전히 진공 처리되고 밀봉된 특수 유형의 어셈블리인 아네로이드(aneroids)에서 찾을 수 있다.

벨로우즈는 고도에서보다 해수면에서 더 짧다. 이러한 길이의 변화는 연료 제어, 다양한 고도에서의 변조, 비행 중에 필요할 수 있는 산소마스크 및 표시기에 사용될 수 있다. 벨로우즈는 유체 또는 가스로 인한 압력 변화에 따라 움직이는 자연스러운 액추에이터다.

벨로우즈는 압력 차이를 유지하면서 반대쪽으로 운동을 전달할 수 있도록 내부 및 외부 환경에서 압력 요구 사항을 유지할 수 있는 유연한 씰이다. 반도체 산업에서 벨로우즈는 조절 압력으로 유체 또는 가스 흐름을 보장하는 축압기(accumulators)로 사용할 수 있다. 또한, 벨로우즈는 가스 또는 유체를 펌핑하여 다른 시스템의 압력을 변경할 수 있는 유연한 축압기로 사용될 수 있다.

벨로우즈의 일반적인 애플리케이션은 픽업 앤 플레이스 시스템 내에서 벨로우즈 내부를 통해 진공을 흡입하고 이송 중에 부품을 고정하고 진공에서 양압으로 전환한 후 부품의 최종 위치를 지정하는 데 사용된다(그림2). 픽앤 플레이스 기계는 벨로우즈를 작동 장치로 사용하여 시간당 수천 조각을 움직인다.

또한, 특정 프로세스 활성화 또는 연속에 필요한 적절한 진공 수준을 나타내기 위해 진공 시스템에 아네로이드를 사용할 수 있다.
의료 산업에서 벨로우즈는 펌프 및 유체 또는 가스 흐름을 위한 천연 저수지 또는 축압기이다. 서보미터는 또한 유체나 가스를 저장하기 위해 몸에 이식될 수 있는 순금 부품을 만들 수 있다.

벨로우즈 커플링은 회전 정보를 저장하지 않으며 와인딩이 매우 낮은 상태에서 입력/출력 비율이 1:1이기 때문에 매우 높은 회전 전달 규정을 요구하는 도징 펌프(dosing pumps) 및 기계를 구동하는데 사용된다. 또한 유연한 밀봉재인 벨로우즈는 내시경 검사 및 기타 계측을 위한 소구경 튜브에 사용할 수 있다.

모서리 용접 금속 벨로우즈

BellowsTech의 엣지 용접 벨로우즈는 금속 벨 로즈 제조 방법 중 스트로크 길이가 가장 길다. 따라서 최대 축 이동량이 필요한 경우 또는 공간이 제한된 응용 분야에 이상적이다. 모든 벨로우즈 어셈블리에서 수행되는 표준 테스트에는 스프링 생산 및 힘 테스트뿐만 아니라 여러 생산 단계에서의 치수 및 헬륨 질량 분석 누설률 테스트가 포함된다. 다른 기능으로는 사이클 속도 테스트, 야금 분석, 정수압 및 공압 테스트, SPC 및 DOE 연구가 있다.

BellowsTech의 제품에는 모서리 용접 금속 벨로우즈 및 벨로우즈 어셈블리와 기계 구성품이 포함된다. 커프 또는 튜브(cuff or tube) 어댑터가 장착된 단순한 벨로우즈에서 부터 멀티 피스 맞춤형 플랜지 및 인클로저가 있는 훨씬 더 복잡한 어셈블리에 이르기까지 다양하다.

제조

모서리 용접 벨로우즈 어셈블리의 제조는 5단계 프로세스이며 각 단계에서 제품 무결성과 품질을 검사한다. 1단계에서, 금속 다이어프램이 형성된다. 2단계에서, 금속 다이어프램이 스탬핑되고, 3단계에서 내부 직경이 용접되어 컨볼루션을 형성한다. 4단계에서, 컨볼루션의 외경이 용접되어 벨로우즈를 형성한다. 마지막으로, 5단계에서, 임의의 피팅이 벨로우즈 코어에 용접된다.

그런 다음 벨로우즈를 테스트하고 배송하거나 더 높은 수준의 구성 요소 또는 프로세스로 조립한다. 가장 작은 OD는 0.358"(9.1mm)이고 가장 큰 OD는 26"(≈650mm)다. BellowsTech가 구축한 한 섹션의 최대 스트로크 길이는 96"(2,438mm)다. 스트로크 기능은 가장자리 용접 벨로우즈의 가장 중요한 부분 중 하나이다.

