KR810000628B1 - 금속판의 복합곡면성형 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

금속판의 복합곡면성형 방법

그림 1은 적절한 받침대 위에 지지된 판(板)으로 운반되는 평판을 선상(線狀)가열하는 것을 나타내는 단면 투시도이며,

그림 2는 효과적인 가열부위를 도시한 판의 평면도이며,

그림 3은 그림 2와 같이 가열한 결과 형성된 구면부(球面剖)의 투시도이며,

그림 4는 그림 1에 도시한 받침대의 투시도이며,

그림 5는 약간 다른 형태의 복합만곡부를 형성케 하는 다른형으로 도시된 그림 2와 같은 도면임.

본 발명은 금속판의 곡면 생성에 관한 것이다. 특히 본 발명은 크고, 상대적으로 얇은 금속판을 3차원형의 복합곡면으로 성형시키는 것에 관한 것이다.

금속판을 3차원형의 복합곡면으로 성형시키는 방법으로서는 상온 혹은 고온에서 음각 압착(die pressing)하는 방법이 있다. 벼려서(forge)압착하는 방법도 실용화되어 있다. 때로는 복합곡면을 얻기 위해 복잡한 특수 롤러를 사용하여 롤링조작을 할때도 있다. 또 다른 방법으로는 처음 통상적인 롤링조작에 의해 단순한 2차원 곡면으로 제조한 다음 다른 방향으로 (때때로 역처리라 칭함) 압착하거나 벼리능등 만곡을 추가한다.

그러나, 성형 가공할 판의 크기가 비교적 작지 않거나 특정 목적을 위해 소요되는 판의 이론 매수가 제법 클 경우 이들 공법은 원래 상당히 비싸며 그래서 다른 공법을 개발하게 된 것이다. 가스 불꽃으로 가공할 판을 가열하는 방법이 시도 되었으나, 그러한 시도는 한쪽면이 반대편보다, 더 많이 가열되므로써 가열 차이에 의해 발생되는 회전효과에 좌우되어 왔다. 일반적으로 판의 한쪽면이 다른쪽보다 더 많이 수축하게 되면 판은 가열되는 선에 따라 굽어지게 되며 그로 인해 이 방향으로 굴곡이 생기게 된다.

이제 우리는 다음과 같은 사실을 발견하였다. 즉, 이러한 가열차이를 실질적으로 제거함으로써 상대적으로 균일한 온도가 좁은 폭을 따라 얻어질 경우에는 ＂면내수축＂ 현상으로써 크고, 비교적 얇은 금속판을 3차원형의 복합곡면으로 제작할 수 있다. 가열은 아세틸렌가스불꽃 혹은 그 유사물로 행할수 있으며 좁은 폭을 따라 판을 신속히 가열한 후, 그 열이 그러한 좁은 폭으로부터 판으로 발산되기전에 신속히 냉각한다. 가열은 가공하는 형에 따라 사전에 설계된 기하학적 선형에 따라 행하는데, 예를들면 판의 가장자리로부터 내부쪽으로 길이가 다양한 직선, 평행선에 따라 가열할 수도 있다. 부드러운 철판의 경우 금속의 기하학적 특성을 변경시키지 않을 필요가 있을때, 온도는 약 1000℉ 부근으로 올리며, 가열은 가급적 판전체를 통해서 변형이 골고루 일어나도록 미리 결정한 순서에 따라 가열하는 것이 좋다. 보통 그러한 변형은 처음 중간길이, 다음 점점 길게 그리고 짧은 길이로 가열하는 것이 효과적이다.

본 성형 방법은 여러가지 금속판에 적용이 가능하지만 가장 큰 상업적 적용 대상으로는 철판의 성형으로 기대된다. 일반적으로 본 방법은 알미늄보다 열전도도가 큰 금속판의 성형에는 적용하지 않는데 그 이유는 본 법이 비교적 좁은 폭에서 일정하게 높은 온도를 얻을 수 있는 능력에 좌우되는데, 좁은폭이 쉽게 냉각되기 때문이다. 본 성형법은 두께가 약 3/8 내지 1/4인치인 철판일 경우 가장 효과적으로 적용될 수 있으며 철합금의 성형시에는 두께가 1/4인치 이상일 경우에 최상의 응용이 가능시된다. 두꺼운 철판을 사용할 경우에는 줄을 따라 철판의 양면을 동시에 가열하여 좁은 폭을 따라 비교적 균일한 온도를 얻도록 하고, 냉각 역시 양면에서 신속히 행하는 것이 좋다. 연질 철판은 약 800℉이상으로 가열해서 성형하되 철의 기하학적인 특성이 변하지 않도록 할 필요가 있을 경우에는 약 1300℉이상의 온도로는 가열하지 않는다.

