WO2014003231A1 - 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법 - Google Patents

삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법 Download PDF

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WO2014003231A1
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aluminum
forming
molding
thick plate
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윤종헌
이정환
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한국기계연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a curved surface forming method of an aluminum thick plate having a three-dimensional curvature, and more particularly, to a curved forming method of an aluminum thick plate having a three-dimensional curvature in which the amount of elastic recovery is reduced.
  • Aluminum is a silver-white soft metal, which is made of thin foil or wire because of its malleability and ductility, and its properties vary depending on the purity. It is an electrically conductive material and is a typical light metal in terms of specific gravity. It is often used as a material for wires.
  • aluminum is used as a major material for aircraft, ships and vehicles because of its light and durable characteristics, and easily reacts with oxygen, but after the oxide film is formed, the film is blocked from contact with oxygen, so it does not rust well and is polished. This is often used for parts that need to last long.
  • Aluminum plates are widely used in transport ships that carry liquid gas, such as LNG or LPG, and these liquid gases are liquid gases due to rapid increase in consumption due to high oil prices and reactor accidents.
  • the demand for transport ships for transporting the situation is increasing.
  • a liquid gas carrier is a ship that carries liquid gas from a production base to a receiving base. It is usually called an LNG ship or an LPG ship, or an LG Carrier or an LPG Carrier, depending on the type of liquid gas. Also called).
  • Liquefied natural gas for example, is a gas obtained by liquefying natural gas mainly composed of methane at sub-atmospheric pressure of 162 ° C.
  • the volume ratio of liquid and gas is about 1/600, and the specific gravity of the liquefied state is 0.43 to 0.50.
  • the LNG ship is divided into independent tank type and membrane type according to the shape of the cargo hold, the independent tank type is designed to have a double structure of the tank in which the LENG is stored, and the independent aluminum sphere tank (sphere) It is made to be independent of the hull.
  • Independent tank type has the advantage of accurate analysis of storage tank stability and reliability.
  • Membrane type can take advantage of relatively inexpensive ship and deck space, freely deforms according to the change of tank capacity, and secures the clock. This has the advantage of reducing the cost and the cost of passage of the Suez Canal.
  • the independent tank type storage tank is constructed by welding a plurality of aluminum plate patches formed with a constant curvature to maintain a spherical shape.
  • the welding tank has a perfect shape. Since it becomes difficult to assemble the spherical shape, it is necessary to secure the correct curvature according to the curved molding and to predict the elastic restoration amount of the thick plate due to the spring back.
  • the capacity of the storage tank may be inaccurate and may change the transport capacity of the liquid gas.
  • the disclosure patent relates to the invention relating to the curved surface forming method of a metal plate having a feature of small quantity production of a variety of products to be processed.
  • the spring-back effect of the metal sheet to be formed is analyzed in advance by the application of the carbonaceous large deformation nonlinear finite element analysis method, and then, using a changeable die device composed of a series of forming punches.
  • Disclosed is a method for forming a metal object to be processed into a target shape having a three-dimensional curved surface by hydraulic pressing.
  • the above patent discloses a method for fabricating a metal plate using a variable mold apparatus having a plurality of molding punches to form a target shape having a three-dimensional curved surface, wherein the member dimensions of the metal plate, material properties, and stress-strain relationship data of the material And inputting a machining target surface, calculating a springback effect of the metal plate, and setting the total amount of displacement to be applied to the forming punch point to form the target surface based on this, and a plurality of moldings connected to the hydraulic pressing device based on the data.
  • the invention relates to a molding punch for a variable mold apparatus for forming a metal plate and a variable mold apparatus having the same, it is small in size and easy to install, low installation cost
  • the invention relates to a molding punch for a variable mold apparatus configured using a motor and a screw so that the position control is quick and precise and the reverse rotation prevention function is disclosed.
