KR20100058886A - 가변 금형을 이용한 강판의 곡면성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 강판의 3차원 곡면성형방법에 관한 것으로, 금형을 여러 조각으로 분할하여 각 펀치의 위치를 조절함으로써 3차원(또는 2차원) 곡면을 자유롭게 성형 및 제작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 다수의 펀치별 위치배열을 결정할 수 있는 펀치보정기법과 더불어서 유한요소해석을 통한 스프링백(spring-back) 해석기법을 반영한 본 발명만의 해석프로그램을 실행하여 목표곡면을 가공할 수 있게 되어 있다. 이러한 방법을 통해서, 선박의 선수, 선미 외판의 가공형상이 매우 신속하고 유용하게 적용된다.

Description

가변 금형을 이용한 강판의 곡면성형방법 {Curved surface forming method of a steel plate using a variable type of metal mold}

본 발명은 다점성형가공을 이용하여 선박용 강판을 3차원 곡면으로 제작할 수 있는 방법에 관한 것으로, 특히 펀치보정기법과 스프링백 해석기법을 적용한 프로그램을 통해 목표곡면을 성취할 수 있도록 한다.

선박 생산기술 중, 여러 가지 3차원 곡면을 가진 블록들이 선박의 선수, 선미에서 3차원 곡면을 갖는 강판으로 가공하기 위해서는 상당히 어려운 기술의 공정을 요구한다.

통상적으로, 선체의 외판에 사용되는 강판이나 형강을 곡면 및/또는 곡선으로 굽혀 2차원 및/또는 3차원의 곡면가공 공정은 열간가공과 냉간가공으로 구분되어 실시되고 있다. 열간가공은 강재를 국부적으로 가열하여 급히 냉각시키면 국부적인 수축현상이 일어나는 성질을 이용하여 판재를 곡면으로 가공할 수 있는 한편, 냉간가공은 상온에서 롤러나 프레스 등의 기계적인 힘을 가하여 재료의 소성변형을 통해 원하는 형태로 가공하는 방법이다.

선박 건조시, 주로 이용되는 열간가공 공정은 국부적인 가열 후에 이어지는 냉각에 의하여 소재를 열의 이동방향과 수직방향으로 수축시켜 강판을 굽히게 하는 방법으로서 선수 및 선미의 3차원 곡면가공에 주로 이용되고 있는 선상가열법과 강판을 점의 형태로 가열하여 점 주위 360°방향으로 수축이 일어나도록 하는 점 가열법 등이 있다. 하지만, 선상가열법은 소음과 고열 및 섬광 발생으로 작업환경이 열악하고, 생산성이 매우 낮으며, 소재 표면에 직접적인 열을 가하기 때문에 재질 열화 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 이 방법은 작업자의 경험과 숙련도에 따라 품질이 균일하지 않은 문제가 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 선상가열법에서 사람을 대신하여 기계로 자동화하는 기술개발이 시도되고 있으나, 인간의 감각과 경험에 크게 의존하는 기술을 컴퓨터로 제어가능하도록 수치화하는 것에는 한계가 있으며, 아직까지 만족스런 실용화 단계에 도달하지 못하고 있는 게 현실이다.

본 발명은 앞서 기술된 종래기술에 따른 다양한 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 선박용 강판의 3차원 곡면가공을 위해 보편적으로 활용되고 있는 종래기술의 단점을 획기적으로 개선한다.

특히, 본 발명에 따른 가변 금형을 이용한 선박용 강판의 3차원 곡면성형방법은 다음과 같은 단계를 통해 실행되는바,

(a) 곡면형상의 선박용 강판을 제작하기 위한 유한요소해석 프로그램에 블랭크(blank)의 재료 물성치 및 형상을 정의하여 입력하는 단계와;

(b) 다른 형상의 곡면으로 가공하도록 유한요소해석을 수행하는 과정을 자동화시키기 위해, 가공대상 강판의 목표곡면을 정의하여 입력하는 단계;

(c) 상기 프로그램으로 블랭크와 목표곡면 사이의 상대거리를 결정하는 단계;

(d) 상기 입력정보를 수단으로 유한요소해석을 통해, 성형 펀치점의 반력과 처짐변위와의 관계를 구하는 단계;

(e) 각 펀치별로 가한 변위 및 펀치 상호 간의 간섭효과 때문에, 각 성형펀치별로 상이한 스프링백(spring-back)효과를 예측하는 단계;

(f) 일부 성형펀치가 가공대상 강판의 목표곡면을 벗어나 국부적인 가공결함을 일으키는 것을 방지하기 위하여 각 펀치별 접촉점을 보정하는 단계;

