KR101254994B1

KR101254994B1 - 수중 화약폭발을 이용한 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법

Info

Publication number: KR101254994B1
Application number: KR1020100089674A
Authority: KR
Inventors: 김홍규; 심인옥; 백두현; 박태원; 홍성석
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2013-04-17
Also published as: KR20120027865A

Abstract

본 발명은 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법에 관한 것으로, 상기 금속판재용 성형시스템은, 적어도 하나의 금형을 구비하고 상기 금형의 성형면과 이격되도록 금속판재가 장착되는 치구조립체와, 상기 금속판재로부터 이격된 위치에 화약을 배치하도록 형성되며 원격지에서 상기 화약을 폭발시키도록 이루어지는 화약 폭발모듈, 및 상기 치구조립체와 연결되며 수중에서 상기 화약의 폭발력이 상기 금속판재에 전달되어 상기 금속판재가 성형되도록 상기 치구조립체를 입수시키는 치구조립체 거치모듈를 포함하며, 상기 치구조립체는 상기 성형면과 상기 금속판재의 이격공간이 밀봉되도록 이루어지며, 상기 치구조립체에는 상기 이격공간이 진공을 이루도록 진공펌프와 연결가능한 배기밸브가 형성된다. 이를 통하여, 두꺼운 고강도강 또는 용접된 금속판재를 냉간가공할 수 있는 성형방법 및 장치가 구현된다.

Description

수중 화약폭발을 이용한 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법{FORMING APPARATUS OF METALLIC PLATE USING UNDERWATER EXPLOSION, FORMING SYSTEM HAVING THE SAME AND FORMING METHOD OF METALLIC PLATE}

본 발명은 금속판재를 가압하여 설계된 형상으로 성형할 수 있는 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법에 관한 것이다.

고강도 금속판재를 원하는 형상으로 성형하는 종래의 기술로 프레스가공, 단조 등의 방법이 많이 사용된다. 그러나 이러한 방법들은 매우 높은 하중을 부가할 수 있는 고가의 대형장비를 갖추어야 하거나, 단조하중을 저감시키기 위하여 고온 성형을 필요로 한다. 또한 고온에서 성형하는 경우 가열과정에서 소재특성이 저하되므로 성형 후에 기계적 특성회복을 위한 별도의 열처리가 뒤따르게 된다.

이에 더하여, 종래의 가공방법에 의하면, 변형과정에서 금속판재에 가해지는 하중의 불균일로 인하여 특정부분에서 판재가 찢어지는 결함이 발생할 수 있으며, 특히 고강도강을 용접하여 제작한 금속판재의 성형이 필요할 경우 용접부의 성형은 거의 불가능하게 된다.