  • the registered patent includes a drive motor that is supported and fixed inside the casing to provide rotational power; A rotating shaft which is connected to the driving motor and rotates so that a screw thread is formed on an outer circumferential surface thereof; Disclosed is an invention including a brake installed inside the casing and coupled to a braking device for braking the rotating shaft and a punch moving linearly along the thread of the rotating shaft as the rotating shaft rotates.
  • An object of the present invention is to provide a method for forming a curved surface of an aluminum thick plate for reducing the amount of elastic recovery generated during curved forming of an aluminum thick plate.
  • a curved surface forming method of an aluminum thick plate having a three-dimensional curvature includes: a first molding step of forming an aluminum thick plate formed of an aluminum alloy to have a curvature in a direction opposite to a target curvature; And a second molding step of forming the aluminum thick plate to have a target curvature in the same direction as the target curvature. It is configured to include.
  • the first molding step is carried out to have a curvature in the opposite direction to the target curvature, and then the second molding step is carried out to have the target curvature in the same direction as the target curvature. It is made to have an ongoing configuration.
  • the curved surface of the aluminum thick plate is formed to have a curvature in a direction opposite to the target curvature in the first molding step, and then the elastic restoring force is reduced while being molded to have the same curvature in the same direction as the target curvature in the second molding step. You can expect the effect.
  • the first molding step of forming the curvature in a direction different from the target curvature is performed, followed by the second molding step of forming the curvature in the same direction as the target curvature.
  • the effect of improving the precision of the curvature formed on the aluminum plate can be expected, and welding, assembly, joint coupling, etc. for manufacturing a large storage container using the aluminum plate formed to have a three-dimensional curvature.
  • the post-processing can be expected to be easy to effect.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a vessel in which a storage container using an aluminum thick plate is formed by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the shape of the aluminum plate formed by the curved forming method of the aluminum plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a graph showing the stress change of the aluminum thick plate formed by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a graph of the elastic restoring force of the aluminum plate formed by the curved forming method of the aluminum plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a graph of the molding load comparison of the aluminum thick plate formed by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a block diagram showing a process according to the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a vessel in which a storage container using an aluminum thick plate is formed by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention.
  • Liquefied natural gas is a state in which natural gas is liquefied by compressing about 600 times at a temperature of minus 162 ° C. Therefore, the outer wall of the storage container for storing liquefied natural gas is resistant to low temperature brittleness and has excellent corrosion resistance and mechanical properties. I) is mainly used.
  • the aluminum thick plate will be referred to as a metallic plate including a metal plate having a thickness of at least 10 mm of aluminum.
  • the storage container 10 for transporting the liquefied natural gas is formed in the shape of a sphere having a predetermined diameter and having an internal space, and a plurality of vessels are mainly installed in the vessel 1, and the vessel ( The liquid liquefied natural gas is accommodated in the internal space of the storage container 10 installed in 1) and is transported to a desired position by the movement of the vessel 1.
  • the storage container 10 has a diameter of 40m or more on an inner surface thereof to store a large amount of liquid or gaseous storage material in the inner space thereof.
  • a diameter of 40m or more on an inner surface thereof to store a large amount of liquid or gaseous storage material in the inner space thereof.
  • smaller or larger configurations are possible, but larger diameters would be desirable to store large amounts of storage material.
  • the storage container 10 for forming a large internal space is molded by forming a plurality of plates 20 to be curved and then jointed to form a large curved surface.
  • the plate 20 formed of a thick aluminum plate is subjected to curved molding at a warm temperature (about 300 °C to 450 °C) in order to reduce the molding load and the elastic restoring amount generated in the large surface forming.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the shape of the aluminum thick plate formed by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an aluminum molded by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the stress change of the thick plate
  • Figure 4 is a comparison graph of the elastic restoring force of the aluminum thick plate formed by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is a comparison graph of the molding load of the aluminum thick plate formed by the curved forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a block showing a process according to the forming method of the aluminum thick plate according to an embodiment of the present invention. It is also.