본 방법은 무게가 약 천파운드이상이고 거대한 금속구조물의 일부로서 매우 큰 판의 성형에 특히 적합한데, 예를들면 선체 혹은 주요 선박부분; 탱크, 반응기 및 그 유사물과 같은 대형화학공장 구조물; 그리고 기타 대형곡면금속 구조물등이다. 앞에서 지적한 바와 같이 본 법의 목적은 복합곡면을 가진 3차원형태로 가공하는 것이다. 정의를 위해, 간단한 2차원 곡면을 평면간의 교차선이 직선으로 된 무한개수의 평면으로 구성된 것으로 정의한다. 원통 혹은 원추등이 그예이다. 3차원 복합곡면은 각평면간의 교차선이 곡선인 것으로 정의하며, 예를들면 구면, 타원구면, 포물면, 쌍곡면 등이다.

성형할 판 11의 크기 및 무게 때문에 그림 1 및 4에 도시한 바와 같이 받침대 13의 상부에 설치되는 것이 보통이며, 받침대 13은 최종만곡부의 복합곡면 그 자체가 되도록 설계하는 것이 좋다. 받침대는 판 11의 주위 어느 부위라도 방해받지 않도록 받쳐주어야 하며, 이렇게 하므로써 바른 각도로 각선을 가열할 때 일어나는 면내수축에 악영향을 주지 않는다. 받침대 13은 간단한 설계로 이루어지는데, 상단면 17이 곡면으로된 다수의 횡단골격 15와 수개의 종단골격 19로써 견고하게 형틀로 짠다. 판의 성형은 어느방향, 예를들면 수직으로도 가능하지만 일반적으로 받침대위에 판을 얹었을 때 수평이 되도록하여 중력에의해 위쪽으로 오목한 형태로성형시키는데 도움이 되도록 하는 것이 보통이다. 이러한 받침대 배치로써 판의 한쪽면만 가열할 경우에는 위쪽면을 가열 하는 것이 보통이다.

가열은 적당한 가스토치램프 21 혹은 다른 적절한 열원으로 행하되 판 11이 신속히 원하는 온도(예를들면 철판인 경우 약 1000℉)로, 과열함이 없이, 상승시켜주는 것이면 된다. 통상 가스-산소토치 램프가 사용되는데, 아세틸렌 혹은 프로판과 같은 적절한 가스를 연소시킨다. 토치램프의 불꽃 구조는, 필요한 선을 따라 비교적 좁은 폭에만 가열 되도록 조정하는데, 불꽃의 폭은 판의 두께와 같던가 약간 적은 것이 좋다. 예를들면 폭이 약 1/2 인치인 불꽃은 두께가 9/16인치인 철판에 사용될 수 있다. 이러한 원리는 철에 높은 온도구배를 얻은 후 재빨리 냉각시키는데 기초를 두고 있다. 가열폭의 중심에서 바깥방향으로 온도구배는 적어도 반인치당 약 500℉이상인 것이 좋다. 아세틸렌 토치램프로써 상술한 폭으로 사용할 경우, 매분당 약 14인치의 속도로써, 가열온도 약 950℉ 내지 1050℉에서 필요한 구매가 얻어진다.