특정 벨로우즈 디자인은 자유 길이만큼 스트로크로 할 수 있다. 일반적으로 연장시 최대 25%의 스트로크와 압축시 75%의 스트로크다. 이 비율은 까다로운 설계를 위해 열처리로 수정할 수 있다.
가장자리 용접 벨로우즈는 원하는 경우 매우 압력에 민감하고 힘에 민감하다. 감도는 벨로우즈 크기, 재료 두께 및 길이에 따라 다르다. 인치당 1파운드 이하의 스프링 속도는 쉽게 달성할 수 있다. 표준 벨로우즈 재질 두께는 벨로우즈의 직경과 툴링에 따라 0.002"~0.010"(0.051~0.254mm)이다.

헬륨 질량 분광계에서 테스트한 누설율은 초당 1x10-5에서 1x10-9cc이다. 이것은 재료에 의해 주도되며 32년마다 1cc에 해당한다. 많은 애플리케이션에는 높은 수준의 내 부식성이 필요하므로 염수, 산성, 알칼리성 및 다운 홀 오일 및 가스 환경을 포함한 다양한 재료를 사용할 수 있다.

모서리 용접 벨로우즈는 다양한 압력에서 작동한다. 직경이 작은 특정 설계는 벨로우즈 외부에서 최대 2,500psi를 견딜 수 있다. BellowTech는 내부 오일 충전 설계로 외부에서 15,000psi를 달성했다. 벨로우즈는 1,500°F(815°C)~-425°F(-251°C)의 온도 범위를 견딜 수 있는 재질로 제작할 수 있다.

벨로우즈 구성에 사용되는 일반적인 재료로는 AM350, 316 스테인리스 스틸, 321 스테인리스 스틸, 347 스테인리스 스틸, 티타늄 등급 2, 헤인즈 242, 하스텔로이 C276, 인코넬 600, 인코넬 625, 인코넬 718 및 알루미늄이 있다. BellowsTech 엣지 용접 벨로우즈는 훨씬 높은 사이클 속도를 달성 할 수 있다.

애플리케이션

모서리 용접 벨로우즈는 광범위한 산업 분야에서 기능을 수행할 수 있다. 항공 우주 분야에는 축압기, 저장소, 아네로이드, 기계적 밀봉 및 액추에이터가 포함된다. 예로서, 액추에이터는 캐비테이션 및 압력 스파이크를 방지하기 위해 항공 전자를 위한 냉각 시스템에 양압을 제공하기 위해 사용된다.

석유 및 가스 산업 분야에는 축 압기, 메카니칼 씰, 저장소, 액츄에이터 및 볼륨 보정기가 있다. 압력 밸런스 벨로우즈는 벨로우즈를 가스 리프트 장치에 통합하여 용접부의 적절한 가압을 허용한다.

유연한 씰, 축압기 및 액추에이터는 반도체 및 고진공 응용 분야 중 일부다. 예를 들어, 샤프트 씰 벨로우즈는 CVD 장치와 같은 진공 상태에서 반도체 장비의 도어와 게이트를 작동시킬 수 있다.

의료 분야에서는 펌프, 커플링, 씰 및 펄스 억제가 있다. 예로서, 의료 벨로우즈는 수술을 수행하기 전에 무릎 관절을 올바르게 위치시키기 위한 도구로서 사용할 수 있다. 다른 예로 소형 투석기에서는 압력 격리, 펄스 억제 장치에서도 사용할 수 있다.

벽이 얇은 벨로우즈

Ameriflex는 얇은 벨로우즈 및 벨로우즈 어셈블리의 진공 및 고진공 하이드로 폼 성형을 전문으로하여 매우 엄격한 공차를 유지한다. 기능은 하이드로 포밍 벨로우즈, 브레이드 플렉스, 라인 및 가공 부품 생산에 중점을 둔다(그림4).

헬륨 누출 검사 감지 및 다이 침투 테스트는 완성된 제품 및 용접의 구조적 무결성을 보장한다. 핵심 기능에는 성형 벨로우즈 및 튜브 제조가 포함된다. 각 부품은 바륨 헬륨 질량 분석기를 사용하여 1x 10-9의 표준으로 누출 점검된다. Ameriflex는 사이클 테스트, 압력 테스트, 스프링 속도 테스트 및 엔지니어링 지원을 제공한다.

