KR20090055348A - Curved surface forming method of a metal plate - Google Patents

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Abstract

A curved surface forming method of a metal plate is provided to maintain the quality of specified level by performing the forming operation of the metal plate with the identical processes through prepared procedure. A curved surface forming method of a metal plate comprises: a step(S10) for defining the member dimension of a metal plate, mechanical property, and material stress-strain relation and a goal curved surface; a step(S20) for predicting spring back effect by performing elasto-plasticity large deformation nonlinear finite-element analysis; a step(S30) for determining the configuration of each forming punch within a variable molding apparatus; a step(S40) for molding the goal curved surface by using a fluid pressure pressing apparatus; a step(S50) for checking that the molded curved plate belongs to the error range of the goal curved surface; and a step(S60) for reforming the metal plate according to the result measured in the step.

Description

금속판의 곡면 성형방법{Curved surface forming method of a metal plate}Curved surface forming method of a metal plate

본 발명은 금속판의 곡면 성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성형 가공 대상 금속판의 스프링백 효과를 탄소성 대변형 효과를 고려한 비선형 유한요소해석에 의하여 사전에 예측하고, 이 결과를 토대로 가변형 금형 장치내 일련의 성형펀치를 재배열시킨 후 유압 프레싱장치의 제어에 의한 프레스 가공을 통해 목표곡면을 성형하는 곡면 성형방법에 관한 기술로서, 가변형 금형 (Changeable-die) 기반 금속곡판의 냉간가공 (Cold-forming)에 관한 것이다. The present invention relates to a curved surface forming method of a metal plate, and more particularly, a spring back effect of a metal plate to be formed is predicted in advance by nonlinear finite element analysis considering a large elastic deformation effect, and based on the result, a variable mold apparatus. A technology related to the curved surface forming method of forming a target curved surface by rearranging a series of forming punches and pressing the target by the control of a hydraulic pressing device. Cold processing of a changeable die-based metal curved sheet forming).

금속 곡판의 성형 가공방법은 크게 열간 가공과 냉간가공으로 나눌 수 있다. 열간 가공은 강판을 국부적으로 가열하여 급히 냉각시키면 국부적인 수축이 발생하는 성질을 이용하여 강판을 굽히는 것이다. 이러한 열간 가공법에는 대표적으로 선상가열법 (Line heating method)등이 있는데 이 방법은 작업환경이 열악할 뿐아니라 작업자의 숙련도 및 경험에 의존하는 비율이 매우 높아 최근 숙련공의 고령화 및 숙련공 감소에 따라 일정한 품질을 유지하기가 매우 어렵다는 문제가 있으며, 효율적인 컴퓨터 시스템과의 연계도 용이하지 않아 그 작업효율의 향상에 한계가 있다. Forming processing method of metal curved sheet can be largely divided into hot working and cold working. Hot working is to bend a steel plate by using the property of locally heating the steel sheet and rapidly cooling it to cause local shrinkage. The hot working method is typically a line heating method, which not only has a poor working environment but also has a high rate of dependence on the skill and experience of the workers. There is a problem that it is very difficult to maintain, and there is a limit in improving the work efficiency because it is not easy to connect with an efficient computer system.

한편, 냉간 가공은 상온에서 벤딩 롤러나 유압 프레스를 이용하여 기계적인 힘을 가하여 재료에 소성변형을 일으켜 가공대상 목표곡면을 성형하는 방법이다. 이중에서 벤딩롤러는 3~4개의 롤러를 위, 아래로 배치하여 상부 롤러와 하부 롤러 사이의 틈으로 강판을 넣고 상부의 롤러를 유압 잭으로 강판에 압력을 가하고 롤러를 회전시켜 강판을 굽히고, 밀어내면서 원하는 곡면이 형성될 때까지 여러 차례 반복적으로 작업을 하게 된다. 이는 주로 2차원 곡면 강판의 굽힘 작업에 적합하고, 3차원 곡면의 경우에는 상기 과정으로 강판을 대략 굽힌 후 다시 열간 가공, 특히 선상가열법 등을 이용하여 원하는 곡면이 되도록 수차례 반복 작업을 하게 된다. 또 유압프레스는 곡판을 유압장치와 연결된 프레스로 압착하여 목표곡면을 가공하는 방법으로서 대량 생산을 목적으로 하는 경우, 사전에 설계 제작된 고정식 금형장치를 이용하여 유압 프레스 가공하게 된다. 그러나 가공 대상 곡판의 수가 많지 않고 다품종 소량생산이 요구되는 경우에는 고정식 금형장치의 제작에 막대한 비용이 소요되어 실제 적용이 어렵다. On the other hand, cold working is a method of forming a target target surface by plastic deformation of the material by applying a mechanical force using a bending roller or a hydraulic press at room temperature. In the double bending roller, three to four rollers are placed up and down, and the steel sheet is inserted into the gap between the upper roller and the lower roller, and the upper roller is pressurized by the hydraulic jack and the roller is rotated to bend the steel sheet. As you work out, you will work repeatedly until the desired surface is formed. This is mainly suitable for the bending work of two-dimensional curved steel sheet, and in the case of three-dimensional curved steel sheet, the steel sheet is roughly bent in the above-described process, and then the work is repeatedly performed several times to obtain a desired curved surface by hot working, in particular, the linear heating method. . In addition, the hydraulic press is a method of processing the target curved surface by pressing the curved plate by a press connected to the hydraulic device, when the purpose of mass production, the hydraulic press processing by using a fixed mold device designed in advance. However, when the number of curved objects to be processed is not large and a small quantity production of a large variety of products is required, the production of the stationary mold apparatus requires enormous costs and practical application thereof is difficult.

