KR101602109B1

KR101602109B1 - 격자형 금형의 격자 설계 방법

Info

Publication number: KR101602109B1
Application number: KR1020150121823A
Authority: KR
Inventors: 이인규; 이상곤; 정명식; 김병민; 박훈재; 황선광; 이찬주; 이정민
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2016-03-10

Abstract

본 발명에 의하면, 편평한 직사각형의 알루미늄 후판인 성형 소재를 구면의 일부를 형성하는 곡면을 갖도록, 볼록하거나 오목하게 형성된 직사각형의 가공면으로 상기 성형 소재를 가압하는 격자형 금형에서 직각을 이루며 교차하고 서로 등간격으로 이격되는 다수의 개별 격자벽에 의해 형성되는 격자 구조를 설계하는 방법으로서, 상기 가공면의 에지를 형성하는 상기 격자 구조의 크기를 결정하는 격자 크기 결정 단계; 및 상기 개별 격자벽이 형성하는 격자선의 수를 결정하는 격자선 수 결정 단계; 상기 성형 소재의 성형 후 형상이 곡률오차범위를 만족하는지 여부를 확인하는 곡률오차범위 평가 단계를 포함하며, 상기 곡률오차범위 평가 단계에서 곡률오차범위를 만족하지 못하는 경우 상기 격자선 수를 증가시켜서 상기 곡률오차범위 평가 단계를 다시 수행하며, 상기 곡률오차범위 평가 단계는 상기 가공면의 대각선 상에서 상기 다수의 격자선의 교차점에 형성되는 스플라인 곡선(spline curve)이 곡률오차범위를 만족하는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 격자형 금형의 격자 설계 방법이 제공된다.

Description

격자형 금형의 격자 설계 방법 {METHOD FOR DESIGNING LATTICE OF LATTICE TYPE PRESS FORMING MOLD}

본 발명은 알루미늄 후판의 곡면 성형을 위한 금형 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 필요에 따라서 가공면의 형태를 용이하게 변경할 수 있는 금형 장치에 관한 것이다.

액화천연가스(LNG)를 운반하는 LNG선은 LNG를 저장하는 저장탱크의 형태에 따라서 멤브레인형과 독립구조형('MOSS형'이라고도 함)으로 구분된다. 멤브레인형의 경우 슬로싱(sloshing)에 의한 누출 문제가 있어서, 최근에는 슬로싱에 강하고 안전성이 우수한 독립구조형 저장탱크를 선호하는 추세이다.

독립구조형 저장탱크는 구의 형태를 갖는데, 일정한 곡률로 성형된 다수의 알루미늄 후판 패치를 용접하여 제작된다. 등록특허공보 제10-0258312호에는 볼록한 상부면을 갖는 격자형의 상부 다이와 오목한 하부면을 갖는 격자형의 하부 다이를 이용하여 알루미늄 후판을 곡면 성형하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 등록특허공보 제10-1339688호에는 독립구조형 저장탱크 제작을 위해 알루미늄 후판을 곡면 가공하는 격자형 금형의 곡률을 목표 곡률보다 2% 크게 형성하는 기술이 개시되어 있다. 독립구조형 저장탱크를 제작하기 위해 알루미늄 후판을 곡면 가공하는 격자형 금형은 대형의 장비이기 때문에 장비 구축에 막대한 초기 투자비용이 소요되므로, 경제적인 격자 설계가 요구되지만 이에 대한 연구는 전무한 실정이다.

등록특허공보 등록번호 제10-0258312호 "구형 LNG 탱크 및 그러한 탱크의 제조방법" (2000.06.01) 등록특허공보 등록번호 제10-1339688호 "구체 저장용기 제작용 알루미늄 후판 성형장치" (2013.12.10.)

본 발명의 목적은 알루미늄 후판의 곡면 성형을 위한 격자형 금형의 격자 설계 방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

편평한 직사각형의 알루미늄 후판인 성형 소재를 구면의 일부를 형성하는 곡면을 갖도록, 볼록하거나 오목하게 형성된 직사각형의 가공면으로 상기 성형 소재를 가압하는 격자형 금형에서 직각을 이루며 교차하고 서로 등간격으로 이격되는 다수의 개별 격자벽에 의해 형성되는 격자 구조를 설계하는 방법으로서, 상기 가공면의 에지를 형성하는 상기 격자 구조의 크기를 결정하는 격자 크기 결정 단계; 및 상기 개별 격자벽이 형성하는 격자선의 수를 결정하는 격자선 수 결정 단계; 상기 성형 소재의 성형 후 형상이 곡률오차범위를 만족하는지 여부를 확인하는 곡률오차범위 평가 단계를 포함하며, 상기 곡률오차범위 평가 단계에서 곡률오차범위를 만족하지 못하는 경우 상기 격자선 수를 증가시켜서 상기 곡률오차범위 평가 단계를 다시 수행하며, 상기 곡률오차범위 평가 단계는 상기 가공면의 대각선 상에서 상기 다수의 격자선의 교차점에 형성되는 스플라인 곡선(spline curve)이 곡률오차범위를 만족하는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 격자형 금형의 격자 설계 방법이 제공된다.