  • the thickness of the aluminum plate, the curvature of the mold, the lattice spacing of the mold in order to analyze the elastic restoring force and molding load of the aluminum plate according to the molding conditions and process conditions based on the aluminum plate that is molded to have a target curvature For example, the result of performing the molding analysis by applying the etc. as a variable will be described.
  • the aluminum thick plate is to measure the post-molding dimensions of the thick plate in the x-axis direction.
  • the elastic restoring amount can be measured in a different direction, but since the curved aluminum sheet has the same curvature in both the horizontal, vertical and diagonal directions, the elastic restoring amount is the x-axis direction, which is the longest side of the aluminum thick plate. It would be desirable to measure with.
  • the curved surface forming method of an aluminum thick plate having a three-dimensional curvature may include: a first forming step 40 of forming an aluminum thick plate in which a main material is formed of aluminum to have a curvature in a direction opposite to a target curvature; And a second molding step 50 for molding the aluminum thick plate to have a target curvature in the same direction as the target curvature.
  • the aluminum thick plate is molded into a molded body 30 having a curvature in a direction opposite to a target curvature.
  • the molded body 30 formed through the first molding step 40 is molded to have a target curvature while having the curvature in the same direction as the target curvature by the progress of the second molding step 50.
  • the molded body 30 formed in the first molding step 40 has a target curvature according to the progress of the second molding step 50, the sign of the curvature is rapidly changed so that the molded body ( Since there is a possibility that a problem occurs in the surface quality of 30), by further proceeding the preforming step 60 having the nature of the preliminary process it is possible to solve the surface quality problems of the molded body (30).
  • the molded body 30 formed by the first molding step 40 generates residual stress after elastic restoration. That is, the compressive residual stress is generated on the upper surface of the molded body 30, and the tensile residual stress is generated on the lower surface of the molded body 30.
  • the molded body 30 formed in the first molding step 40 has the curvature in the same direction as the target curvature by the continuous preforming step 60 and the second molding step 50.
  • the residual stress generated in the first molding step 40 cancels the stress distribution generated in the second molding step 50 to reduce the elastic restoring amount.
  • the first graph of Figure 3 is a graph measuring the stress distribution generated in the molded body 30 by the progress of the first molding step 40, the second graph measures the elastic recovery stress generated in the molded body 30 One graph.
  • the third graph is a graph showing the residual stress after the elastic restoring force is applied according to the curved molding of the molded body 30, and with respect to the residual stress in accordance with the progress of the preforming step 60, the molded body 30 ) Is molded to have the same direction as the target curvature, and as shown in the fourth graph, it can be seen that the stress in the direction opposite to the residual stress remaining in the molded body 30 is acting.
  • the residual stress generated in the preforming step 60 and the stress generated by the progress of the second molding step 50 act in different directions. It has the advantage of being partially offset.
  • the molded body 30 is formed by applying the curved forming method of the aluminum thick plate according to the present invention was measured by the elastic restoring amount of 5.2 mm, not applying the curved forming method of the aluminum thick plate according to the present invention. It can be seen that the elastic restoring amount of the case 1 is measured as 7.3 mm.
  • the molded article according to the application of the curved forming method of the aluminum thick plate according to the present invention exhibits a number of experimental results by having an effect of reducing the elastic recovery amount of approximately 29%.
  • a value of x of 560 mm means a position spaced about 560 mm from the central portion of the molded body 30.
  • the molding load is rapidly increased in the first molding step 40, and the molding load according to the progress of the preforming step 60 is rapidly decreased.
  • the molding load according to the progress of the second molding step 50 tends to have a larger molding load than the molding load according to the progress of the preforming step 60.
  • step 50 it can be seen that a molding load of about 250 tons is measured.
  • the molded body is molded to have a curvature in a direction opposite to the target curvature, and then molded to have a target curvature in the same direction as the target curvature.
  • the elastic restoring force generated in the process of forming the molded body to have a target curvature is reduced, and the molding load for forming the molded body is reduced, thereby processing the aluminum plate to have a three-dimensional curvature.