최근 선박 강판, 심해 자원개발용 해양플랜트 및 기타 다양한 산업용 금속판의 3차원 곡면성형에 대한 수요가 급증하고 있는 추세이다. 현재 이들 곡판 가공은 주로 열간 가공법에 의해 이루어지고 있으나 전술한바와 같은 어려움이 있으며, 냉간 가공법을 적용함에 있어서도 가공 제품의 수가 제한적이고 다품종 소량생산이 요구되는 경우에는 고정식 금형장치의 설계 제작이 현실적으로 불가능한 실정이다. Recently, the demand for three-dimensional curved forming of ship steel sheet, deep-sea resource development offshore plant and various other industrial metal plates is increasing rapidly. At present, the curved processing is mainly performed by hot working method, but there are the same difficulties as described above. In the case of applying cold working method, if the number of processed products is limited and small quantity production is required, it is not practical to design and manufacture the fixed mold apparatus. It is true.

이 문제를 극복할 수 있는 유용한 방법으로서 종래 소위 다점 성형 가공법이 제시 된 바 있으며, 실제로 이 기술을 적용한 성형 가공장치가 제작되어 그 유용성을 보인바 있다. 본 발명에 일체화된 상기 종래의 다점 성형 가공법에 관한 기술적 요지는 '기본적인 성형원리의 검토'(판재 다점 성형법의 연구 - 제1보, 이명철 외), '일본 소성가공 춘계 강연회' 제519-522 쪽(1992년 5월 24일~26일, 일본 요코하마 (일본어)) 및 '다점성형에 있어 불량현상의 발생 및 그 제어'(판재 다점 성형법의 연구 - 제3보), '제43회 일본 소성가공 연합 강연회' 제425-428쪽 (1992년 10월 1일~3일, 일본 경도 (일본어))에 개시된 바 있다. As a useful method for overcoming this problem, a so-called multi-point molding process has been proposed in the related art, and in fact, a molding apparatus applying the technique has been manufactured and has shown its usefulness. The technical gist of the conventional multi-point molding method integrated in the present invention is 'a review of basic molding principles' (study of plate multi-point molding method-first report, Lee Myung-chul et al.), Japanese Plastic Processing Spring Lecture, pp. 519-522 (May 24 to 26, 1992, Yokohama, Japan) and 'Defects and Control of Defects in Multi-Point Forming' (Study of Sheet Multi-Point Forming Method-3rd Report), 43rd Japan Plastic Processing United Nations Conference, pp. 425-428 (October 1 to 3, 1992, Japan Longitude (Japanese)).

상기 다점 성형 가공 방법은 기본적으로 유압 프레스를 적용한 냉간 가공기술의 일종으로서, 성형펀치라 불리는 일련의 강체 펀치를 연속적으로 배열하여 목적 곡면에 근접한 형상의 금형을 설정한 뒤에 유압 프레스 가공을 통해 성형하는 방법이다. 이 방법은 전술한 바와 같이 가공 대상 제품의 수가 많지 않은 경우에 필요에 따라 금형 형상을 변경시킬 수 있기 때문에 한 개의 성형 장치로 다종의 곡면 가공이 가능한 장점이 있다. 더욱이 성형 가공 작업 환경이 기존의 열간가공에 비해 월등하게 우수하고 필요에 따라 기존의 유압 프레스 장치를 그대로 활용할 수 있는 장점도 있다. The multi-point molding processing method is basically a kind of cold working technology using a hydraulic press, and a series of rigid punches called molding punches are continuously arranged to set a mold having a shape close to the desired surface, and then molded by hydraulic press working. Way. As described above, when the number of products to be processed is not large as described above, the shape of the mold can be changed as necessary, so that a variety of curved surfaces can be processed by one molding apparatus. Moreover, the molding work environment is much better than the existing hot working, and the existing hydraulic press device can be utilized as needed.

그런데 금속판을 유압 프레스로 소성 가공할 때 스프링백 (Spring-back) 현상이 필연적으로 발생하게 되는데 이는 전체 금속판 변형중에 일부는 탄성성분으로서 변형이 되돌아오는 성질이며, 금속판의 복잡한 3차원 곡면 가공에서는 스프링백 현상이 극히 복잡한 양상을 나타내게 되며, 곡면의 위치에 따라 스프링백되는 값이 천차만별이다. 상기 다점성형 가공방법은 전술한 바와 같이 일련의 기술적 장점에 도 불구하고 스프링백 현상에 대한 구체적인 효과를 사전에 파악하지 못한 상태에서 복잡한 금속판의 곡면을 가공하고자 하기 때문에 정밀한 성형가공을 위해 풍부한 가공 경험이 필요하며, 목표 곡면을 달성하기 위해 숙련된 작업자가 유압 프레스 가공 공정을 수차례에 걸쳐 반복 수행해야 하며, 그 결과 가공 제품에 국부적인 손상이 생길 우려가 있으며, 성형 가공중에 목표 곡면의 달성 여부를 확인하기 위한 중간 단계 작업이 필요하는 등 고도의 숙련된 작업자에 의한 까다롭고 복잡한 공정 절차가 요구되는 단점이 있다. 그 결과 제품의 제작기간도 길뿐만 아니라 작업자의 숙련도에 따라 생산된 제품의 품질도 다르게 된다는 문제가 있다. However, the spring-back phenomenon inevitably occurs when the plastic sheet is plastically processed by hydraulic press, which is a property that some of the deformation of the metal sheet is returned as an elastic component. The back phenomenon is extremely complicated, and the spring back value varies depending on the position of the curved surface. As described above, the multi-point molding method has a rich processing experience for precise molding because it is intended to process a curved surface of a complex metal plate without knowing the specific effects on the springback phenomenon despite a series of technical advantages as described above. In order to achieve the target surface, a skilled worker has to repeat the hydraulic press machining process several times. As a result, there is a risk of local damage to the processed product. There are disadvantages that require complicated and complicated process procedures by highly skilled workers, such as the need for intermediate steps to verify the process. As a result, there is a problem that the quality of the produced product is different depending on the skill of the operator as well as the production period of the product.

