KR102149852B1

KR102149852B1 - 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법

Info

Publication number: KR102149852B1
Application number: KR1020200037562A
Authority: KR
Inventors: 제영곤; 윤상환
Original assignee: (주)연암테크
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-09-01

Abstract

본 발명은 위성 발사체에 사용되는 연료탱크의 절삭가공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원통형 실린더 모양의 원소재를 준비하고 절삭상태에 대한 실시간 모니터링이 가능한 공작기계를 이용해 원소재 내면에 다수의 포켓을 절삭 가공함으로써 연료탱크의 치수정밀도를 향상시키고, 불량품의 발생을 줄이며, 용접으로 일어날 수 있는 소재의 뒤틀림을 방지함으로써 고품질의 연료탱크를 제작할 수 있는 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법이다.

Description

위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법{Method of maching a fuel tank for satellite projectiles}

일반적으로 위성 발사체 즉, 로켓(rocket)은 우주공간을 비행할 수 있는 추진기관을 가진 비행체를 말하며, 이러한 위성 발사체는 강한 추진력을 확보하기 위해 대용량의 연료를 적재할 수 있는 연료탱크가 필요하다.

이러한 연료탱크의 제작과 관련된 종래기술로서는 공개특허 제10-2000-0045606호에 개시되어 있는 위성용 추진제의 탱크 제작 방법이 있다.

상기 특허에는 위성용 추진제의 탱크 제작 방법에 있어서, 추진제 탱크의 외경의 형상에 맞는 몰드와 원하는 두께의 6AL 4V 티타늄 시트를 준비하는 제1 공정과; 상기 준비된 6AL 4V 티타늄 시트의 양끝을 고정물로 고정시킨 다음 오븐속에 넣고 상기 6AL 4V 티타늄 시트의 연신율이 최대가 되는 일정온도를 상기 6AL 4V 티타늄 시트에 가하는 제2 공정과; 상기 오븐 속에서 상기 6AL 4V 티타늄 시트 위에 상기 몰드를 올려놓고 시트에 가스의 압력을 몰드 방향으로 서서히 가하여 성형하는 제3 공정과; 성형된 반구의 형상이 되도록 고정물에 의해 접혀진 부분을 자르고, 용접될 부위를 드릴가공한 다음 용접된 반구의 중앙부를 전처리하는 제4 공정과; 상기 반구의 상단과 하단부에 각각 입/출력 포트를 용접하고 2개의 반구 중앙부를 전자빔 용접하여 추진제 탱크를 형성하는 제5 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 위성용 추진제의 탱크 제작 방법이 개시되어 있는데, 티타늄 시트의 양끝을 고정물로 고정시킨 다음 오븐 속에 넣고 온도를 올리고 시트에 가스의 압력을 가해 티타늄 시트를 몰드의 모양대로 성형하게 되나, 가스의 압력이 제거되고 나면 티타늄 시트의 탄성에 의해 그 형상이 변할 우려가 있으며, 특히 여러 개의 시트가 나뉘어 제작됨으로써 시트 간 용접으로 접합할 수밖에 없어서 탱크 내부의 연료가 연소될 때의 높은 압력으로 용접부위가 떨어질 우려가 있다.

또 다른 종래기술로서는 공개특허공보 제10-2015-0003078호에 제안되어 있는 마찰교반접합을 이용한 발사체용 연료탱크의 제조방법이 있다.

상기 특허에는 제1길이 L와 지름 D를 갖는 원통형 몸체와 상기 원통형 몸체의 상단과 하단에 대응하는 반구형 엔드커버를 각각 제조하는 단계; 및 상기 원통형 몸체와 상기 반구형 엔드커버를 마찰교반접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합을 이용한 발사체용 연료탱크의 제조방법이 제안되어 있는데, 시트 자재를 이용해 원통형 몸체와 반구형 엔드커버를 제작함으로써 절곡이 일정하게 되지 않아 치수정밀도가 떨어질 수밖에 없고, 원통형 몸체 역시 양단부를 용접에 의해 서로 결합시켜야 하고, 엔드커버도 용접에 의해 결합해야 함으로써 탱크 내부의 연료가 연소될 때의 높은 압력으로 용접부위가 떨어질 우려가 있으며, 원하는 동심도를 가진 연료탱크의 제작이 매우 어려운 단점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2000-0045606호(2000. 7. 25. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0003078호(2015. 1. 8. 공개)