따라서, 고강도 금속판재의 성형시에 상기 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 성형방법 및 장치가 고려될 수 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속판재를 별도의 가열과정없이 저렴한 비용으로 성형할 수 있는 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 두꺼운 고강도 금속판재 또는 용접된 금속판재를 냉간상태에서 성형할 수 있는 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 금속판재용 성형시스템은, 적어도 하나의 금형을 구비하고 상기 금형의 성형면과 이격되도록 금속판재가 장착되는 치구조립체와, 상기 금속판재로부터 이격된 위치에 화약을 배치하도록 형성되며 원격지에서 상기 화약을 폭발시키도록 이루어지는 화약 폭발모듈, 및 상기 치구조립체와 연결되며 수중에서 상기 화약의 폭발력이 상기 금속판재에 전달되어 상기 금속판재가 성형되도록 상기 치구조립체를 입수시키는 치구조립체 거치모듈를 포함한다. 상기 치구조립체는 상기 성형면과 상기 금속판재의 이격공간이 밀봉되도록 이루어지며, 상기 치구조립체에는 상기 이격공간이 진공을 이루도록 진공펌프와 연결가능한 배기밸브가 형성된다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 치구조립체는 제1 및 제2 금형, 링부재 및 클램핑 모듈을 포함한다. 제1 금형의 일면에는 상기 금속판재가 안착되고, 링부재는 상기 금속판재의 가장자리를 덮도록 이루어지며, 제2 금형은 상기 제1 금형의 타면에 배치된다. 제2 금형에는 상기 배기밸브가 장착되며, 클램핑 모듈은 상기 링부재와 제2 금형을 클램핑하도록 이루어진다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 금형에는 상기 일면과 타면을 관통하는 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀의 상기 일면과 인접한 부분은 상기 제2 금형을 향하여 폭이 점차적으로 좁아지도록 형성된다. 상기 제1 금형의 일면에는 홈이 형성되고, 상기 제1 금형의 일면과 상기 금속판재의 사이가 밀봉되도록 상기 홈에는 오링이 삽입될 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 클램핑 모듈은 바디, 돌기들 및 가압볼트를 포함한다. 바디는 상기 제1 및 제2 금형의 외주가 수용되도록 이루어지며, 돌기들은 상기 링부재 및 상기 제2 금형의 적어도 일부를 덮도록 상기 바디의 양단에서 각각 돌출된다. 가압볼트는 상기 돌기들에 체결되어 상기 링부재 및 상기 제2 금형을 서로를 향하는 방향으로 가압한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 화약 폭발모듈은 장착부, 화약 연결부 및 기폭선을 포함한다. 장착부는 상기 치구조립체에 장착되며, 화약 연결부는 상기 장착부로부터 연장되며, 상기 화약이 매달리도록 형성된다. 기폭선은 원격지에서 상기 화약을 기폭시키도록 상기 화약으로부터 상기 원격지로 연장된다. 상기 화약 폭발모듈은 부력제한부를 포함할 수 있다. 상기 부력제한부는 수중에서 부력에 대한 상기 화약의 이동을 제한하도록 상기 부력과 반대방향으로 장력을 부여한다. 상기 부력제한부는 상기 장력을 발생시키도록 상기 화약 및 장착부를 연결하는 와이어를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 치구조립체 거치모듈은 거치바 및 연결로프를 포함한다. 거치바는 크레인과 연결되도록 이루어지며, 연결로프는 상기 거치바에서 연장되며, 상기 치구조립체와 연결된다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 금속판재용 성형장치를 제공한다. 상기 금속판재용 성형장치는, 적어도 하나의 금형을 구비하고 상기 금형의 성형면과 이격되도록 금속판재가 장착되는 치구조립체, 및 상기 치구조립체에 장착되고 상기 금속판재로부터 이격된 위치에 화약을 배치하도록 형성되며 수중에서 상기 금속판재가 성형되게 원격지에서 상기 화약을 폭발시키도록 이루어지는 화약 폭발모듈을 포함한다. 상기 치구조립체는 상기 성형면과 상기 금속판재의 이격공간이 상기 수중에서 밀봉되도록 이루어지며, 상기 치구조립체에는 상기 이격공간이 진공을 이루도록 진공펌프와 연결가능한 배기밸브가 형성된다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 금형의 성형면과 이격되도록 상기 금형에 금속판재를 장착하고 상기 성형면과 상기 금속판재의 사이에 형성되는 이격공간을 밀봉하는 단계와, 진공상태를 형성하도록 상기 이격공간의 공기를 상기 금형에 장착되는 배기밸브를 통하여 외부로 배출하는 단계와, 화약의 폭발력이 수중에서 상기 금속판재에 전달되도록 상기 금속판재로부터 이격된 위치에 화약을 배치하고 상기 금형을 수중에 입수하는 단계, 및 상기 폭발력에 의하여 상기 금속판재가 상기 성형면에 밀착되며 상기 밀착에 의하여 상기 금속판재가 성형되도록 상기 화약을 폭발시키는 단계를 포함하는 금속판재용 성형방법을 개시한다.