  • This has the advantage of being easier.
  • the post-processing such as joint bonding for producing the molded body, which is an aluminum thick plate having a three-dimensional curvature in a large storage container or the like becomes easy.
  • the curved surface forming method of the aluminum thick plate having the three-dimensional curvature according to the present invention will be highly applicable to not only the aluminum thick plate processing industry, but also various related industries.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 관한 것으로, 상세하게는 탄성 복원량이 감소되는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법은, 주재료가 알루미늄으로 형성되는 다수의 플레이트가 접합된 알루미늄 후판을 목표 곡률과 반대 방향의 곡률을 가지도록 성형하는 제1성형단계; 상기 알루미늄 후판을 목표 곡률과 동일 방향으로 더 작은 곡률을 가지도록 예비 성형하는 제2성형단계; 및 상기 알루미늄 후판이 목표 곡률을 가지도록 성형하는 제3성형단계; 를 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 알루미늄 후판의 곡면성형이 용이해지는 이점을 가지며, 이로 인해 알루미늄 후판을 이용한 곡면을 가지는 다양한 형태의 성형체 제조가 가능해지는 장점을 가지게 된다.

Description

삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법
본 발명은 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 관한 것으로, 상세하게는 탄성 복원량이 감소되는 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 관한 것이다.
알루미늄은 은백색의 부드러운 금속으로 전성과 연성이 커서 얇은 박이나 철사로 제조될 수도 있고, 성질은 순도에 따라 다르며 전기적으로는 양도체이고 비중으로 보면 전형적인 경금속이며, 전성과 연성이 뛰어나고 전기 전도성이 좋아 고압 전선의 재료로 많이 사용된다.
또한, 알루미늄은 가볍고 내구성이 큰 특성을 가지므로 항공기, 선박, 차량의 주요 재료로도 사용되며, 산소와 쉽게 반응하지만 산화 피막이 형성된 후에는 피막에 의해 산소와의 접촉이 차단되어 녹이 잘 슬지 않아 광택이 오래 지속될 필요가 있는 부분에 많이 사용된다.
알루미늄 후판(厚板)은 액화천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG) 등 액체가스를 운반하는 운반선박에 많이 사용되고 있으며, 이러한 액체가스는 고유가 및 원자로 사고 등에 따른 소비량이 급증함에 따라 액체가스를 운반하기 위한 운반 선박의 수요가 증가하고 있는 실정이다.
액체가스 운반선이란 액체가스를 생산기지에서 인수 기지까지 운반하는 선박으로 통상 액체가스의 종류에 따라 엘엔지(LNG)선 또는 엘피지(LPG)선이라 하거나, 엘엔지씨(LNG Carrier) 또는 엘피지씨(LPG Carrier)라 하기도 한다.
액화천연가스를 예를 들면, 액화천연가스는 메탄이 주성분인 천연가스를 대기압에서 영하 162℃로 액화시킨 가스로서, 액체와 기체의 용적 비율은 약 1/600이고, 액화 상태의 비중은 0.43∼0.50이다.
그리고, 상기 엘엔지선은 화물창의 형태에 따라 독립탱크형과 멤브레인형으로 구분되며, 독립탱크형은 엘엔지가 보관되는 탱크를 이중 구조의 구형(球形)으로 설계하고, 독립된 알루미늄 구형(球形) 탱크를 선체와 독립되게 만들어지는 형태이다.
독립탱크형은 저장 탱크의 안정성 및 신뢰성에 대한 정확한 분석이 가능한 장점을 가지며, 멤브레인형은 상대적으로 저렴한 선가와 갑판 상부의 공간을 넓게 활용할 수 있고, 탱크 용량 변화에 따른 변형이 자유로우며, 시계 확보가 유리한 점 및 수에즈 운하의 통과 비용이 절감되는 장점을 가진다.