(g) 가변 금형장치에서 상하로 배치된 다수의 성형펀치를 유한요소해석과 스 프링백효과를 적용하여 상기 성형펀치의 위치를 배열하는 단계;

(h) 상기 상하로 배치된 다수의 성형펀치의 하중과 변위 관계를 제어하여 목표곡면을 성형하는 단계;

(i) 가변 금형을 이용하여 3차원 곡면을 성형가공후 가공곡면 실측시스템을 이용하여 성형된 블랭크의 형상을 측정하는 단계; 및

(j) 성형된 형상이 목표곡면의 허용오차 범위 내에 있는지 계측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 종래의 금형기술과는 달리 금형이 필요 없고 성형장치 내의 펀치의 위치제어만을 통해 성형대상 강판의 다양한 목표곡면을 가공해 낼 수 있는 기술을 제공하는 것이다. 특히, 선박의 선수, 선미 외판에서와 같이 가공형상이 다양한 작업에 매우 신속하고 유용하게 적용할 수 있는 이점을 가지고 있으며, 가공기술에 따른 품질저하 및 오작동 발생 등을 예방할 수 있다.

본 발명에서 개발된 전용 프로그램이 내장된 자동성형장치를 활용하는 경우에, 성형작업자의 경험이나 전문성이 상대적으로 적게 요구되기 때문에 작업 효율성과 정도를 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 포함한다.

이제, 본 발명에 따른 가변 금형을 이용한 선박용 강판의 3차원 곡면성형방법은 첨부도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다점성형 가변 금형을 이용한 선박용 강판의 3차원 곡면성형방법의 플로우차트이다.

본 발명은,

(a) 곡면형상의 선박용 강판을 제작하기 위한 유한요소해석 프로그램에 블랭크(blank)의 재료 물성치 및 형상을 정의하여 입력하는 단계와;

(b) 다른 형상의 곡면으로 가공하도록 유한요소해석을 수행하는 과정을 자동화시키기 위해, 가공대상 강판의 목표곡면을 정의하여 입력하는 단계;

(c) 상기 프로그램으로 블랭크와 목표곡면 사이의 상대거리를 결정하는 단계;

(d) 상기 입력정보를 수단으로 유한요소해석을 통해, 성형 펀치점의 반력과 처짐변위와의 관계를 구하는 단계;

(e) 각 펀치별로 가한 변위 및 펀치 상호간의 간섭효과 때문에, 각 성형펀치별로 상이한 스프링백(spring-back)효과를 예측하는 단계;

(f) 일부 성형펀치가 가공대상 강판의 목표곡면을 벗어나 국부적인 가공결함을 일으키는 것을 방지하기 위하여 각 펀치별 접촉점을 보정하는 단계;

(g) 가변 금형장치에서 상하로 배치된 다수의 성형펀치를 유한요소해석과 스프링백효과를 적용하여 상기 성형펀치의 위치를 배열하는 단계;

(h) 상기 상하로 배치된 다수의 성형펀치의 하중과 변위 관계를 제어하여 목 표곡면을 성형하는 단계;

(i) 가변 금형을 이용하여 3차원 곡면을 성형가공후 가공곡면 실측시스템을 이용하여 성형된 블랭크의 형상을 측정하는 단계; 및

(j) 성형된 형상이 목표곡면의 허용오차 범위 내에 있는지 계측하는 단계;의 방법을 통해 선박용 강판을 3차원 혹은 2차원적으로 곡면형성할 수 있다.

청구범위 제1항에 기재된 바와 같이, 본 발명은 선박용 강판을 3차원 혹은 2차원으로 곡면형성할 수 있는 방법을 포함하는데, 이러한 곡면성형방법을 위한 기본적인 자료 수집(입력)이 필요로 하게 된다. 이러한 과정은 단계 (a)~(c) 과정을 통해 프로그램 실행시 필요한 매개변수들을 제공한다.

전술된 단계 (d) 및 (e)에서, 강판을 성형펀치를 통하여 목표곡면 만큼의 변위를 가한 뒤, 제하(除荷;unloading)하면 성형된 곡면이 재료의 원상회복하려는 성질인 스링백효과로 인하여 강판의 변위가 달라지게 된다(도 2 참조). 이러한 효과로 인하여 강판의 목표곡면과의 오차가 발생한다. 또한, 다수의 펀치들이 개별적으로 가한 변위 및 펀치 상호간의 간섭효과 때문에 각각의 성형펀치의 스프링백효과는 서로 상이하게 되어, 유한요소해석을 통하여 각 펀치별 스프링백효과를 미리 예측하여 목표곡면보다 얼마나 더 큰 변위를 주었을 때 목표곡면에 도달할 수 있는지 예상할 수 있게 된다. 이러한 공정은 실제로 선박용 강판에 곡면성형을 실시할 때 실행착오를 거치지 않고 가공대상 강판에 정확한 변위를 가하게 되어 원하는 목표곡면을 달성할 수 있다.