매우 큰판의 가열은 보통 옥외에서 혹은 옆벽 없는 큰지붕아래에서 수행하며, 적절한 살수기를 장치하여 분수에 의한 냉각효과를 얻도록 한다. 분수노즐 23은 토치램프 24에 의해 연결되어 있으며 가열 후 일정한 거리에서 자동적으로 냉각시키되 토치램프의 가열작업에 영향을 주지 않는 범위내에서 되도록 가깝게 설치한다. 상술한 속도로 가스토치램프가 움직일 경우 냉각 분수기는 불꽃으로 부터 약 3내지 4인치 뒤에 배치할 수 있다. 연결장치 24에는 안내용수레 25와 같은 적절한 안내장치를 연결하는 것이 좋은데 그것은 금속판으로부터 원하는 높이로 토치램프끝을 유지시켜 준다. 앞에서 일찍 언급한 바와 같이 면내 수축의원리는 좁은폭내에서 예리한 온도구배를 먼저 발생시킨 다음 가열된 금속의 온도를 급격히 낮추어 주므로써 이 구역에 수축이 일어나고, 가열선에 따라 발생된 수축의 결과로써 금속판의 국부에 원하는 만곡을 생성시키는 것이다. 가열 급냉공정은 수동으로 충분히 수행할 수 있지만 원할경우 자동화 역시 가능하다.

여하한 연속표면 상이건 면상의 각점간의 관계를 정의하는 기하학적 분석이 가능하다. 평면 상의 관계는, 잘알려진 유클리드 기하학적이다. 3차원곡면상에서는 이러한 특수관계는 존재하지 않으나 달리 적용할 수 있는 비유클리드 기하학이 있을 것이다. 이러한 양기하학은 양립할 수 없기 때문에 3차원곡면을 평면으로 전개하는데는 반드시 찌그러짐이 생기게 마련이다. 그러나 연속 3차원 곡면과 평면간의 미분학적 관계(즉 찌그러짐 구조)는 정립될 수 있으며, 이 점을 면성형 방법에 적용한다. 면의 형태에 따라 그면상의 점들사이의 차원관계가 결정되는 것과 같이, 역으로 점들간의 차원 관계에 따라 면의 형태가 결정된다. 즉, 만약에 철판상의 점의 차원구조가 구면 기하학에서 존재하는 구조와 일치한다면, 그 철판은구면형태인 것인바 그것은 그러한 차원구조를 만족시킬 수 있는 다른 기하학적 구조가 있을 수 없기 때문이다. 전술한 원리는 타원면 및 그 유사체등 다른 차원구조에서도 마찬가지이다. 평면으로부터, 예를들어, 구면형의 면으로 전환코저 할때는, 정확한 방향과 세기로 미분학적 면내수축이 이루어지도록 가열선구조를 채택하여 구면으로 제작된 표면상의 기하학과 구면자체의 그것과는 차원관계에서 차이(즉 찌그러짐 구조)가 없도록 하면 된다. 결과적으로 가열선구조의 좁은 폭에 따라 균일한 가열을 평면판상에서 행하면, 판은 구면부로 변형되는데, 그 이유는구면만이 새차원 구조로 존재할 수 있는 유일한 기하학적 구조이기 때문이다.

구조는 평판 11상에 색연필등으로는 가열선을 표시하는 것이 보통이다. 선구조는 제조 및 계획하고 있는 곡면의 형태에 따라 달라진다. 예를들면 안장형면을 제작코저할 경우 원형선 구조가 사용된다. 구면부를 제작할 경우에는 선은 직선이어야 한다. 그러나 선의 구조 및 판의 모양을 선택되는 배열형태에 따라 다르다. 판이 직사각형일 때 자주 사용되는 방사선 배열에서는 선을중심부에서 가장자리로 긋는다. 폭에 대한 길이의 비율이 2 이상일 때는 직각배열이 더욱 효과적이며 판의 긴방향 중심선을 구면의 경선으로 삼고 여기에 접하는 원통이 되도록 판을 배치한다. 양쪽 가장자리로 부터같은 거리에 있는 공통점은 직선으로 연결하지 않는다.

설명을 위한 일예로써, 반구의 뚜껑부분을 제작코저할 때, 각 구면소자의 구조를 처음 결정한 다음 구면소자에 상응하는 직교 배율을 한다. 그러한 시험 배열을 그림 2에 도시하였는데, 그것은 두께가 9/16인치이고 길이가

휘트이며 폭이 상부는 8휘트, 하부는 10휘트인 철판 11에 표시되어 있다. 이러한 배열에서는 모든 찌그러짐은 장방향 중심선 29에 따라 평행이며 장방향 중심선상에서는 찌그러짐이 없다. 그외의 모든 위치에서는 중심선으로 부터의 각도의 여현(cosine)의 역수의 함수이다. 예를들어 구의 반경이 776.25인치라고가정하면 K는 10당

인치이다. 중심선으로 부터의 직선거리가 d이고 중심선으로부터의 각도가 Q이면 d=KQ이다.