본 발명의 금속판재용 성형방법과 관련한 일 예에 따르면, 금속판재용 성형방법은 상기 금형을 거치하도록 수면 위에 배치된 거치대와 상기 금형을 연결 와이어로 연결하는 단계, 및 상기 금형에 연결된 연결 와이어를 이용하여 상기 금형 및 성형된 금속판재를 상기 수중으로부터 회수하는 단계를 포함한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법은, 금속판재와 성형면 사이가 진공이고 수중폭발에 의해 발생하는 강력한 에너지가 유체(water)를 통하여 금속판재에 전달되므로, 금속판재는 보다 균질한 압력으로 가압된다. 이를 통하여, 두꺼운 고강도강 또는 용접된 금속판재의 냉간가공이 가능하게 된다.

또한, 본 발명은 화약의 폭발력에 의하여 금속판재가 가공되므로, 사용되는 폭약량과 이격거리의 조절을 통하여 간단하게 금속판재의 두께 변형정도를 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 금속판재용 성형시스템의 개념도.
도 2는 도 1의 금속판재용 성형장치를 나타내는 확대도.
도 3은 도 2의 라인 Ⅲ-Ⅲ 을 따라 취한 치구조립체의 단면도.
도 4는 도 2의 라인 Ⅳ-Ⅳ 를 따라 취한 치구조립체의 단면도.
도 5는 본 발명과 관련한 금속판재용 성형방법의 흐름도.
도 6은 도 3의 금속판재의 일 예를 나타내는 평면도.
도 7은 도 1의 성형시스템 및 도 5의 성형방법에 의한 성형결과를 나타내는 그래프.

이하, 본 발명에 관련된 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 금속판재용 성형시스템(S)의 개념도이다.

본 도면을 참조하면, 금속판재용 성형시스템(S)은 금속판재용 성형장치(100) 및 치구조립체 거치모듈(200)을 포함한다.

금속판재용 성형장치(100)는 수중에서 화약(102)의 폭발에 의하여 금속판재(101, 도 3 참조)를 성형하도록 이루어진다. 이를 위하여 금속판재용 성형장치(100)는 치구조립체(110) 및 화약 폭발모듈(120)을 구비한다.

치구조립체(110)는 적어도 하나의 금형을 구비하고, 치구조립체(110)의 적어도 일부에는 상기 금형의 성형면과 이격되도록 금속판재(101)가 장착된다.

화약 폭발모듈(120)은 금속판재(101)로부터 이격된 위치에 화약(102)을 배치하도록 형성되며, 원격지에서 상기 화약(102)을 폭발시키도록 이루어진다.

치구조립체 거치모듈(200)은 치구조립체(110)와 연결된다. 보다 구체적으로, 치구조립체 거치모듈(200)은 수면 위에서 치구조립체(110)를 매달고, 수중에서 상기 화약의 폭발력이 상기 금속판재에 전달되어 상기 금속판재가 성형되도록 상기 치구조립체(110)를 수중에 입수시키도록 이루어진다.

도시에 의하면, 치구조립체 거치모듈(200)은 거치바(211) 및 연결 와이어(212)를 포함한다.

거치바(211)는 크레인(C)과 연결되도록 이루어지며, 연결 와이어는 상기 거치바(211)에서 연장된다. 예를 들어 거치바(211)는 크레인(C)에 매달리고, 일방향으로 연장되는 바 형태로 형성된다. 거치바(211)에 복수 가닥의 연결 와이어(212)가 감기거나 걸리고, 복수의 연결 와이어(212)는 거치바(211)의 길이 방향을 따라 특정간격으로 배열된다.

연결 와이어(212)는 치구조립체(110)와 연결된다. 예를 들어, 연결 와이어(212)가 치구조립체(110)의 몸체에 여러 방향으로 감김에 따라 치구조립체(110)와 거치바(211)가 연결된다. 크레인(C)과 치구조립체(110)는 지면(육지, 땅)에서 연결되며, 크레인(C)이 치구조립체(110)를 들어올려 수중으로 입수시키며, 이를 통하여 도시된 바와 같이 치구조립체(110) 및 화약 화약 폭발모듈(120)이 수중에 배치될 수 있다. 사용자가 원격지에서 화약을 폭발시키면, 유체를 매개체로 화약의 폭발력이 금속판재(101)에 전달되고, 이를 통하여 금속판재(101)가 원하는 형상으로 성형된다.