따라서, 본 발명은 원통형 실린더 모양의 원소재를 준비하고 절삭상태에 대한 실시간 모니터링이 가능한 공작기계를 이용해 원소재 내면에 다수의 포켓을 절삭 가공함으로써 연료탱크의 치수정밀도를 향상시키고, 불량품의 발생을 줄이며, 용접으로 일어날 수 있는 소재의 뒤틀림을 방지함으로써 고품질의 연료탱크를 제작할 수 있는 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 공작기계에 의해 포켓을 가공할 때 진공력에 의해 원소재의 외면을 고정한 상태에서 절삭가공을 진행함으로써 소재의 떨림을 방지하고 절삭가공에 의한 치수변화를 방지한 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 가공단계에서는 절삭상태에 대한 실시간 모니터링을 복합적으로 수행함으로써 육안으로 확인이 어려운 가공상태에서도 절삭에 대한 이상 유무를 정확히 확인할 수 있는 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 의한 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법은 위성 발사체에 사용되는 연료탱크의 절삭가공방법에 있어서, 가공을 위한 원소재를 준비하는 원소재 준비단계와, 준비된 원소재를 고정지그에 고정하는 원소재 고정단계와, 고정된 원소재의 내면을 공작기계를 사용해 절삭 가공하는 절삭가공단계와, 절삭가공이 완료된 제품을 검사하는 검사단계;로 이루어지는 것이 특징이다.

본 발명에 의한 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법은 원통형 실린더 모양의 원소재를 준비하고 절삭상태에 대한 실시간 모니터링이 가능한 공작기계를 이용해 원소재 내면에 다수의 포켓을 절삭 가공함으로써 연료탱크의 치수정밀도를 향상시키고, 불량품의 발생을 줄이며, 용접으로 일어날 수 있는 소재의 뒤틀림을 방지함으로써 고품질의 연료탱크를 제작할 수 있는 현저한 효과가 있으며, 공작기계에 의해 포켓을 가공할 때 진공력에 의해 원소재의 외면을 고정한 상태에서 절삭가공을 진행함으로써 소재의 떨림을 방지하고 절삭가공에 의한 치수변화를 방지한 효과와 함께, 가공단계에서는 절삭상태에 대한 실시간 모니터링을 복합적으로 수행함으로써 육안으로 확인이 어려운 가공상태에서도 절삭에 대한 이상 유무를 정확히 확인할 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 위성 발사체용 연료탱크의 구성예시도
도 2는 본 발명에 의한 위성 발사체용 연료탱크의 제작공정도
도 3은 본 발명에 의한 고정지그의 구성예시도
도 4는 본 발명에 의한 고정지그의 평면구성도
도 5는 음향센서 테이터 FFT변환을 통한 가공상태 진단 구성예시도

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 위성 발사체용 연료탱크의 구성예시도로써, 대략 원통형 실린더 모양의 연료탱크(10)로써, 상기 연료탱크 내부에는 다수의 포켓(11)이 형성되는데, 연료탱크(10)의 품질을 결정짓는 요소로서는 동심도를 비롯한 치수정밀도가 허용범위 내에 들어야 한다.

즉, 도 1에 도시된 연료탱크(10)는 1,700개에 달하는 수직그리드(Ortho-Grid)와 다수의 Cut-Out으로 구성된 연료 탱크이며, 1,700개의 Web(Skin, 바닥면)과 3,600개의 Rib(Wal, 격벽)에 단 하나의 채터나 데미지 없이 허용 공차를 만족해야 하는 고난이도의 가공기술이 필요하며 무엇보다 안정화된 절삭조건구현이 필수적이다. Web의 공차는 2.0±0.25, Rib의 가공공차는 3.7±0.15로 하한공차를 0.01mm라도 벗어나면 발사 시에 크랙으로 인한 파손의 우려가 있고, 상한으로 가면 과중량으로 인한 추력에 문제가 발생할 수 있다.

도 2는 본 발명에 의한 위성 발사체용 연료탱크의 제작공정도로써, 본 발명에 의한 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법은 위성 발사체에 사용되는 연료탱크의 절삭가공방법에 있어서, 가공을 위한 원소재를 준비하는 원소재 준비단계(S 10)와, 준비된 원소재를 고정지그(20)에 고정하는 원소재 고정단계(S 20)와, 고정된 원소재의 내면을 공작기계를 사용해 절삭 가공하는 절삭가공단계(S 30)와, 절삭가공이 완료된 제품을 검사하는 검사단계(S 40);로 이루어지는 것이 특징이다.