가열선 배열은 결과적인 수축구조가 원래의 평만에서 발생하는 찌그러짐 구조와 같도록 설계한다. 왜냐하면 수축은 가열선에 수직인 방향으로 일어나는 한편 찌그러짐 구조는 종방향인데 가열선은 횡방향이기 때문이다. 가열 및 냉각은 선을 따라 어느 방향으로 수행해도 무방하다. 즉, 가장자리에서 판의 중심부로 진행하거나 그 반대로도 무방하다.

배열에 있어서는 여러종류의 길이로 열선을 배열하는데, 그것으 종방향 중심선 29에 평행으로 뻗친 각구역 혹은 폭내에서 종방향으로 수축하도록 하는 동시, 선간의 폭이 다르므로써 중심선으로 부터의 각이 여현의 역수에 해당하는 찌그러짐을 없애도록 한다. 가열선의 상대 길이는 구면의 반경의 함수이다. 그러므로 길이는 본 방법으로 성형하는금속판의 모든 크기 및 두께에 적합토록 한다. 한편 가열선간의 간격은 각선의 수축량의 함수이다. 따라서 판의 두께에 따라 달라진다. 실예로 9/16인치 두께의 철판에서 간격이 8인치인 반변 3/4인치 두께의 철판에서는 간격은 약 6인치 정도로 축소되는 것이다.

상술한 여러종류의 길이의 평행선 구조에서 선에서 수직으로 많은 구역 혹인 띠가 형성되며, 거기에는 띠(band)마다 다른수의 선을 포함하게 된다. 가능한한 구조를 간단하게 하기 위해서는 이론치인

의 값에 접근하는 수열을 ＂띠당 선수(線壽)＂로 사용하는 것이 바람직하며, 가열선은 종방향중심선 29로 부터의 거리가 다른 8종류로 한 결과 계산 및 표시작업이 지나치게 복잡하지 않으면서도 차주 정확한 결과를 얻을 수 있음을 발견하였다.

그러한 배열을 판위에 표시키 위해서는 맨 먼저 두개의 가장자리에 평행으로 판의 중심부를 따라 종방향 종심선 29를 긋는다. 이선 29를 2등분하여 횡방향 중심선 31을 그은 후 종방향 중심선에 평행인 두개의 종방향보조선 33을 긋는다. 횡방향중심선 31에서 시작하여 종방향 보조선을 따라 등분하여 가열선을 긋는다. 등분하는 폭은 상술한 바와 같이 가공하는 금속판의 두께에 따라 다른다. 모든 선은 판의 가장자리로부터 시작하여 다른 가장자리까지의 폭의 절반 이하의 길이로서 직선으로 긋는다.

사용할 판 11이 제원이 결정되면 판의 최단변의 중심에서 맞은편변의 중심을 잇는 중심선 29를 맨먼저 긋는다. 이 중심선은 그의 2등분 횡단선 31의 중점을 지나거나 거기서 약간 벗어난다. 그림 2에 설명한 판에서 중심 횡단선의 폭은 약 108인치이며 가장짧으 선(즉 #8)은 종방 향중심선으로부터의 거리가 54인치인 위치에 긋는다. 다른 7종류 선의 원위치는 이거리(즉 54인치)및 ＂폭당선의 수＂비율의 함수이며, 수학적으로 각각 결정된다.

길이가 다른 8가지 선을 사용할 때 다음과 같은 방법으로 배열해야 함을 발견하였다. 즉 횡중심선 31(#1로 표시된 가장 긴 가열선인동시에 가장 짧은 거리에 위치함)로부터 시작하여 1,7,5,8,3,7,6,8,2,7,5,8,4,7,6,8의 순으로 배열하는 것이다. 이 방법으로 주어진 간격에 따라 선을 그르면 폭당 총 선의수가 얻어진다. 다음 중심선에서 #1내지 #8선까지의 거리(Dn)은, 상응하는 편각(Qn)의 여현의 역수가 폭당 선의 수효(Sn)에 선당 찌그러짐 설계치를 곱한 값에 1을 더한 값과 같게하는 방정식에 의해 계산할 수 있다. 계산 결과치를 다음에 표시한다.