따라서, 상기의 소위 다점 성형 가공 방법의 문제점을 혁신할 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다. 더욱이 최근 다품종 소량 금속판 곡면 제작에 대한 수요가 급증하고 있으나, 곡면 성형은 여전히 숙련된 기술자의 경험에 의존하는 형편이어서 기술자의 부족문제와 함께 제품 생산효율에 한계가 있는 것이 사실이다. Therefore, there is an urgent need for the development of a technology that can innovate the problems of the so-called multipoint molding process. Moreover, although the demand for the production of multi-quantity small plate curved surfaces is increasing rapidly, it is true that the surface forming is still dependent on the experience of skilled technicians, and thus, there is a limitation in the product production efficiency with the shortage of technicians.

본 발명은 전술한 종래의 다점성형 가공방법의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 가공 대상 금속판의 부재치수, 재료 물성치, 재료의 응력-변형률 곡선 관계, 목표곡면 등의 데이터를 제공하면 탄소성 대변형 유한요소 해석을 통한 스프링백 효과의 사전 분석을 수행하고, 이 결과를 바탕으로 원재료인 금속판을 원하는 형상의 3차원 곡면으로 자동으로 제작할 수 있도록 함으로써 종래 경험에 기반을 둔 반복공정 절차 없이 금속판의 성형공정을 자동화하고 1회의 유압 프레싱 가공공정으로 목표곡면을 달성하여 제품의 제작효율을 극대화하는 것이다. The present invention was developed to solve the above problems of the conventional multi-point forming method, an object of the present invention is to provide data such as the member dimensions, material properties, stress-strain curve relationship of the metal sheet to be processed, target surface, etc. If present, it is possible to pre-analyze the springback effect through the analysis of elasto-plastic large-strain finite element, and based on this result, it is possible to automatically manufacture the metal plate as a raw material as a three-dimensional curved surface of a desired shape. It is to maximize the manufacturing efficiency of the product by automating the forming process of the metal plate without the process procedure and achieving the target curve by one hydraulic pressing process.

본 발명의 다른 목적은 기존의 선박용 강판의 성형 가공뿐만 아니라 심해자원 개발용 해양 플랜트나 기타 다양한 산업용 금속판의 3차원 곡면 성형 가공에 두루 적용할 수 있는 안정적이고 효율적인 금속판의 곡면 성형 가공방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a stable and efficient method for forming a curved surface of a metal plate that can be applied not only to the conventional forming process of marine steel sheets but also to the three-dimensional curved forming process of a marine plant or other various industrial metal plates for deep sea resource development. will be.

전술한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명에서는, 다수의 성형펀치를 구비한 가변형 금형장치를 이용하여 금속판을 가공하여 3차원 곡면을 가지는 목적 형상으로 제작하는 방법에 있어서, (a) 금속판의 부재 치수, 재료 물성치, 재료의 응력-변형율 관계 데이터 및 가공 목표곡면을 입력하는 단계, (b) 금속판의 스프링백 효 과를 계산하여 이를 토대로 목표곡면을 형성하기 위하여 성형 펀치점에 가할 전체 변위량을 설정하는 단계, (c) 상기 (b)단계에서 얻어진 데이터를 토대로 유압 프레싱장치에 연결된 다수의 성형펀치들이 상·하로 배치되도록 구성되는 가변형 금형장치내의 성형펀치의 위치를 배열하는 단계, (d) 상기 상·하 성형펀치 사이에 로딩된 금속판을 프레싱하여 성형 가공하는 단계, (e) 성형의 정밀도를 확인하기 위해 성형 가공된 상기 금속판의 곡면을 측정하여 목표곡면과 비교하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속판의 곡면 성형방법을 개시한다. In order to solve the above technical problem, in the present invention, by using a variable mold apparatus having a plurality of molding punches to process a metal plate to produce a target shape having a three-dimensional curved surface, (a) the member dimensions of the metal plate, Inputting material properties, material stress-strain relation data and machining target surface; (b) calculating the springback effect of the metal plate and setting the total amount of displacement to be applied to the forming punch point based on the springback effect of the metal plate. (c) arranging the positions of the forming punches in the variable mold apparatus configured to arrange a plurality of forming punches connected to the hydraulic pressing apparatus up and down based on the data obtained in the step (b); and (d) Pressing and forming the metal plate loaded between the lower forming punches, and (e) forming the metal plate to confirm the precision of forming. To the surface of the measurement, including the step of comparing the target surface initiates a method for forming a curved metal sheet which comprises.

여기서, 상기 (b) 단계에서 성형펀치점에 가할 전체 변위량은 하기의 식 (1) 및 식(2)를 이용하여 설정될 수 있다. Here, the total amount of displacement to be applied to the forming punch point in step (b) may be set using the following equations (1) and (2).