이하, 수중에서 폭발에 의하여 금속판재(101)를 성형할 수 있는 금속판재용 성형장치(100)에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 도 1의 금속판재용 성형장치(100)를 나타내는 확대도이고, 도 3은 도 2의 라인 Ⅲ-Ⅲ 을 따라 취한 치구조립체(110)의 단면도이며, 도 4는 도 2의 라인 Ⅳ-Ⅳ 를 따라 취한 치구조립체(110)의 단면도이다.

본 도면들을 참조하면, 치구조립체(110)는 금형(111, 112)의 성형면(112a)과 금속판재(101)의 이격공간(113)이 밀봉되도록 이루어지며, 상기 치구조립체(110)에는 상기 이격공간(113)이 진공을 이루도록 진공펌프와 연결가능한 배기밸브(114)가 형성된다.

보다 구체적으로, 치구조립체(110)는 제1 및 제2 금형(111, 112), 링부재(115) 및 클램핑 모듈(116)을 포함한다.

도시에 의하면, 링부재(115), 금속판재(101), 제1 금형(111) 및 제2 금형(112)은 차례로 적층되고, 클램핑 모듈(116)은 상기 링부재(115)와 제2 금형(112)을 클램핑하도록 이루어진다.

제1 금형(111)은 일면에 금속판재(101)가 안착가능하도록 형성되며, 링부재(115)는 안착된 금속판재(101)를 덮도록 이루어진다.

예를 들어, 링부재(115)는 금속판재(101)의 가장자리를 덮도록 형성되며, 금속판재(101)는 링부재(115)의 중앙홀을 통하여 외부로 노출된다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 링부재(115)의 외경과 제1 금형(111)의 외경은 같은 크기로 이루어질 수 있다. 이를 통하여 치구조립체(110)의 체결 후에 동심원의 일치 여부가 쉽게 확인될 수 있다.

제1 금형(111)은 수중에 설치된 화약의 폭발력에 의한 금속판재(101)의 변형을 원하는 형상으로 유도하도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 상기 제1 금형에는 상기 일면(금속판재가 안착되는 면)과 타면(금속판재가 안착되는 면의 반대면)을 관통하는 관통홀(111a)이 형성되며, 관통홀(111a)의 상기 일면과 인접한 부분은 제2 금형(112)을 향하여 폭이 점차적으로 좁아지도록 형성된다. 예를 들어, 폭압에 의한 금속판재(101)의 변형시 초기균열 없이 변형이 유도되도록 하기위하여 상기 제1 금형(111)의 일면과 관통홀(111a)이 만나는 부분은 적당한 곡률반경을 가진 형태로 형성된다.

도 3을 참조하면, 제1 금형(111)의 일면에는 홈(111b)이 형성되고, 상기 제1 금형(111)의 일면과 금속판재(101)의 사이가 밀봉되도록 상기 홈(111b)에는 오링(117)이 삽입된다. 금속판재(101), 오링(117) 및 제1 금형(111)이 차례로 적층되고, 금속판재(101)가 관통홀(111a)을 덮도록 이루어짐에 따라 성형면(112a)과 금속판재(101)의 이격공간(113)은 밀봉될 수 있다.

제2 금형(112)은 상기 제1 금형(111)의 타면을 마주보도록 배치되며, 금속판재의 성형형상으로 이루어진다. 즉, 제1 금형(111)은 제2 금형(112)에 안착되며, 제2 금형(112)에 성형면(112a)이 형성된다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 성형면(112a)은 제1 및 제2 금형(111, 112)에 나뉘어서 형성될 수 있다. 성형면(112a)은 사용자에 의하여 설계될 수 있으며, 도 3 및 도 4의 성형면(112a)은 금속판재(101)의 성형형상이 반구인 경우를 예시한다.