제조

용도에 따라 제조 옵션이 세 가지가 있다. 하이드로 포밍은 밸브, 액츄에이터 또는 기타 품목과 같이 벽이 얇고 수명이 긴 요구 사항에 이상적이다. 재료 두께는 0.002"~0.10", 공차는 ±0.015"이다. 기계적 성형은 황삭 라인, 두꺼운 벽의 항공 우주 및 산업과 같은 다중 응용 분야에 이상적이다.

재료 두께는 0.002"에서 0.056"까지며 공차 범위는 ‘0.030’이다. 마지막으로, 다이어프램 성형은 0.5"ID 미만의 초소형 초박형 벨로우즈 응용 분야에 이상적이다. 재료 두께는 0.002"에서 0.006"까지 이며 0.015"공차를 갖는다.

6단계 제조 공정이 있다. 1단계는 시트로부터 금속 튜브를 형성한다. 2단계는 하이드로 포름, 기계식 또는 다이어프램 프로세스에 의해 변환을 형성한다. 3단계에서, 최종 컨벌루션 피치는 롤링 또는 세그먼트 화에 의해 설정되고, 4단계는 넥(necks) 또는 용접 준비의 최종 구성이다. 5단계에서, 단부 연결부의 용접 및 누출 검사가 수행된다.

마지막으로 6단계에서, 검사 및 패키징이 수행된다.
Ameriflex 벨로우즈의 일부 고유한 성능 특성에는 0.25"와 43"(현재는 공구 가공) 및 최대 50"(공구 가공 불가)까지의 OD가 있다. 범위는 3"에서 200”사이다. 일반적인 압축 및 확장은 실제 길이라고도 하는 복잡한 부분을 기준으로 하며 약 15% 압축하거나 10%가 확장된다. 0.002"~0.056"의 벽 두께가 가능하다.

최대 차압은 최대 3,500psi 일 수 있지만 직경, 재료의 벽 두께 및 스트로크 및 사이클 수명과 같은 적용 요구 사항에 따라 다르다. 스테인레스 버전의 Ameriflex 벨로우즈의 최대 온도는 900°F이다. 이 한계는 스테인레스 재질이 고온에서 어닐링 되거나 취화 될 수 있어 벨로우즈의 스프링 속도와 성능 등급이 변경될 수 있기 때문이다.

Inconel의 권장 재료 온도 제한은 최대 2,000°F로 훨씬 높다. 저온 등급은 -420°F이다.
사용 가능한 벨로우즈 재질은 니켈 합금, 321 스테인리스 스틸, 316L 스테인리스 스틸, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 718, Hastelloy C22 및 C276, 구리, 황동, 인 청동, 티타늄 및 모넬이다.

내식성 재료는 용도에 따라 사용된다. 스테인레스 300은 기본적인 부식 방지에 적합하다. Hastelloy C276 및 C22는 내 부식성이 뛰어나다. Monel은 해수 응용 분야에 사용되며 Inconel은 열과 부식에 매우 강하다. Ameriflex 벨로우즈는 1백만에서 3천만 사이클의 수명주기를 달성하도록 설계할 수 있다.

애플리케이션

Ameriflex는 반도체 OEM 및 유통 업체를 위해 고품질의 고정밀 제조를 제공한다. 금속 벨로우즈는 압력, 진공 또는 동작 제어를 돕기 위해 칩 제조 장비를 사용하여 가치 있는 응용 분야에 사용된다. 스틸 브레이드 호스는 황삭 라인 어플리케이션, 진공 전자 제품 제조 등에서 찾을 수 있다.

항공 우주 분야에는 저수지, 기계적 밀봉 및 열 제어 시스템이 있다. Mars Rover Curiosity는 열 제어 시스템의 일부로 유체 루프를 사용한다. 유체 루프는 Ameriflex의 브레이드 플렉스 라인을 사용하여 특정 온도 및 압력에서 작동 유체를 조절하는 단상 유체를 순환시킨다.

Ameriflex는 Indy 자동차 및 NASCAR 경주용 Inconel 슬립 조인트 벨로우즈를 제조한다. 이 배기 매니 폴드 구성품은 경기용 자동차의 고성능 엔진에서 발생하는 열과 진동을 흡수하도록 설계됐다. 슬립 조인트 벨로우즈는 성능저하 없이 극한의 온도를 견딜 수 있도록 만들어졌다.

자료 제공: BellowsTech(www.bellowstechnology.com)