삭제

상기 격자 크기 결정 단계에서는 다음과 같은 수학식으로 결정되는 상기 격자 구조의 폭(

)과 다음과 같은 수학식으로 결정되는 상기 격자 구조의 길이(

)이 결정될 수 있다.

,

여기서,

는 상기 성형 소재의 폭,

는 상기 성형 소재의 길이,

는 상기 성형 소재의 열팽창계수,

는 열간 성형시 상기 성형 소재의 상승 온도이다.

상기 개별 격자벽의 두께(t)를 다음과 같은 수학식으로 결정하는 격자벽 두께 결정 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서,

는 상기 가공면의 곡률반경,

는 상기 가공면의 대각선과 상기 격자의 폭방향 연장선이 이루는 각도이다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 스플라인 곡선을 이용하여 곡률오차범위 만족 여부를 확인하고, 만족하지 못하는 경우 격자선 수를 순차적으로 증가시키게 되므로 격자형 금형이 더욱 경제적으로 설계되는 것이 가능해진다.

도 1은 알루미늄 후판의 곡면 성형을 위한 금형 장치의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자형 금형의 격자 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시된 격자 설계 방법의 수행에 기준이 되는 편평한 성형 대상 알루미늄 후판을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 금형의 최외곽 격자 크기 결정 단계를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 금형의 최외곽 격자 두께 결정 단계를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 격자선 수 결정 단계가 수행된 상태를 도식적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 2에 도시된 곡률 오차 확인 단계에서 오차범위를 벗어나는 경우를 도시한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 격자선 수 증가 단계가 수행된 상태를 도식적으로 도시한 것이다.
도 9는 도 2에 도시된 곡률 오차 확인 단계에서 오차범위를 만족하는 경우를 도시한 도면이다.
도 10은 도 2에 도시된 격자 크기 결정 단계를 설명하는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 격자형 금형의 설계 방법을 설명하기에 앞서서, 격자형 금형의 구조를 도 1을 참조하여 설명하다. 도 1에는 격자형 금형을 구비하는 금형 장치가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 금형 장치(100)는 제1 격자형 금형(110)과, 제1 격자형 금형(110)에 대응하는 제2 격자형 금형(120)을 포함한다. 금형 장치(100)는 성형 소재인 편평한 알루미늄 후판(A)을 제1 격자형 금형(110)과 제2 격자형 금형(120)을 이용하여 구면의 일부를 형성하는 소정의 곡률을 갖는 곡면 소재(A')로 성형한다.

제1 격자형 금형(110)은 본 실시예에서 도 1에 도시된 바와 같이 금형 장치(100)에서 제2 격자형 금형(120)에 대해 상대적으로 아래에 위치하는 하형인 것으로 설명한다. 제1 격자형 금형(110)에서 제2 격자형 금형(120)과 대향하는 면은 가공시 성형 소재(A)와 직접 접촉하는 직사각형 형태의 제1 가공면(111)을 형성하고, 제1 가공면(111)은 소정의 곡률을 가지며 볼록하게 형성된다. 제1 격자형 금형(110)은 서로 직각을 이루면서 교차하고 서로 등간격으로 이격되어서 격자 구조(110a)를 형성하는 직선으로 연장되는 벽형태의 다수의 개별 격자벽(112)을 구비한다. 상세히 도시되지는 않았으나, 제2 격자형 금형(120)은 하형인 제1 격자형 금형(110)에 대응하는 상형으로서, 그 구성은 제1 격자형 금형(110)과 대체로 동일한데, 제2 격자형 금형(120)에 형성되는 제2 가공면(미도시)은 볼록한 제1 가공면(111)에 대응하여 오목하게 형성된다.

도 2에는 도 1에 도시된 격자형 금형(110, 120)의 다수의 개별 격자벽(112)에 형성되는 격자 구조(110a)를 설계하는 방법이 순서도로서 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 격자형 금형의 격자 설계 방법은, 격자 크기 결정 단계(S10)와, 격자 두께 결정 단계(S20)와, 격자선 수 결정 단계(S30)와, 곡률오차범위 평가 단계(S40)와, 격자선 수 증가 단계(S50)와, 격자 결정 단계(S60)를 포함한다.

격자 크기 결정 단계(S10)에서는 가공면(도 1의 111)의 에지를 형성하는 격자 구조(110a)의 크기가 결정된다. 격자 크기 결정 단계(S10)에서는 직사각형 형태의 격자 구조(110a)에서 도 1에 도시된 바와 같은 폭(

)과 길이(

)가 결정된다. 격자 구조(110a)의 폭(

)과 길이(

)는 다음과 같은 수학식에 의해 결정된다.

여기서,

는 성형 소재의 폭,

는 성형 소재의 길이,

는 성형 소재의 열팽창계수,

는 열간 성형시 성형 소재의 상승 온도이다. 도 3에는 성형 소재의 가열되기 전의 폭(

)과 길이(

)를 보여주는 성형 소재(A)가 사시도로서 도시되어 있다. 즉, 격자 구조(110a)의 폭(

) 및 길이(

)은 성형 소재(A)가 열간 성형시 승온되어서 열팽창된 성형 소재(A1)의 폭(

) 및 길이(

)과 동일하게 결정된다.