먼저, 원소재 준비단계(S 10)는 연료탱크(10)를 만들기 위한 원소재를 준비하는 단계로써, 위성 발사체용 연료탱크의 원재료로서는 무게가 가벼우면서도 고강성인 재료인 알루미늄 합금을 사용할 수 있다.

일반적으로 알루미늄 합금은 열처리 합금과 비열처리 합금으로 나눌 수 있으며, 이 중에서 1000계는 공업용 순Al(99.0~99.9%)과 고순도Al(99.9%) 나눌 수 있고 타 합금 재에 비하여 기계적 강도는 나쁘지만 내식성 및 빛의 반사성, 전기 및 열의 전도성이 좋고 가공성 및 용접성도 우수하다. 공업용 Al은 가정용기구나 열교환기의 핀 종류, 건자재로 사용되고 고 순도 Al은 화학공업용 탱크 식품용 용기, 반사판으로 주로 사용되고, 2000계는 Al-Cu와 Al-Cu-Mg계로 분류할 수 있는데 Al-Cu계는 내식성이 나쁘기 때문에 항공용으로 사용할 시는 내식성을 개선하기 위하여 순Al을 압연한 Clad재를 사용한다. Al-Cu-Mg계 합금은 상온시효성이 좋으며 두랄루민(2017)은 강도가 강(철)의 수준이다. 2000계는 용접성 및 브레이징 성이 나쁘기 때문에 용접용으로 사용하지 않고 기계부품이나 항공기기, 광학부품용으로 많이 사용한다. 그러나 Cu을 다량으로 함유한 2219는 용접이 가능하다.

따라서, 본 발명의 원소재로 사용할 수 있는 알루미늄 합금은 2000계(열)의 합금을 사용하는 것이 바람직하고, 원통형 실린더 모양으로 만들기 위해서는 전신재를 사용할 수 있으며, 경우에 따라서는 원소재를 주물 또는 다이캐스팅 방식으로도 제작할 수 있는데, 상기 원소재 준비단계에서 준비되는 원소재는 원통형 실린더를 사용함으로써 제작되는 연료탱크의 공정에서 용접공정을 배제할 수 있고, 이를 통해 제작공정을 간편하게 함과 동시에 고강성이면서 일정한 품질을 유지할 수 있는 연료탱크를 제작할 수 있다.

준비된 원소재는 원소재 고정단계(S 20)에서 고정지그(20)에 고정하며, 고정이 완료된 원소재는 절삭가공단계(S 30)를 통해 내면에 포켓을 형성하는 절삭가공이 진행되며, 절삭가공이 완료된 이후에는 포켓(11)과 리브(12)의 형상이나 치수에 대해 검사하는 검사단계(S 40)가 진행된다.

도 3은 본 발명에 의한 고정지그의 구성예시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 고정지그의 평면구성도로써, 상기 원소재 고정단계(S 20)는 원소재의 모양과 일치하는 원통형 고정지그에 원소재를 고정하되, 상기 고정지그(20)는 분할 구성되어 있는 호형 플레이트(21)에 일정한 간격으로 진공유로(22)가 형성되어 있으며, 상기 호형 플레이트(21)에 원소재가 밀착되면 진공펌프(도시하지 않음)로써 진공유로(22)에 잔존하는 공기를 빼내어 진공력에 의해 원소재의 외면을 고정지그(20)에 밀착 고정하게 된다.

즉, 고정지그(20)는 원통형 실린더 모양의 원소재와 동일한 형상으로 제작하고, 상기 고정지그(20)에 설치되는 호형 플레이트(21)에는 일정한 간격으로 진공유로(22)를 형성시켜 호형 플레이트(21)와 원소재를 밀착시킨 다음 진공펌프를 이용해 진공유로(22)에 잔존하는 공기를 빼냄으로써 원소재를 고정지그(20)에 밀착 고정시켜 준다.

이 상태에서 원소재를 절삭가공함으로써 원소재가 뒤틀리는 것을 방지하여 치수정밀도를 향상시키고, 원소재가 가공중 떨리는 것을 방지하게 된다.

또한, 상기 절삭가공단계(S 30)는 원소재의 내면을 공작기계를 사용하여 절삭하되, 엔드밀로써 일정한 크기와 모양을 가지도록 포켓(11) 가공을 수행하며, 포켓(11)과 포켓(11) 사이에는 별도의 절삭가공을 수행하지 않음으로써 절삭 후 남아있는 살 부분이 리브(12, rib)가 된다.