독립탱크형의 저장 탱크는 구(球) 형상을 유지하기 위하여 일정한 곡률로 성형된 다수의 알루미늄 후판 패치를 용접하여 구성되며, 곡면성형된 후판의 곡률이 일정하지 않을 경우, 용접 공정에서 완벽한 형상의 구형을 조립하기 어려워지므로, 곡면성형에 따른 정확한 곡률 확보와 스프링백으로 인한 후판의 탄성 복원량을 예측할 필요성을 가지는 실정이다.
이처럼 저장 탱크가 완벽한 형상의 구형으로 형성되지 않는 경우 저장 탱크의 용량이 정확하지 않아 운반하는 액체가스의 운반 용량이 달라지는 상황이 발생할 수 있게 된다.
한편, 대한민국 공개특허 제2009-0055348호에 따르면, 금속판의 곡면성형방법에 관한 발명이 개시되어 있으며, 상기 공개특허는 가공 대상 제품이 다품종 소량 생산의 특징을 지니는 금속판의 곡면성형 방법에 관한 발명으로, 성형 대상 금속판의 스프링백(Spring-back) 효과를 탄소성 대변형 비선형 유한요소해석 기법의 적용에 의해 사전에 분석한 후, 일련의 성형펀치로 구성된 가변형 금형(Changeable-die) 장치를 이용하여 유압 프레싱함으로써 가공대상 금속판을 3차원 곡면을 가지는 목적 형상으로 성형 가공하는 방법에 관한 발명이 개시된다.
상기 공개특허에는 다수의 성형펀치를 구비한 가변형 금형장치를 이용하여 금속판을 가공하여 3차원 곡면을 가지는 목적 형상으로 제작하는 방법에 있어서, 금속판의 부재 치수, 재료 물성치, 재료의 응력-변형율 관계 데이터 및 가공 목표 곡면을 입력하는 단계와, 금속판의 스프링백 효과를 계산하여 이를 토대로 목표곡면을 형성하기 위하여 성형 펀치점에 가할 전체 변위량을 설정하는 단계와, 데이터를 토대로 유압 프레싱장치에 연결된 다수의 성형펀치들이 상,하로 배치되도록 구성되는 가변형 금형장치 내의 성형펀치의 위치를 배열하는 단계와, 상기 상,하 성형펀치 사이에 로딩된 금속판을 프레싱하여 성형 가공하는 단계와, 성형의 정밀도를 확인하기 위해 성형 가공된 상기 금속판의 곡면을 측정하여 목표곡면과 비교하는 단계를 포함하여 이루어지는 구성이 개시된다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1030382호에는, 금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치 및 이를 구비한 가변형 금형장치에 관한 발명이 개시되어 있으며, 규모가 작아 설치가 용이하며, 설치 비용이 저렴하고, 위치 제어가 신속하고 정밀하며, 역회전 방지 기능을 갖도록 모터와 스크류를 이용하여 구성한 가변형 금형장치용 성형펀치에 관한 발명이 개시된다.
상기 등록특허에는 케이싱 내부에 지지 고정되어 회전 동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터에 동력 연결되어 회전하는 것으로서 외주면 상에 나사산이 형성되는 회전축; 상기 케이싱 내부에 설치되어 상기 회전축을 제동하기 위한 제동장치 및 상기 회전축에 결합하는 것으로서 상기 회전축이 회전함에 따라 상기 회전축의 나사산을 따라 직선 이동하는 펀치를 포함하여 구성되는 발명이 개시된다.
본 발명의 목적은, 알루미늄 후판의 곡면성형시 발생하는 탄성 복원량을 감소시키기 위한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법은, 알루미늄 합금으로 형성되는 알루미늄 후판을 목표 곡률과 반대 방향의 곡률을 가지도록 성형하는 제1성형단계; 및 상기 알루미늄 후판을 목표 곡률과 동일 방향으로 목표 곡률을 가지도록 성형하는 제2성형단계; 를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의한 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의하면, 목표 곡률과 반대 방향의 곡률을 가지도록 제1성형단계가 진행된 다음 목표 곡률과 동일 방향으로 목표 곡률을 가지도록 제2성형단계가 진행되는 구성을 가지도록 이루어진다.