격자 두께 결정 단계에서는 개별 격자벽(112)의 두께(t)가 다음과 같은 수학식으로 결정된다. 도 5는 격자 두께 결정 단계를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에는 소재가 목표 곡률을 갖도록 성형되고 열팽창 후 냉각되어서 수축된 상태의 형상이 함께 도시되어 있다.

여기서,

는 가공면(111)의 곡률반경,

는 가공면(111)의 대각선(a)과 상기 격자의 폭방향 연장선(b)이 이루는 각도이다.

격자선 수 단계(S30)에서는 개별 격자벽(112)이 형성하는 격자선의 수가 결정된다. 본 실시예에서는 먼저 도 6에 도시된 바와 같이 격자선(115)의 수가 가로 세로 각각 3개로 결정된 것으로 설명한다.

곡률오차범위 평가 단계(S40)에서는 가공면(111)의 대각선(도 6의 A-A선) 상에서 격자선의 교차점(b)에 형성되는 스플라인 곡선(spline curve)(도 7의 s)이 곡률오차범위를 만족(

)하는지 여부가 확인된다.

삭제

본 실시예에서는 격자선(115)의 수가 가로 세로 각각 3개인 경우 도 7에 도시된 바와 같이 스플라인 곡선(s)이 곡률오차범위를 만족하지 못하는 것으로 설명한다. 곡률오차범위 평가 단계(S40)에서 곡률오차범위를 만족하지 못하는 경우에는 격자선 수 증가 단계(S50)가 수행된다.

격자선 수 증가 단계(S50)에서는 가로와 세로로 격자선이 더 증가된다. 격자선 수 증가 단계(50)를 통해 도 8에 도시된 바와 같이 증가된 격자선 수로 격자선이 결정(S30)되어서 곡률오차범위 평가 단계(S40)가 다시 수행된다. 즉, 곡률오차범위를 만족할 때까지 격자선 수가 순차적으로 증가되고, 증가된 격자선 수에 의한 스플라인 곡선을 기준으로 평가가 반복적으로 이루어진다. 도 9에는 증가된 격자선에 의해 스플라인 곡선(s')이 곡률오차범위를 만족하는 상태가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 곡률오차범위를 만족하는 경우에는 격자 결정 단계(S60)가 수행되어서, 도 10에 도시된 바와 같은 형태로 최종적으로 격자 설계가 된다.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100 : 금형장치
110 : 제1 격자형 금형
120 : 제2 격자형 금형
110a : 격자 구조
111 : 가공면
112 : 개별 격자벽

Claims

편평한 직사각형의 알루미늄 후판인 성형 소재를 구면의 일부를 형성하는 곡면을 갖도록, 볼록하거나 오목하게 형성된 직사각형의 가공면으로 상기 성형 소재를 가압하는 격자형 금형에서 직각을 이루며 교차하고 서로 등간격으로 이격되는 다수의 개별 격자벽에 의해 형성되는 격자 구조를 설계하는 방법으로서,
상기 가공면의 에지를 형성하는 상기 격자 구조의 크기를 결정하는 격자 크기 결정 단계; 및
상기 개별 격자벽이 형성하는 격자선의 수를 결정하는 격자선 수 결정 단계;
상기 성형 소재의 성형 후 형상이 곡률오차범위를 만족하는지 여부를 확인하는 곡률오차범위 평가 단계를 포함하며,
상기 곡률오차범위 평가 단계에서 곡률오차범위를 만족하지 못하는 경우 상기 격자선 수를 증가시켜서 상기 곡률오차범위 평가 단계를 다시 수행하며,
상기 곡률오차범위 평가 단계는 상기 가공면의 대각선 상에서 상기 다수의 격자선의 교차점에 형성되는 스플라인 곡선(spline curve)이 곡률오차범위를 만족하는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 격자형 금형의 격자 설계 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 격자 크기 결정 단계에서는 다음과 같은 수학식으로 결정되는 상기 격자 구조의 폭(
)과 다음과 같은 수학식으로 결정되는 상기 격자 구조의 길이(
)가 결정되는 것을 특징으로 하는 격자형 금형의 격자 설계 방법.

여기서,
는 상기 성형 소재의 폭,
는 상기 성형 소재의 길이,
는 상기 성형 소재의 열팽창계수,
는 열간 성형시 상기 성형 소재의 상승 온도
청구항 3에 있어서,
상기 개별 격자벽의 두께(t)를 다음과 같은 수학식으로 결정하는 격자벽 두께 결정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 격자형 금형의 격자 설계 방법.

여기서,
는 상기 가공면의 곡률반경,
는 상기 가공면의 대각선과 상기 격자의 폭방향 연장선이 이루는 각도
청구항 1, 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 하나의 청구항에 기재된 설계 방법에 의해 제작된 것을 특징으로 하는 격자형 금형.