제2 금형(112)은 금속판재(101)의 중심부가 폭압에 의해 충분히 변형될 수 있는 공간을 확보하도록 형성된다. 제2 금형(112)은 설계자가 원하는 형태의 성형품과 형상 및 크기가 일치되도록 제작될 수 있다. 도시에 의하면, 제1 및 제2 금형(111, 112)은 6개의 삽입용 체결볼트에 의하여 폭압에 의해 위치가 어긋나지 않도록 고정될 수 있다.

도시에 의하면, 제2 금형(112)에는 배기밸브(114)가 장착된다. 배기밸브(114)는 제2 금형(112)의 하부에 장착될 수 있으며, 진공펌프와 연결가능하도록 이루어진다. 예를 들어, 사용자가 배기밸브(114)에 진공펌프를 연결하여 배기한 다음 약 0.2 torr정도의 진공이 유지되는지를 검사함에 따라 제1 금형(111)과 금속판재(101)의 밀착여부가 확인될 수 있다. 또한 이를 통하여 이격공간(113)의 공기가 배출되어 진공상태가 형성될 수 있으며, 폭압을 받게 될 금속판재(101)의 반대편이 진공상태가 됨에 따라 변형이 보다 쉽게 유도될 수 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 클램핑 모듈(116)은 금속판재(101)와 제1 및 제2 금형(111, 112)이 밀착시키도록 이루어진다. 이를 통하여 성형면(112a)과 금속판재(101)의 이격공간(113)이 수중에서 밀봉될 수 있다. 즉, 치구조립체(110)는 금속판재(101)와 결합된 상태로 수심 5m이상의 수중에 침지될 수 있고, 진공으로 유지되는 제2 금형(112)의 내부공간에 대한 누수가 방지되며, 나아가 치구조립체(110)가 화약의 폭발에도 파손되지 않고 조립상태를 유지하게 된다.

클램핑 모듈(116)은 바디(116a), 돌기들(116b, 116c) 및 가압볼트(116d)를 포함한다.

바디(116a)는 제1 및 제2 금형(111, 112)의 외주가 수용되도록 이루어지고, 돌기들(116b, 116c)은 링부재(115) 및 제2 금형(112)의 적어도 일부를 덮도록 상기 바디(116a)의 양단에서 각각 돌출된다.

가압볼트는 돌기들(116b, 116c)에 체결되어 링부재(115) 및 제2 금형(112)을 서로를 향하는 방향으로 가압하도록 형성된다.

예를 들어, 4개의 바디(116a)가 금형들(111,112)의 외곽주위에 균일한 간격으로 위치되고 가압볼트가 조여짐에 따라, 제1 및 제2 금형(111, 112)과 금속판재(101)가 충분히 밀착되어 한 몸체로 체결된다.

다시 도 2를 참조하면, 화약 폭발모듈(120)은 장착부(121), 화약 연결부(122) 및 기폭선(123)을 포함한다.

장착부(121)는 치구조립체(110)에 장착된다. 예를 들어, 장착부(121)는 클램핑 모듈(116)의 바디(116a)에 장착되도록 이루어진다.

화약 연결부(122)는 장착부(121)로부터 연장되며, 화약(102)이 매달리도록 형성된다. 화약 연결부(122)는 장착부(121)와 멀어지는 방향으로 연장되어 수직으로 절곡되며, 절곡된 부분에 화약(102)이 매달린다. 화약(102)은 완전한 폭발이 일어나도록 폭약 중심부에 기폭관이 매립되고, 방수를 위하여 방수테이프로 밀봉될 수 있다.

기폭선(123)은 화약(102)의 기폭관과 연결되고, 원격지에서 상기 화약(102)을 기폭시키도록 상기 화약(102)으로부터 연장된다. 기폭선(123)은 기폭신호를 발생하는 장치와 연결될 수 있다.

도시에 의하면, 화약 폭발모듈(120)은 수중에서 부력에 대한 상기 화약(102)의 이동을 제한하도록 상기 부력과 반대방향으로 장력을 부여하는 부력제한부(124)를 포함할 수 있다.