이처럼, 상기 제1성형단계에서 목표 곡률과 반대 방향의 곡률을 가지도록 알루미늄 후판의 곡면을 성형한 다음 상기 제2성형단계에서 목표 곡률과 동일 방향으로 동일 곡률을 가지도록 성형되면서 탄성 복원력이 감소하는 효과를 기대할 수 있게 된다.
이와 같이, 목표 곡률과 다른 방향으로 곡률을 가지도록 성형하는 상기 제1성형단계를 진행한 다음 목표 곡률과 동일 방향으로 동일 곡률을 가지도록 성형하는 상기 제2성형단계가 진행되면서, 알루미늄 후판의 삼차원 곡면형성에 따른 탄성 복원력이 감소하게 되는 효과를 기대할 수 있게 되며, 탄성 복원력이 감소하게 됨에 따라 곡면성형에 따른 알루미늄 후판의 탄성 복원량이 감소하는 효과를 기대할 수 있게 된다.
곡면 성형에 따른 알루미늄 후판의 탄성 복원량이 감소하게 됨으로써, 알루미늄 후판의 곡면 성형이 용이한 효과를 기대할 수 있으며, 용이한 곡면 성형으로 인해 생산성이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
탄성 복원량이 감소함에 따라, 알루미늄 후판에 성형되는 곡률의 정밀도가 향상되는 효과를 기대할 수 있으며, 삼차원 곡률을 가지도록 형성되는 알루미늄 후판을 이용하여 대형 저장용기를 제조하기 위한 용접, 조립, 이음 결합 등의 후가공이 용이한 효과를 기대할 수 있게 된다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판을 이용한 저장용기가 사용된 선박을 나타낸 사시도.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 형태를 나타낸 개략도.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 응력 변화를 나타낸 그래프.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 탄성 복원력 비교 그래프.
도 5 는 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 성형 하중 비교 그래프.
도 6 은 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 따른 공정을 나타낸 블럭도.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1. 선박 10. 저장용기
20. 플레이트 30. 성형체
40. 제1성형단계 50. 제2성형단계
60. 예비성형단계
이하에서는 본 발명에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 대하여 실시 예를 들어 첨부되는 도면을 참조하여 액화천연가스를 저장하는 저장용기를 예를 들어 상세히 살펴보기로 한다.
다만, 본 발명의 사상은 이하에서 살펴보는 실시 예에 의해 그 실시 가능 상태가 제한된다고는 할 수 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 이용하여 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함된다고 할 것이다.
그리고, 본 명세서 또는 청구 범위에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 개념으로, 본 발명의 기술적 내용을 파악함에 있어서, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판을 이용한 저장용기가 사용된 선박을 나타낸 사시도이다.
액화천연가스는 천연가스를 영하 162℃ 상태에서 약 600배 압축하여 액화시킨 상태의 가스이므로, 액화천연가스를 저장하는 저장용기의 외벽은 저온 취성에 강하며 내부식성 및 기계적 물성이 뛰어난 알루미늄 후판(厚板)이 주로 사용된다.
이하의 설명에서 상기 알루미늄 후판은 판재의 두께가 적어도 10㎜ 이상의 알루미늄을 포함하는 금속성 판재를 알루미늄 후판이라 칭하기로 한다.
알루미늄 후판을 적용한 저장용기(10)의 대곡면성형 시 블록 타입의 금형을 제작하여 성형하는 성형 방법은 현실적으로 어려우므로, 격자 형태의 금형을 사용하여 다수의 곡면 판재를 성형한 다음 이들 곡면 판재를 이어 붙임으로써 상기 저장용기(10)를 성형하게 된다.