K = OA/OB (1)K = OA / OB (1)

OE = OB/K (2)OE = OB / K (2)

(여기서, OA는 금속판의 잔류 영구 변형량, OB는 성형펀치점의 목표곡면 상의 전체 변위량, OE는 성형펀치점에 가할 전체 변위량을 각각 의미한다.)(OA is the residual permanent deformation of the metal plate, OB is the total displacement on the target surface of the forming punch point, OE is the total displacement to be applied to the forming punch point, respectively.)

또는, (b) 단계에서 성형펀치점에 가할 전체 변위량은 하기의 식 (3) 및 (4)를 이용하여 설정될 수도 있다. Alternatively, the total amount of displacement to be applied to the forming punch point in step (b) may be set using the following equations (3) and (4).

AB = OB - OA = CD (3)AB = OB-OA = CD (3)

OE = OB + CD (4)OE = OB + CD (4)

(여기서, OA 는 금속판의 잔류 영구 변형량, OB는 성형펀치점의 목표곡면 상의 전체 변위량, OE 는 성형펀치점에 가할 전체 변위량을 각각 의미한다.)(OA is the residual permanent deformation of the metal plate, OB is the total displacement on the target surface of the forming punch point, OE is the total displacement to be applied to the forming punch point, respectively.)

상기의 곡면 성형방법에는 상기 (e) 단계에서 측정된 가공 곡면의 오차가 허 용범위를 초과하는 경우 가변형 금형장치로 피드백하여 재성형하는 단계가 더 포함될 수 있다. The curved forming method may further include a step of feeding back to the variable mold apparatus when the error of the processed curved surface measured in the step (e) exceeds the allowable range.

본 발명에 의하면 숙련된 기술자의 주관적 경험에 의존하지 않고 객관적이고 일률적인 공정 절차에 의하여 원하는 목표곡면을 가지는 3차원 곡판을 제조할 수 있게 되므로 금속판을 이용한 목적물의 성형 가공절차가 매우 안정적이라는 장점이 있다. According to the present invention, since it is possible to manufacture a three-dimensional curved sheet having a desired target surface by an objective and uniform process procedure without depending on the subjective experience of a skilled technician, the molding process of the target object using a metal plate is very stable. have.

아울러, 금속판의 매 성형 작업시마다 계획된 절차에 의하여 동일한 과정으로 작업이 수행되므로 일정 수준의 품질을 유지할 수 있으며, 특히 종전의 경험을 바탕으로 한 수작업에 의한 성형가공에 비하여 금속판의 곡면 성형기간이 대폭적으로 단축되므로 결국 대상물 전체의 제작기간을 줄일 수 있게 되어 경제적으로도 매우 유리하다는 장점이 있다. In addition, since the work is carried out in the same process according to the planned process for every metal sheet forming work, it is possible to maintain a certain level of quality, and in particular, the forming period of the curved surface of the metal plate is significantly larger than the manual forming process based on previous experience. As a result, the manufacturing period of the entire object can be shortened, thus economically very advantageous.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 상술한다. 먼저, 도 1은 본 발명에 의한 금속판의 곡면 성형방법을 나타낸 공정 블록도이고, 도 2는 본 발명에 의한 금속판의 곡면 성형시스템의 일례를 보인 시스템 구성도이다. Hereinafter, the technical spirit of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, FIG. 1 is a process block diagram showing a curved surface forming method of a metal plate according to the present invention, and FIG. 2 is a system configuration diagram showing an example of a curved surface forming system of a metal plate according to the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 곡면 성형시스템은 기본적으로 컴퓨터 시스템 (110), 제어장치 (120) 및 가변형 금형 장치 (130)를 포함하여 구성 된다. 컴퓨터 시스템(110)은 가공대상 금속판을 해석하고 가공하기 위한 기초정보를 입력하고 탄소성 대변형 유한요소해석을 수행하여 가공 대상 금속판의 스프링백 효과를 분석하고, 이를 가변형 금형장치(Changeable-die)의 유압 프레싱장치 (132)에 연결된 제어장치 (120)에 전달하는 역할을 한다. 제어장치(120)는 상기 컴퓨터 시스템(110)으로 부터 전달된 가공정보, 특히 가변형 금형장치 (130)내 성형펀치(134,136)의 위치를 배열하고, 유압 프레싱장치 (132)를 제어하는 역할을 한다. 가변형 금형장치(130)는 유압 프레싱장치(132)와 이에 연결된 다수의 상·하부 성형펀치(134,136)들로 구성되는데, 상기 제어장치(120)에 의하여 필요한 위치제어 조건에 따라 상승 또는 하강하여 상·하부 펀치(134,136) 사이에 삽입된 가공대상 금속판을 가공하기 위한 것이다. 유압 프레싱장치는 제어장치(120)의 제어에 의해 기 설정된 가변형 금형장치 (130)에 대해 유압 프레스로 가공 성형하는 장치이다. As shown in FIG. 2, the curved forming system according to the present invention basically includes a computer system 110, a controller 120, and a variable mold apparatus 130. The computer system 110 analyzes the springback effect of the metal plate to be processed by inputting basic information for analyzing and processing the metal plate to be processed and performing a large elastic finite element analysis. It serves to deliver to the control unit 120 connected to the hydraulic pressing device 132 of. The controller 120 arranges the processing information transmitted from the computer system 110, in particular, the positions of the forming punches 134 and 136 in the variable mold apparatus 130, and controls the hydraulic pressing apparatus 132. . The variable mold apparatus 130 is composed of a hydraulic pressing device 132 and a plurality of upper and lower forming punches 134 and 136 connected thereto. The mold die 130 is raised or lowered according to a position control condition required by the controller 120. It is for processing the metal plate to be processed inserted between the lower punches 134 and 136. The hydraulic pressing device is a device for forming and forming a hydraulic press with respect to the variable mold apparatus 130 preset by the control of the controller 120.