부력제한부(124)는 장력을 발생시키도록 화약(102) 및 장착부(121)를 연결하는 와이어(124a)를 포함한다. 예를 들어, 와이어(124a)는 4개의 장착부(121)와 화약(102)을 각각 연결하며, 이를 통하여 화약(102)을 금속판재(101)의 표면과 일정한 이격거리로 유지시킨다.

이하, 상기 금속판재용 성형시스템(S) 또는 성형장치(100)에 적용가능한 금속판재용 성형방법에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명과 관련한 금속판재용 성형방법의 흐름도이고, 도 6은 도 3의 금속판재의 일 예를 나타내는 평면도이다.

먼저, 금형의 성형면과 이격되도록 상기 금형에 금속판재를 장착하고, 상기 성형면과 상기 금속판재의 사이에 형성되는 이격공간을 밀봉한다(S100). 이격공간의 밀봉은 금속판재가 안착되는 금형, 금속판재를 덮는 링부재 및 금형과 링부재를 클램핑하는 클램핑 모듈 등을 통하여 구현될 수 있다.

다음은, 진공상태를 형성하도록 상기 이격공간의 공기를 외부로 배출한다(S200). 배출단계(S200)는, 예를 들어 상기 금형에 장착되는 배기밸브와 진공펌프를 연결하고, 진공펌프를 이용하여 배기할 수 있다. 또한, 배기한 다음 약 0.2 torr정도의 진공이 유지되는지를 검사하면, 금형과 금속판재의 밀착여부가 확인될 수 있다.

다음은, 상기 금형을 거치하도록 수면 위에 배치된 거치대와 상기 금형을 연결 와이어로 연결할 수 있다(S300). 다만 연결단계(S300)는 상기 밀봉단계(S100)나 배출단계(S200) 이전에 수행될 수 있다.

화약의 폭발력이 수중에서 상기 금속판재에 전달되도록, 상기 금속판재로부터 이격된 위치에 화약을 배치하고 상기 금형을 수중에 입수한다(S400).

화약의 설치는 수심 5m이상의 수중에서 화약의 폭발에 의해 전달되는 폭발력의 강도를 조절하기 위하여 사용할 화약의 폭발력을 고려하여 이루어진다. 즉, 화약의 설치는 폭약 사용량의 결정, 수중에서 방수처리 된 상태로 화약이 완전히 폭발하도록 하는 방법, 금속판재의 변형정도를 제어하고 수중에서 부력에 의해 화약의 위치가 변하지 않도록 금속판재의 표면과 일정한 이격거리를 유지하도록 하는 방법 등을 고려하여 행하여진다.

두께 25mm의 항복강도 700MPa급 고강도강 금속판재를 냉간상태에서 변형시키는 경우에 예로서 설명한다. 먼저 구(球)형태의 C-4폭약을 사용하고, 완전한 폭발이 일어나도록 폭약 중심부에 기폭관을 매립한 다음 수중에서 방수를 위하여 방수테이프로 밀봉한다. 사전에 계산에 의해 미리 설정한 거리만큼 금속판재와 화약과의 이격거리를 유지하도록 계측장비를 사용하여 화약의 위치를 설정한다. 마지막으로, 치구조립체 주변에 미리 부착한 와이어를 사용하여 수중에서 부력에 의해 폭약이 부상하여 이격거리가 변화하지 않도록 폭약을 고정하고, 기폭을 위한 전선을 연결한다.

다시 본 도면을 참조하면, 상기 폭발력에 의하여 상기 금속판재가 상기 성형면에 밀착되며, 상기 밀착에 의하여 상기 금속판재가 성형되도록 상기 화약을 폭발시킨다(S500). 폭발에 의하여 유체에 폭발력이 전달되고, 유체가 금속판재를 성형면을 향하여 가압하게 된다.

이와 같이, 균질한 매질(water)을 통하여 전달되는 압력을 이용하여 고강도 금속판재를 변형시킴으로써, 두꺼운 두께(예를 들어, 25mm이하)를 갖는 고강도(예를 들어, 항복강도 700MPa급)의 금속판재 및 용접된 고강도 금속판재가 별도의 가열과정 없이 냉간상태에서 성형될 수 있다.