덧붙여서, 본 발명에 따른 곡면성형방법에서는, 유한요소해석으로 알게 된 스프링백효과에 각 펀치별로 일정한 크기의 계수를 적용하거나 각 펀치별로 다른 계수를 적용하여 더욱 정확한 스프링백효과를 산정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 3을 참조로 하여, 스프링백효과는 아래 식에 의해 산정된다.

K = OA/OB, AB = OB-OA = CD

여기서, K는 계수이다.

유한요소해석과 스프링백효과를 산정하고 나서, 이를 적용하여 목표곡면을 달성하기 위한 성형펀치의 변위를 알 수 있게 된다. 유한요소해석을 선행하여 각 펀치별로 알게 된 스프링백효과를 각각의 계수(K)를 적용하여 산정한 데이터를 기본으로 하여 성형펀치의 위치를 배열하는 것으로, 다시 말하자면 목표곡면을 얻기 위해 필요로 하는 스프링백을 고려하여 변위를 가한 곡면만큼의 변위로 성형펀치를 배열하는 것을 의미한다.

OE = OB/K

OE = OB+CD

위의 수학식 2로 스프링백효과를 고려한 성형펀치의 위치를 배열할 수 있게 된다.

목표곡면 상의 변위(OB)만큼 모델링된 판재에 변위를 가한 뒤, 하중을 제거하면 영구처짐(OA)을 얻을 수가 있다. 이로 3차원 곡면가공시 성형펀치에 가하게 될 전체변위량(OE)을 결정할 수 있다. 따라서, 스프링백효과를 산정하여 나온 계수(K) 또는 변위(OA)를 통해 스프링백을 고려한 변위(OE)를 알게 되며, 스프링백을 고려한 변위(OE)만큼의 변위를 가한 뒤에, 제하하면 목표곡면의 변위(OB)를 얻을 수 있다.

도 1의 단계 (f)와 (g)를 참조로 하여, 본 발명에 따른 가변 금형을 이용하여 곡면성형방법을 이용하여 곡면성형을 실시할 때, 스프링백효과만을 고려하여 성형펀치의 위치를 배열하게 되면 도 4(a)와 같이 일부 성형펀치가 가공대상 강판(100)의 목표곡면을 벗어나(원호로 표기됨) 성형결함을 발생시켜 가공불량이 야기된다. 이러한 문제점을 방지하기 위치 펀치와 강판(100)이 정확하게 접촉할 수 있도록 펀치 접촉점을 보정하는 기술이 필요하다.

특히, 성형펀치(200)의 위치배열보정이 제대로 이루어지지 못하면 강판(100)의 곡면에 주름이나 펀치자국 등이 남게 되고 스프링백 효과를 고려한 하중보다 더 큰 하중이 가해질 뿐만 아니라 펀치 간의 간섭이나 특정 펀치에 하중의 집중이 일어나게 되어 목표곡면을 정확하게 획득할 수 있으며 펀치에 손상을 줄 위험성을 내포한다.

이러한 성형펀치의 접촉점 보정을 도 4(b)에 도시된 바와 같이 정위치배열하는 방법에 대해서 설명한다.

1. 스프링백을 고려한 변위를 가한 후 제하 전의 곡면을 생성한다.

곡면 생성시, 여러 좌표로 한 곡면을 생성하게 되면 오차가 발생할 여지가 커지게 된다. 그러므로 하나의 성형펀치를 기준으로 4개의 평면 중 하나가 접촉하다는 전제하에서 각각의 평면을 형성하여 전체적인 곡면을 생성시킨다(도 5 참조). 하나의 성형펀치를 기준으로 4개의 곡면을 형성하여 교정을 하는 것과 평면을 형성하여 교정을 하는 것에는 큰 차이가 없다고 판단하여 다루기가 효율적인 평면을 기준으로 선택한다.

평면 생성은 다음과 같은 평면의 방정식을 이용하여 생성한다.

세 점

를 지나는 평면이라고 할 때(기준점=a),

×

2. 곡면을 펀치의 반지름만큼 오프셋(offset)한다.

곡면을 펀치의 반지름(R)만큼 오프셋하는 것은 각각의 평면들을 법선방향으로 이동시키는 것으로, 도 6에 도시되었듯이 하부 펀치는 위로 이동시키고 상부 펀치는 아래로 이동시킨다.

평면의 법선벡터는 다음과 같다.

세 점 를 지나는 평면이라고 할 때(기준점=a),

×

펀치의 반지름이 R이라고 했을 때, 펀치 반지름만큼 법선벡터방향으로의 오프셋하여 다음과 같이

을 구하게 되고, 이 세 점을 지나는 평면을 형성하게 되면 오프셋 평면이 되고, 이를 통해 오프셋 곡면을 형성할 수 있다.