본 발명에 의한 곡면 성형방법은 여러 단계를 거쳐서 수행되는데 우선 원재료인 금속판의 부재치수, 재료 물성치, 재료 응력-변형률 관계, 목표 곡면을 정의하는 단계(S10), 가공대상 금속판에 대하여 탄소성 대변형 비선형 유한요소해석을 수행하여 스프링백 효과를 예측하는 단계(S20), 가변형 금형장치내 각각의 성형 펀치의 위치배열을 결정하는 단계(S30), 유압 프레싱장치를 이용하여 목표곡면을 성형 가공하는 단계(S40), 성형 가공된 곡판이 목표곡면을 오차범위 내에서 성공적으로 달성되었는지 확인하기 위한 측정단계(S50)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 측정단계(S50)에서 측정된 결과가 미리 설계된 오차범위를 만족하지 못하는 경우에는 재성형하는 단계(S60)가 추가될 수 있다. The curved surface forming method according to the present invention is carried out through several steps. First, a step of defining the member dimensions, material properties, material stress-strain relations, and target curved surfaces of the metal plate as a raw material (S10), and large elastic deformation of the metal plate to be processed. Predicting the springback effect by performing nonlinear finite element analysis (S20), determining the position arrangement of each forming punch in the variable mold apparatus (S30), and forming the target surface using the hydraulic pressing apparatus. (S40), the formed curved sheet is made to include a measuring step (S50) for confirming whether the target surface was successfully achieved within the error range. In addition, if the result measured in the measuring step (S50) does not satisfy the pre-designed error range step (S60) may be added.

상기 1단계(S10)에서는, 가공대상 금속판의 부재치수 (길이, 폭, 두께), 재료의 물성치 (탄성계수, 항복응력, 포와송 비), 재료의 응력-변형률 관계 곡선 데이터 (변형률 경화 효과 포함), 가공 목표 곡면의 CAD 데이터가 정의되고 이러한 정보가 가공대상 금속판의 비선형 유한요소 해석 프로그램이 내장된 컴퓨터 시스템(110)에 입력된다. 목표곡면에 관한 정보는 제작하고자 하는 제품의 설계시에 확정된 CAD 도면의 모델링에 의하여 획득될 수 있다. 상기 CAD에 사용되는 상용 소프트웨어로는 프로엔지니어, 카티아 등을 사용할 수 있으며 이외에 특정 용도에 맞도록 개별적으로 개발되는 소프트웨어를 사용할 수도 있다. 스프링백 효과를 예측하기 위한 탄소성 대변형 유한요소해석을 수행하기 전의 초기 입력 데이타의 Pre-processing은 라이노등의 소프트웨어를 적용하여 편리한 컴퓨터 작업환경을 구축할 수 있다. In the first step (S10), the member dimensions (length, width, thickness) of the metal sheet to be processed, the material properties (elastic coefficient, yield stress, Poisson's ratio) of the material, the stress-strain relationship curve data of the material (including strain hardening effect ), CAD data of the target surface to be machined is defined, and this information is input to the computer system 110 in which the nonlinear finite element analysis program of the metal plate to be machined is embedded. Information about the target surface may be obtained by modeling a CAD drawing determined at the time of designing a product to be manufactured. Commercial software used in the CAD may be used by professional engineers, Catia, etc. In addition, it is also possible to use software that is individually developed for a specific use. The pre-processing of the initial input data before the elastoplastic finite element analysis to predict the springback effect can be done by applying software such as Rhino.

상기 2단계(S20)에서는, 탄소성 대변형 유한요소 해석을 수행하여 가공 대상 금속판의 3차원 곡면에 대한 상세한 스프링백 효과를 예측하는 단계이다. 유한요소 해석은 ANSYS, ABAQUS, MARC등 기존의 상용 탄소성 대변형 유한요소 프로그램을 이용하거나 전용의 프로그램을 직접 제작하여 이용할 수도 있다. 탄소성 대변형 유한요소해석결과에 대한 Post-processing은 변형도면, 응력분포도면, 변형률 분포도면등을 컴퓨터 모니터상에 시각적으로 나타내는 작업을 포함하며, 이 역시 전술한 Pre-processing작업환경과 동일하게 라이노등의 소프트웨어를 적용하여 구축할 수 있다. 탄소성 성형 가공에 따른 스프링백 효과는 도3에 도시한 그림을 참조하여 다음의 수순에 따라 예측하게 된다.In the second step (S20), it is a step of predicting the detailed springback effect on the three-dimensional curved surface of the metal plate to be processed by performing a large elastic elastic deformation finite element analysis. Finite element analysis can be used by using existing commercial elasto-plastic large deformation finite element programs such as ANSYS, ABAQUS, MARC, or by making a dedicated program. Post-processing of the results of large elastic finite element analysis involves visually presenting the strain diagram, stress distribution diagram, strain distribution diagram, etc. on the computer monitor. It can be built by applying software such as Rhino. The spring back effect according to the elasto-plastic forming process is predicted according to the following procedure with reference to the figure shown in FIG.