마지막으로, 성형방법은 상기 금형에 연결된 연결 와이어를 이용하여, 상기 금형 및 성형된 금속판재를 상기 수중으로부터 회수하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.

상기 회수를 위하여 연결단계(S300)는 강력한 폭압에 의해 체결부품과 금속판재가 치구조립체에서 분리되어 수조바닥으로 이탈되는 것을 방지하기 위하여 각 체결부품에 고리를 부착하고 각 고리를 하나의 강선(steel wire)으로 연결할 수 있다. 이에 더하여, 도 6과 같이 금속판재(101)의 외주에도 고리(101a)가 형성되고, 금속판재(101)의 고리(101a)가 각 체결부품의 고리와 강선으로 연결될 수 있다.

도 7은 도 1의 성형시스템 및 도 5의 성형방법에 의한 성형결과를 나타내는 그래프이다.

본 그래프는 도 6의 금속판재의 중심에서 상대위치에 따른 두께 변형률을 나타내며, 보다 구체적으로 항복강도 700MPa를 갖는 두께 25.4mm의 저합금 고장력강 금속판재를 반구 형태로 변형시킨 후에, 수중폭파에 사용한 화약량과 판재와의 이격거리에 따른 두께변형 분포를 측정한 결과에 대한 것이다.

결과에 의하면, 두꺼운 두께의 고강도강 금속판재가 냉간 상태에서 결함없이 원하는 형상으로 변형되며, 한 개의 금속판재에 대해서 여러번의 수중 폭파변형이 가능하게 된다. 또한, 사용되는 폭약량과 이격거리를 조절함으로써 금속판재의 두께 변형정도가 제어될 수 있다.

나아가, 도 6의 금속판재는 항복강도 700MPa를 갖는 두께 25.4mm의 고강도강을 맞대기 용접하여 제작될 수 있다. 고강도강을 용접하면 용접부는 모재보다 매우 취약하여 아주 적은 변형에 의해서도 깨어지기 쉬우므로 고강도강 용접부를 냉간에서 성형하는 것은 거의 불가능하다. 그러나, 실험에 의하면 본 발명과 관련한 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법은 용접된 고강도 판재도 냉간상태에서 반구형태로 성형할 수 있다.

상기와 같은 금속판재용 성형장치, 이를 구비하는 금속판재용 성형시스템 및 금속판재용 성형방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