그림 2에서 #8선중 어떤 것은 판 11의 가장자리 밖에 있는데 그럴 경우에는 단지 생략한다. 모든 가열선은 판의 가장자리에서 시작하여 두개의 주가장자리를 따라 평행인 관계를 유지하며 끝까지 뻗어있는 것이 보통이다. 성형공정의 원리에 의하면 판의 맨윗부분과 맨 아랫부분은 판의 몸체에 비하면 꾸부리는 힘을 덜 받기 때문에 이를 보정하기 위해 그림 2에서와 같이 판11의 끝에 수개의 짧은 사선을 첨가한다.

판위에 가열선 구조표시가 되면 중간 표시선(#4)을 가열한 다음 짧은 선(#5)를 가열하고 그 다음 긴 선(#3)을 가열하는 순서로하여 판전체를가열한다. 같은 번호의선을 전부 가열한 후 다음 번호로 옮겨가며, 기하학적 배열은 판의 전상한에 걸쳐 뻗어있으며 각 선군은 각 상한에 나타나 있다. 이 방법에 따라 가열하면 유리한 이유는 어느 선군에 따라 가열하건 결국 판은, 전 구역을 통해 국부적인 응력 발생없이, 원하는 형태로 접근할 수 있기 때문이다.

그러한 점직적이고도 전반적인 전이는 한 상한내에서 종결지은 다음 다른 상한으로 넘어가는 것이 좋다.

일반적으로 끝부분의 사선은 작업의 초기단계에서 가열하며, #5번 가열선 다음에 행하는 것이 좋다. 상술한 방법으 구면 부위에 적용되는 방법이며 비구면일 경우 변경되어야 한다. 그러나 점진적이고 전반적인 길이를 얻는 원리는 같다. 마지막으로 #8번선을 가열하면 철판은 그림 3에 표시된 형태의 구면형으로 된다.

그림 5에 도시한 판 41상의 가열선 43은 방사선 법에 의한 구면부 형성을 위한 배열이다. 방사선 법에 의한 가열선 배열은 판의 중심부로 부터 판 41의 가장자리로향해 방사선으로 뻗으며, 모든 가열선 43은 판의 중심부에서 짧게 끝나므로써 어느선이건 판을 가로지르지 않게 한다. 가열 및 냉각은 같은 방법이 사용되며, 처음 중간 길이 가열선부터가열한다.

본 발명은 구체적 실예를 들어 설명하였지만, 청구범위에서 정의한 본 발명과 같은 계통의 종전 기술의 것과는 엄청난 차이를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 비록 평판을 실예로 들었지만 그것은 제조가가 성혀시에 가장 적용이 용이하고, 기하학적으로 가열가열선을 배열하는 방법이 다소 단순하기 때문일 뿐이며, 본발명의 성형방법은 다른 형 예를 들어 원주의 일부등의 판에도 적용이 가능하며 전반적인 개념은 변함이 없다. 더우기 열원으로서 가스토치램프를 사용하는 대신 전열, 예를 들어 전기 유도가열 장치를 이용할 수가 있다.

Claims (1)

1. 도면으로 설명하고 본문에 상술한 바와 같이 금속판으로 특정 3차원의 복합곡면을 성형함에 있어서 계획된 선을 따라 금속판의 전두께를 통해 완전히 가열될 수 있는 속도로 열원을 이동시키므로써 비교적 좁은 폭을 따라 높은 온도로 금속판을 국부적으로 가열하고, 상기 판을 상기 가열된 가열선을 따라 급속히 냉각시키므로써, 상기 가열선에 실질적으로 수직인 방향으로 상기판의 면안에서 유효한 수축이 발생토록 하며 얻고자하는 복합곡면을 원자재 금속판의 형태로 변형시켰을 때 발생하는 찌그러짐을 보상하는 면내 수축이 이루어지므로써 복합곡면이 되도록 설계된, 판의 전구역을 통하여 미리 결정된 기하학적 배열구조에 따라 상기 가열 및 냉각과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 미리 결정된 복합곡면의 3차원 형상을 가진 금속판의 성형방법.

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