1. 가공대상 금속판에 대해 성형펀치점의 위치에 목표곡면의 각점에 해당하는 처짐 변위를 각각 변위 제어방법 (Displacement control method)에 의해 증분적으로 가하면서 유한요소해석 프로그램을 이용하여 탄소성 대변형 해석을 수행하게 된다. 유한요소의 요소 사이즈는 사전에 정의된 각 성형펀치 간의 간격과 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 탄소성 대변형 해석을 수행하고 나면 각 성형펀치점에서 하중(반력)과 처짐변위 관계곡선을 포함한 해석 결과를 얻게 된다. 즉, 도3의 곡선 OC를 얻게 된다. 해석 결과는 실시간으로 컴퓨터 모니터상에 가시화할 수 있다.1. Elasto-plastic deformation using finite element analysis program while incrementally applying deflection displacements corresponding to each point of the target surface to the position of the forming punch point with respect to the metal sheet to be processed by the displacement control method. An analysis will be performed. The element size of the finite element is preferably set equal to the interval between each forming punches previously defined. After the elasto-plastic large deformation analysis is performed, the analysis results including the load (reaction) and deflection deflection curves at each punch point are obtained. That is, the curve OC of FIG. 3 is obtained. Analysis results can be visualized on a computer monitor in real time.

2. 유한요소해석 프로그램상에서 상기 1에서 정의한 목표곡면 또는 그 부근의 특정 크기의 변위량에 이르기 까지 처짐변위를 증분적으로 가하고 난후에 각 성형펀치점에 발생한 하중(반력)을 제하(Unloading) 시켜 각 펀치점의 하중이 전부 없어질 때까지(즉, 0이 될 때 까지) 유한요소해석 작업을 계속한다. 즉, 도3의 선 CA를 추가로 얻게 된다. 선 CA는 일반적으로는 곡선으로 나타나지만 거의 직선에 가깝다. 제하작업을 모두 끝내고 나면 지금까지 발생했던 탄소성 변형중에서 탄성 성분(AB)은 사라지고 소성변형(OA), 즉 영구처짐 변형만 잔류하게 된다. 이 영구 처짐변형량이 각 성형펀치점의 성형 가공된 처짐변위량에 해당되는 값이다. 그러나, 이들 각 성형펀치점의 영구처짐량 분포는 가공 대상 금속판의 목표곡면상의 변위량 OB와는 일치하지 않는다. 왜냐하면 앞서 가한 각 성형펀치점의 전체 처짐 변위량은 스프링백효과를 고려하지 않았기 때문이다. 2. In the finite element analysis program, the deflection displacement is incrementally applied to the amount of displacement at or near the target surface defined in 1 above, and then the load (reaction) generated at each forming punch point is unloaded. The finite element analysis continues until the punch point is all removed (ie zero). That is, the line CA of FIG. 3 is further obtained. Line CA generally appears as a curve but is almost straight. After finishing the unloading operation, the elastic component (AB) disappears among the elastoplastic deformations that have occurred so far, and only plastic deformation (OA), that is, permanent sag deformation remains. This permanent deflection is a value corresponding to the molded deflection displacement of each forming punch point. However, the permanent deflection amount distribution of each of these molding punch points does not coincide with the displacement amount OB on the target curved surface of the metal plate to be machined. This is because the total deflection displacement of each forming punch point is not considered the springback effect.

3. 따라서, 상기 1과 2에서 얻어진 탄소성 대변형 유한요소 해석 결과를 이용하면 가공대상 금속판의 목표곡면 처짐변위 근방의 스프링백 비율인 AB 에 해당하는 만큼의 탄성 스프링백량을 고려하여 다음의 두 가지 방법에 의해 분석할 수 있다.3. Therefore, using the results of the large elastic finite element analysis obtained in 1 and 2 above, considering the elastic springback amount corresponding to AB, which is the springback ratio near the target surface deflection displacement, It can be analyzed by several methods.

방법 1.Method 1.

Figure 112007085865564-PAT00001
(1)
Figure 112007085865564-PAT00001
(One)

여기서, OA 는 잔류 영구 변형량이고, OB 는 성형 펀치점의 목표곡면상의 전체 변위량이며, K는 가공대상 금속판의 특정 성형 펀치점의 스프링백 효과 비율을 나타낸다.Here, OA is the residual permanent deformation amount, OB is the total displacement amount on the target curved surface of the forming punch point, and K represents the springback effect ratio of the specific forming punch point of the metal plate to be machined.

가공대상 금속판의 목표곡면 처짐 변위량 근방에서의 미소 변위량의 변화에 따른 스프링백 효과는 동일하다고 가정하면 식(1)에서 추정한 스프링백 효과를 적용하여 가공대상 금속판의 목표곡면을 얻을 수 있도록 가해야 할 전체 처짐변위량 OE 는 다음식으로 계산할 수 있다.Assuming that the springback effect according to the change of the microdisplacement in the vicinity of the target surface deflection displacement of the metal plate to be processed is the same, the springback effect estimated by Equation (1) should be applied to obtain the target surface of the metal plate to be machined. The total deflection displacement OE to be calculated can be calculated from the following equation.

Figure 112007085865564-PAT00002
(2)
Figure 112007085865564-PAT00002
(2)

여기서, OE 는 특정 성형펀치점에서 목표곡면을 얻기 위해 필요한 전체 변위량을 나타낸다. Here, OE represents the total amount of displacement required to obtain the target curve at a specific forming punch point.