도 동일한 방법으로 구할 수 있다.

3. 성형펀치의 중심을 오프셋 곡면으로 이동

성형펀치의 중심이 오프셋 곡면에 오도록 하면 정확하게 곡면과 성형펀치가 접하게 된다(도 4(b)와 도 6 참조).

4. 성형펀치의 최종좌표 선정하기

도 7을 참조로 하면,

성형펀치의 최종좌표 = 성형펀치의 중심좌표 + 성형펀치의 반지름(R)

여기서, 성형펀치의 중심좌표는 오프셋 곡면으로 이동된 성형펀치의 중심좌표이다.

이러한 여러 단계를 거쳐, 작업자가 원하는 3차원 혹은 2차원적으로 강판에 곡면을 형성할 수 있도록 한다. 그 후의 단계 (h)~(j)는 당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 주지되어 있는 것으로 이에 대해 구체적인 언급은 피한다.

도 1은 본 발명에 따른 다점성형가공을 이용한 선박용 강판의 곡면성형방법의 플로우차트이다.

도 2는 선박용 강판의 스링백효과를 보여주는 도면이다.

도 3은 하중과 처짐 곡선에서의 스프링백의 그래프도이다.

도 4는, 도 4(a)는 상부펀치 접촉점의 보정 전 배열상태를 도시한 것이며, 도 4(b)는 상부펀치 접촉점의 보정 후 배열상태를 도시한 도면이다.

도 5는 4개의 평면에 펀치의 배열위치를 도시한 도면이다.

도 6은 상부펀치와 하부펀치의 접촉점 보정 방향을 도시한 도면이다.

도 7은 펀치 접촉점을 보정한 후의 최종좌표를 도시한 도면이다.

Claims (4)

1. (a) 곡면형상의 선박용 강판을 제작하기 위한 유한요소해석 프로그램에 블랭크(blank)의 재료 물성치 및 형상을 정의하여 입력하는 단계와;

   (b) 다른 형상의 곡면으로 가공하도록 유한요소해석을 수행하는 과정을 자동화시키기 위해, 가공대상 강판의 목표곡면을 정의하여 입력하는 단계;

   (c) 상기 프로그램으로 블랭크와 목표곡면 사이의 상대거리를 결정하는 단계;

   (d) 상기 입력정보를 수단으로 유한요소해석을 통해, 성형 펀치점의 반력과 처침변위와의 관계를 구하는 단계;

   (e) 각 펀치별로 가한 변위 및 펀치 상호간의 간섭효과 때문에, 각 성형펀치별로 상이한 스프링백(spring-back)효과를 예측하는 단계;

   (f) 일부 성형펀치가 가공대상 강판의 목표곡면을 벗어나 국부적인 가공결함을 일으키는 것을 방지하기 위하여 각 펀치별 접촉점을 보정하는 단계;

   (g) 가변 금형장치에사 상하로 배치된 다수의 성형펀치를 유한요소해석과 스프링백효과를 적용하여 상기 성형펀치의 위치를 배열하는 단계;

   (h) 상기 상하로 배치된 다수의 성형펀치의 하중과 변위 관계를 제어하여 목표곡면을 성형하는 단계;

   (i) 가변 금형을 이용하여 3차원 곡면을 성형가공후 가공곡면 실측시스템을 이용하여 성형된 블랭크의 형상을 측정하는 단계; 및

   (j) 성형된 형상이 목표곡면의 허용오차 범위 내에 있는지 계측하는 단계;를 포함하는, 가변 금형을 이용한 강판의 곡면성형방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계(j)에서 허용오차를 벗어나게 되면 상기 단계(c)로 되돌아가 상기 공정들을 반복하여 실행하는, 가변 금형을 이용한 강판의 곡면성형방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 단계(e)에서 초기 블랭크를 성형펀치로 목표곡면만큼의 변위를 가한 뒤, 제하하면 성형된 곡면이 스프링백효과로 회복되는 성질을 이용하여 예측하는 기술을 포함하며, 각 펀치 별로 일정한 크기의 계수를 적용하거나 펀치별로 다른 계수를 적용하여 스프링백효과를 산정하는, 가변 금형을 이용한 강판의 곡면성형방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 단계(f)에서 펀치 접촉점 보정을 위하여 목표곡면을 펀치의 반지름(R)만큼 오프셋(offset)하여 성형펀치의 중심을 오프셋 곡면으로 이동하여 정확하게 곡면과 성형펀치가 접하도록 하는, 가변 금형을 이용한 강판의 곡면성형방법.

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