적어도 하나의 금형을 구비하고, 상기 금형의 성형면과 이격되도록 금속판재가 장착되는 치구조립체;
상기 금속판재로부터 이격된 위치에 화약을 배치하도록 형성되며, 원격지에서 상기 화약을 폭발시키도록 이루어지는 화약 폭발모듈; 및
상기 치구조립체와 연결되며, 수중에서 상기 화약의 폭발력이 상기 금속판재에 전달되어 상기 금속판재가 성형되도록 상기 치구조립체를 입수시키는 치구조립체 거치모듈를 포함하고,
상기 치구조립체는 상기 성형면과 상기 금속판재의 이격공간이 밀봉되도록 이루어지며, 상기 치구조립체에는 상기 이격공간이 진공을 이루도록 진공펌프와 연결가능한 배기밸브가 형성되며,
상기 치구조립체는,
일면에 상기 금속판재가 안착되는 제1 금형;
상기 금속판재의 가장자리를 덮도록 이루어지는 링부재;
상기 제1 금형의 타면에 배치되며, 상기 배기밸브가 장착되는 제2 금형; 및
상기 링부재와 제2 금형을 클램핑하도록 이루어지는 클램핑 모듈을 포함하고,
상기 제1 금형에는 상기 일면과 타면을 관통하는 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀의 상기 일면과 인접한 부분은 상기 제2 금형을 향하여 폭이 점차적으로 좁아지도록 형성되며,
상기 클램핑 모듈은,
상기 제1 및 제2 금형의 외주가 수용되도록 이루어지는 바디;
상기 링부재 및 상기 제2 금형의 적어도 일부를 덮도록 상기 바디의 양단에서 각각 돌출되는 돌기들; 및
상기 돌기들에 체결되어 상기 링부재 및 상기 제2 금형을 서로를 향하는 방향으로 가압하는 가압볼트를 포함하고,
상기 치구조립체 거치모듈은,
크레인과 연결되도록 이루어지는 거치바; 및
상기 거치바에서 연장되며, 상기 치구조립체와 연결되는 연결 와이어를 포함하며,
상기 연결 와이어는 상기 제1 및 제2 금형의 고리와, 상기 금속판재의 고리를 연결하며, 상기 치구조립체의 몸체에 감기도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속판재용 성형시스템.
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제1항에 있어서,
상기 제1 금형의 일면에는 홈이 형성되고, 상기 제1 금형의 일면과 상기 금속판재의 사이가 밀봉되도록 상기 홈에는 오링이 삽입되는 것을 특징으로 하는 금속판재용 성형시스템.
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제1항에 있어서,
상기 화약 폭발모듈은
상기 치구조립체에 장착되는 장착부;
상기 장착부로부터 연장되며, 상기 화약이 매달리도록 형성되는 화약 연결부; 및
원격지에서 상기 화약을 기폭시키도록 상기 화약으로부터 연장되는 기폭선을 포함하는 금속판재용 성형시스템.
제6항에 있어서,
상기 화약 폭발모듈은 수중에서 부력에 대한 상기 화약의 이동을 제한하도록 상기 부력과 반대방향으로 장력을 부여하는 부력제한부를 더 포함하는 금속판재용 성형시스템.
제7항에 있어서,
상기 부력제한부는 상기 장력을 발생시키도록 상기 화약 및 장착부를 연결하는 와이어를 포함하는 금속판재용 성형시스템.
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금형의 성형면과 이격되도록 상기 금형에 금속판재를 장착하고, 상기 성형면과 상기 금속판재의 사이에 형성되는 이격공간을 밀봉하는 단계;
진공상태를 형성하도록 상기 이격공간의 공기를 상기 금형에 장착되는 배기밸브를 통하여 외부로 배출하는 단계;
화약의 폭발력이 수중에서 상기 금속판재에 전달되도록, 상기 금속판재로부터 이격된 위치에 화약을 배치하고 치구조립체 거치모듈을 이용하여 상기 금형을 구비하는 치구조립체를 수중에 입수하는 단계; 및
상기 폭발력에 의하여 상기 금속판재가 상기 성형면에 밀착되며, 상기 밀착에 의하여 상기 금속판재가 성형되도록 상기 화약을 폭발시키는 단계를 포함하며,
상기 치구조립체는,
일면에 상기 금속판재가 안착되는 제1 금형;
상기 금속판재의 가장자리를 덮도록 이루어지는 링부재;
상기 제1 금형의 타면에 배치되며, 상기 배기밸브가 장착되는 제2 금형; 및
상기 링부재와 제2 금형을 클램핑하도록 이루어지는 클램핑 모듈을 포함하고,
상기 제1 금형에는 상기 일면과 타면을 관통하는 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀의 상기 일면과 인접한 부분은 상기 제2 금형을 향하여 폭이 점차적으로 좁아지도록 형성되며,
상기 클램핑 모듈은,
상기 제1 및 제2 금형의 외주가 수용되도록 이루어지는 바디;
상기 링부재 및 상기 제2 금형의 적어도 일부를 덮도록 상기 바디의 양단에서 각각 돌출되는 돌기들; 및
상기 돌기들에 체결되어 상기 링부재 및 상기 제2 금형을 서로를 향하는 방향으로 가압하는 가압볼트를 포함하고,
상기 치구조립체 거치모듈은,
크레인과 연결되도록 이루어지는 거치바; 및
상기 거치바에서 연장되며, 상기 치구조립체와 연결되는 연결 와이어를 포함하며,
상기 연결 와이어는 상기 제1 및 제2 금형의 고리와, 상기 금속판재의 고리를 연결하며, 상기 제1 및 제2 금형의 몸체에 감기도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속판재용 성형방법.
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