방법 2.Method 2.

먼저 목표곡면상의 처짐변위에 해당하는 크기로 성형펀치의 전체 변위를 가한 뒤에 제하를 하면 스프링백 되어진 변위량 AB는 다음과 같이 계산된다. 즉,First, after applying the total displacement of the forming punch to the size corresponding to the deflection displacement on the target surface, and then unloading, the spring amount of displacement AB is calculated as follows. In other words,

Figure 112007085865564-PAT00003
(3)
Figure 112007085865564-PAT00003
(3)

다음으로 목표곡면 근방에서 특정 성형펀치 위치점의 처짐변형에 대한 스프링백 효과는 유사하다고 가정하면 변위 CD 는 다음과 같이 가정할 수 있다.Next, assuming that the springback effect on the deflection deformation of a specific punch position is near the target surface, the displacement CD can be assumed as follows.

Figure 112007085865564-PAT00004
(4)
Figure 112007085865564-PAT00004
(4)

따라서, 가공 대상 금속판의 목표곡면을 얻기 위하여 가해야 할 성형펀치점의 전체 변위량 OE 는 다음과 같이 계산된다. Therefore, the total displacement amount OE of the forming punch point to be applied to obtain the target curved surface of the metal plate to be processed is calculated as follows.

Figure 112007085865564-PAT00005
(5)
Figure 112007085865564-PAT00005
(5)

4. 상기 1, 2, 3의 작업을 가공대상 금속판 내의 모든 성형 펀치점에 대해 수행하면 각 펀치점에서 스프링백 효과가 고려된 가공대상 금속판의 목표곡면을 얻기 위한 각 성형펀치점의 전체 변위량이 얻어진다. 이 전체 변위량이 성형펀치의 위치배열을 위해 이용된다. 4. When the above operations 1, 2, and 3 are performed for all the forming punch points in the metal sheet to be processed, the total displacement amount of each punching point for forming the target curved surface of the metal sheet to be processed considering the springback effect at each punch point is obtained. Obtained. This total displacement is used to position the forming punch.

상기 3단계 (S30)는 상기 2단계 (S20)에서 얻어진 각 성형펀치점의 필요한 전체 변위량을 토대로 가변형 금형장치(130)내의 각 성형펀치의 위치를 재배열하게 된다. 수평한 평면상태를 기준으로 성형펀치의 상하 간격이 상기 전체 변위량과 일치되게 설정하면 된다. 성형펀치의 재배열은 제어장치(120)를 이용하여 사전에 설정된 데 이터를 이용하여 자동으로 수행할 수 있다. 가변형 금형장치(130)의 사이즈는 가공할 금속판의 부재치수를 감안하여 설계 및 제작될 수 있다. 성형펀치(134,136) 기둥은 충분히 튼튼하게 강체로 제작하는 것이 바람직하며, 그 굵기는 성형펀치 간격과 일치하게 하여 성형펀치가 서로 맞대어 배치되도록 제작하는 것이 바람직하다.The third step (S30) is to rearrange the position of each forming punch in the variable mold apparatus 130 based on the required total displacement amount of each forming punch point obtained in the second step (S20). What is necessary is just to set the vertical space | interval of a molding punch to match with the said total displacement amount based on a horizontal plane state. Rearrangement of the molding punch can be automatically performed using the data set in advance using the control device 120. The size of the variable mold apparatus 130 may be designed and manufactured in consideration of the member dimensions of the metal plate to be processed. Molding punches (134, 136) is preferably made of a rigid enough rigid body, the thickness is preferably made so that the molding punches are placed against each other to match the molding punch interval.

상기 4단계 (S40)는 유압 프레싱장치(132)를 이용하여 실제 성형 가공을 실행하는 단계이다. 유압 프레싱장치(132)의 제어는 제어장치(120)를 이용하여 실행되며, 유압 프레싱장치(132)의 최대 작용 하중 용량은 가공대상 금속판의 두께 등의 부재치수와 재질에 대한 물성치를 고려하여 설계 제작된다.Step 4 (S40) is a step for performing the actual molding process using the hydraulic pressing device 132. Control of the hydraulic pressing device 132 is carried out using the control device 120, the maximum working load capacity of the hydraulic pressing device 132 is designed in consideration of the material dimensions and material properties, such as the thickness of the metal plate to be processed. Is produced.

상기 5단계 (S50)는 가공 대상 금속판이 목표곡면의 오차범위 내에서 만족스럽게 성형가공 되었는지 여부를 확인하기 위하여 가공된 금속판의 곡면을 측정하는 단계이다. 만일 오차가 너무 많으면 재가공의 단계가 필요하게 된다. 이때 탄소성 대변형 유한요소해석 단계와 가공 대상 금속판의 초기 형상을 초기정보로서 입력하게 된다. 그러나 본 발명 기술을 제대로 적용하면 성형 가공 오차의 초과에 의한 재가공은 보통 필요하지 않게 될 것이다. Step 5 (S50) is a step of measuring the curved surface of the processed metal plate in order to check whether the metal plate to be processed is satisfactorily molded within the error range of the target surface. If the error is too large, a reprocessing step is necessary. At this time, the elastoplastic finite element analysis step and the initial shape of the metal plate to be processed are input as initial information. However, if the present invention is properly applied, reworking due to exceeding molding error will usually not be necessary.