즉, 5축 공작기계를 사용하여 원소재 내면에 다수의 포켓(11)을 절삭 가공하고, 포켓(11)과 포켓(11) 사이에는 별도의 절삭가공을 수행하지 않음으로써 포켓 가공후 남아있는 살 부분이 리브(12)가 되고, 이러한 리브(12)에 의해 연료탱크의 고강성을 유지할 수 있다.

또한, 상기 절삭가공단계(S 30)는 엔드밀에 의한 절삭가공이 수행되는 동안 절삭상태에 대한 실시간 모니터링이 이루어지며, 절삭저항에 의해 공구구동을 위한 모터에 인가되는 전류의 변화량이나 부하량을 감지하여 이상 유무를 파악하는 동시에, 가공중 발생하는 가공음파를 음향센서로 측정하여 FFT(고속푸리에 변환)를 통해 절삭가공음의 주파수를 확인함으로써 공구떨림이나 공구파손과 같은 이상 상태를 파악하게 된다.

즉, 엔드밀로써 원소재 내면에 포켓을 절삭 가공할 때 절삭상태에 대한 실시간 모니터링을 수행함으로써 불량품의 발생을 원천적으로 차단할 수 있는데, 절삭저항에 의해 모터에 인가되는 전류의 변화량을 파악하여 급격한 전류의 상승이 일어나는 경우 가공부하가 급격히 상승된 것으로 인식하고, 이는 곧 공구의 파손과 같은 이상상태가 발생한 것이므로, 절삭가공을 즉시 중단하게 된다.

또한, 모터에 인가되는 가공부하 즉, 전류의 변화량 감지와 함께, 도 5와 같이 가공음파를 음향센서로 측정하여 FFT를 통해 가공상태를 진단하게 되는데, 안정적인 가공에서는 진동수가 일정하게 측정되나 공구떨림과 같은 이상상태에서는 일정한 진동수 이외에 다른 주파수들이 측정되므로 이를 통해 이상 여부를 확인할 수 있다.

또한, 상기 절삭가공단계(S 30)에서 수행되는 실시간 모니터링은 공작기계에 부가된 임베디드시스템을 이용하되, 상기 임베디드시스템은 CNC 통신모듈, 센서신호 처리모듈 및 데이터입력단 모듈로 구성되고, 상기 CNC 통신모듈은 공작기계의 CNC와 지속적인 이더넷 통신을 통해 공구위치 및 주요가공정보를 공작기계로부터 수신하기 위한 구성이고, 센서신호 처리모듈은 센서정보를 실시간 처리하여 이상상태 진단을 위한 정보를 생성하되, 현재의 가공상태가 과부하 상태인지 정상상태인지를 판단하여 CNC 통신모듈에 그 결과를 보내고, 상기 CNC 통신모듈은 수신한 결과에 따라 현재의 가공상태를 제어하게 되며, 상기 데이터입력단은 센서테이터를 입력받기 위해 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하되 센서별로 각각의 AD컨버터와 통신수단을 적용하게 된다.

즉, 공작기계에 부가된 임베디드시스템을 이용하여 실시간 모니터리을 수행하되, CNC 통신모듈, 센서신호 처리모듈 및 데이터입력단 모듈로 구성된 임베디드시스템을 이용하고, CNC 통신모듈은 공작기계의 CNC와 지속적인 이더넷 통신을 통해 공구위치 및 주요가공정보를 공작기계로부터 수신하고 명령에 의한 위치와 실제 절삭공구가 있는 위치의 차이를 확인하여 공구의 이송속도 및 회전속도를 조절해주게 되며, 센서신호 처리모듈은 센서정보를 실시간 처리하여 이상상태 진단을 위한 정보를 생성하되, 현재의 가공상태가 과부하 상태인지 정상상태인지를 판단하여 CNC 통신모듈에 그 결과를 보내고 과부하 상태로 파악될 경우 가공을 중단시키며, 데이터입력단은 센서테이터를 입력받기 위해 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하되 센서별로 각각의 AD컨버터와 통신수단을 적용하여 정확한 센서데이터를 입력하기 위한 구성이다.