이와 같이 본 발명에 의하면 가공 대상인 제작물이 선박이거나 아니면 기타 다양한 산업 구조물 등 그 무엇이든지 간에 금속판에 대한 기초적인 정보와 목표곡면에 대한 정보만 가지고도 손쉽게 원하는 곡면으로 성형 가공할 수 있게 된다. 본 발명의 기술적 사상은 강재나 알루미늄재 등 그 재질에 관계없이 그리고 박판이나 후판 등 금속판의 두께에 관계없이 적용이 가능하다. As described above, according to the present invention, it is possible to easily process a desired surface with only the basic information on the metal plate and the information on the target surface, whether the workpiece to be processed is a ship or various other industrial structures. The technical idea of the present invention can be applied regardless of the thickness of a metal plate such as a thin plate or a thick plate regardless of the material such as steel or aluminum.

도 1은 본 발명에 의한 금속판의 곡면 성형방법을 나타낸 공정 블록도. 1 is a process block diagram showing a curved surface forming method of a metal plate according to the present invention.

도 2는 본 발명에 의한 금속판의 곡면 성형시스템의 일례를 보인 시스템 구성도. 2 is a system configuration diagram showing an example of a curved surface forming system of a metal plate according to the present invention.

도 3은 스프링백 효과를 분석하기 위하여 금속판의 필요 처짐 변위량의 계산에 관한 하중-변위 곡선을 나타낸 그래프. 3 is a graph showing a load-displacement curve for the calculation of the required amount of deflection displacement of a metal plate to analyze the springback effect.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

110: 컴퓨터 시스템 120: 제어장치110: computer system 120: controller

130: 가변형 금형장치 132: 유압 프레싱장치130: variable mold apparatus 132: hydraulic pressing device

134,136: 성형펀치 140: 측정장치 134,136: forming punch 140: measuring device

Claims (4)

다수의 성형펀치를 구비한 가변형 금형장치를 이용하여 금속판을 가공하여 3차원 곡면을 가지는 목적 형상으로 제작하는 방법에 있어서, In the method of producing a target shape having a three-dimensional curved surface by processing a metal plate using a variable mold apparatus having a plurality of molding punches, (a) 금속판의 부재 치수, 재료 물성치, 재료의 응력-변형율 관계 데이터 및 가공 목표곡면을 입력하는 단계;(a) inputting the member dimensions of the metal plate, the material properties, the stress-strain relationship data of the material and the machining target surface; (b) 금속판의 스프링백 효과를 계산하여 이를 토대로 목표곡면을 형성하기 위하여 성형 펀치점에 가할 전체 변위량을 설정하는 단계;(b) calculating the springback effect of the metal plate and setting the total displacement amount to be applied to the forming punch point to form a target curved surface based on the springback effect; (c) 상기 (b)단계에서 얻어진 데이터를 토대로 유압 프레싱장치에 연결된 다수의 성형펀치들이 상·하로 배치되도록 구성되는 가변형 금형장치내의 성형펀치의 위치를 배열하는 단계;(c) arranging the positions of the forming punches in the variable mold apparatus in which a plurality of forming punches connected to the hydraulic pressing device are arranged up and down based on the data obtained in step (b); (d) 상기 상·하 성형펀치 사이에 로딩된 금속판을 프레싱하여 성형 가공하는 단계;(d) pressing and molding the metal plate loaded between the upper and lower forming punches; (e) 성형의 정밀도를 확인하기 위해 성형 가공된 상기 금속판의 곡면을 측정하여 목표곡면과 비교하는 단계(e) measuring the curved surface of the formed metal plate and comparing it with a target curved surface to confirm the accuracy of molding; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속판의 곡면 성형방법. Curved forming method of a metal plate comprising a. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 (b) 단계에서 성형펀치점에 가할 전체 변위량은 하기의 식 (1) 및 식(2)를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 금속판의 곡면 성형방법. The total amount of displacement to be applied to the forming punch point in the step (b) is set using the following equations (1) and (2). K = OA/OB (1)K = OA / OB (1) OE = OB/K (2)OE = OB / K (2) (여기서, OA는 금속판의 잔류 영구 변형량, OB는 성형펀치점의 목표곡면 상의 전체 변위량, OE는 성형펀치점에 가할 전체 변위량을 각각 의미한다.)(OA is the residual permanent deformation of the metal plate, OB is the total displacement on the target surface of the forming punch point, OE is the total displacement to be applied to the forming punch point, respectively.) 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 (b) 단계에서 성형펀치점에 가할 전체 변위량은 하기의 식 (1) 및 식(2)를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 금속판의 곡면 성형방법. The total amount of displacement to be applied to the forming punch point in the step (b) is set using the following equations (1) and (2). AB = OB - OA =CD (1)AB = OB-OA = CD (1) OE = OB + CD (2)OE = OB + CD (2) (여기서, OA는 금속판의 잔류 영구 변형량, OB는 성형펀치점의 목표곡면 상의 전체 변위량, OE : 성형펀치점에 가할 전체 변위량을 각각 의미한다.)(OA is the residual permanent deformation of the metal plate, OB is the total displacement on the target surface of the forming punch point, OE: the total displacement to be applied to the forming punch point, respectively.) 제 1항 내지 제 3항중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 (e) 단계에서 측정된 가공 곡면의 오차가 허용범위를 초과하는 경우 가변형 금형장치로 피드백하여 재성형하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 금속판의 곡면 성형방법. The method of forming a curved surface of the metal plate further comprises the step of feeding back to the variable mold apparatus when the error of the processing curved surface measured in the step (e) exceeds the allowable range.
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