결국, 본 발명에 의한 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법은 원통형 실린더 모양의 원소재를 준비하고 절삭상태에 대한 실시간 모니터링이 가능한 공작기계를 이용해 원소재 내면에 다수의 포켓을 절삭 가공함으로써 연료탱크의 치수정밀도를 향상시키고, 불량품의 발생을 줄이며, 용접으로 일어날 수 있는 소재의 뒤틀림을 방지함으로써 고품질의 연료탱크를 제작할 수 있는 현저한 효과가 있으며, 공작기계에 의해 포켓을 가공할 때 진공력에 의해 원소재의 외면을 고정한 상태에서 절삭가공을 진행함으로써 소재의 떨림을 방지하고 절삭가공에 의한 치수변화를 방지한 효과와 함께, 가공단계에서는 절삭상태에 대한 실시간 모니터링을 복합적으로 수행함으로써 육안으로 확인이 어려운 가공상태에서도 절삭에 대한 이상 유무를 정확히 확인할 수 있는 현저한 효과가 있다.

S 10; 원소재 준비단계 S 20; 원소재 고정단계
S 30; 절삭가공단계 S 40; 검사단계
10. 연료탱크 11. 포켓
12. 리브
20. 고정지그 21. 호형 플레이트
22. 진공유로

Claims

위성 발사체에 사용되는 연료탱크의 절삭가공방법에 있어서,
가공을 위한 원소재를 준비하는 원소재 준비단계(S 10)와, 준비된 원소재를 고정지그(20)에 고정하는 원소재 고정단계(S 20)와, 고정된 원소재의 내면을 공작기계를 사용해 절삭 가공하는 절삭가공단계(S 30)와, 절삭가공이 완료된 제품을 검사하는 검사단계(S 40);로 이루어지며,
상기 절삭가공단계(S 30)는 엔드밀에 의한 절삭가공이 수행되는 동안 절삭상태에 대한 실시간 모니터링이 이루어지며, 절삭저항에 의해 공구구동을 위한 모터에 인가되는 전류의 변화량이나 부하량을 감지하여 이상 유무를 파악하는 동시에, 가공중 발생하는 가공음파를 음향센서로 측정하여 FFT(고속푸리에 변환)를 통해 절삭가공음의 주파수를 확인함으로써 공구떨림이나 공구파손과 같은 이상 상태를 파악하고,
상기 절삭가공단계(S 30)에서 수행되는 실시간 모니터링은 공작기계에 부가된 임베디드시스템을 이용하되, 상기 임베디드시스템은 CNC 통신모듈, 센서신호 처리모듈 및 데이터입력단 모듈로 구성되고, 상기 CNC 통신모듈은 공작기계의 CNC와 지속적인 이더넷 통신을 통해 공구위치 및 주요가공정보를 공작기계로부터 수신하기 위한 구성이고, 센서신호 처리모듈은 센서정보를 실시간 처리하여 이상상태 진단을 위한 정보를 생성하되, 현재의 가공상태가 과부하 상태인지 정상상태인지를 판단하여 CNC 통신모듈에 그 결과를 보내고, 상기 CNC 통신모듈은 수신한 결과에 따라 현재의 가공상태를 제어하게 되며, 상기 데이터입력단은 센서테이터를 입력받기 위해 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하되 센서별로 각각의 AD컨버터와 통신수단을 적용하는 것이 특징인 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법.
제1항에 있어서,
상기 원소재 준비단계(S 10)에서 준비되는 원소재는 알루미늄 합금이 원료인 원통형 실린더인 것이 특징인 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법.
제1항에 있어서,
상기 원소재 고정단계(S 20)는 원소재의 모양과 일치하는 원통형 고정지그(20)에 원소재를 고정하되, 상기 고정지그(20)는 분할 구성되어 있는 호형 플레이트(21)에 일정한 간격으로 진공유로(22)가 형성되어 있으며, 상기 호형 플레이트(21)에 원소재가 밀착되면 진공펌프로써 진공유로(22)에 있는 공기를 빼내어 진공력에 의해 원소재의 외면을 고정지그에 밀착 고정하는 것이 특징인 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법.
제1항에 있어서,
상기 절삭가공단계(S 30)는 원소재의 내면을 공작기계를 사용하여 절삭하되, 엔드밀로써 일정한 크기와 모양을 가지도록 포켓(11) 가공을 수행하며, 포켓(11)과 포켓(11) 사이에는 별도의 절삭가공을 수행하지 않음으로써 절삭 후 남아있는 살 부분이 리브(12, rib)가 되는 것이 특징인 위성 발사체용 연료탱크의 절삭가공방법.
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