즉, 상기 액화천연가스를 운반하기 위한 상기 저장용기(10)는 일정 정도의 지름을 가지면서 내부 공간을 가지는 구(球) 형태로 형성되어 주로 선박(1)에 다수 개가 설치되고, 상기 선박(1)에 설치되는 상기 저장용기(10)의 내부 공간에 액체 상태의 액화천연가스가 수용되면서 상기 선박(1)의 이동에 의해 원하는 위치로 운반하게 된다.
상기 저장용기(10)는 그 내부 공간에 많은 양의 액체 상태 또는 기체 상태의 저장 물질을 저장하기 위하여 내면의 지름이 40m 이상의 크기로 이루어진다. 물론, 더 작거나 크게 형성되는 구성도 가능하나, 많은 양의 저장 물질을 저장하기 위하여서는 지름이 큰 형태가 바람직할 것이다.
이처럼, 내부 공간을 크게 형성하기 위한 상기 저장용기(10)는 대곡면의 성형을 위하여 다수의 플레이트(20)를 곡면성형한 다음 이음 결합함으로써 그 형태를 성형하게 된다.
이때, 알루미늄 후판으로 형성되는 상기 플레이트(20)는 대곡면 성형에서 발생하는 성형 하중 및 탄성 복원량을 감소시키기 위하여 온간(약 300℃∼450℃)에서 곡면성형을 진행하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 형태를 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 응력 변화를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 탄성 복원력 비교 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의해 성형되는 알루미늄 후판의 성형 하중 비교 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 의한 알루미늄 후판의 성형 방법에 따른 공정을 나타낸 블럭도이다.
그리고, 본 발명에서는 알루미늄 후판의 실제 대곡면성형 조건을 위하여 가로와 세로의 길이가 1186×790㎜를 가지면서 20 또는 30㎜ 두께를 가지는 주재료가 알루미늄인 금속성 판재 형태로 이루어지는 구성을 예를 들어 살펴보기로 한다.
또한, 목표 곡률을 가지도록 성형되는 상기 알루미늄 후판을 소재로 하여 성형 조건 및 공정 조건에 따른 알루미늄 후판의 탄성 복원력과 성형 하중 등을 분석하기 위하여 상기 알루미늄 후판의 두께, 금형의 곡률, 금형의 격자 간격 등을 변수로 적용하여 성형 해석을 수행한 결과를 예를 들어 살펴보기로 한다.
이하의 설명에서는 성형 조건들의 비교 분석을 위하여 성형 조건들을 서로 달리하면서 다수의 실험을 통해 본 발명의 구성을 살펴보기로 한다. 이때 사용되는 실시 예1의 성형조건은 아래 표와 같다.
표 1
구분 다이곡률(㎜) 펀치곡률(㎜) 플레이트 두께(㎜)
Case 1 1,500 1,530 30
일정한 다이 곡률(1/1500) 및 알루미늄 후판의 두께(30㎜)에 대하여 성형 펀치의 곡률 차이가 있을 경우 탄성 복원력 차이를 실험하였으며, 이때 곡면 성형된 알루미늄 후판의 탄성 복원량은 펀치를 제거한 다음 복원되는 탄성 복원량을 측정하여 실험한 결과이다.
한편, 다양한 성형 조건에 따른 탄성 복원량을 측정하기 위하여 상기 알루미늄 후판은 x-축 방향으로 후판의 성형 후 치수를 측정하게 된다. 물론, 다른 방향으로 탄성 복원량을 측정할 수 있으며, 다만, 곡면 성형된 상기 알루미늄 후판은 수평, 수직 및 대각선 방향 모두 동일한 곡률을 가지고 있으므로, 탄성 복원량은 상기 알루미늄 후판의 가장 긴 변인 x축 방향으로 측정하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 실시 예에 의한 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법은, 주재료가 알루미늄으로 형성되는 알루미늄 후판을 목표 곡률과 반대 방향의 곡률을 가지도록 성형하는 제1성형단계(40)와, 상기 알루미늄 후판을 목표 곡률과 동일 방향으로 목표 곡률을 가지도록 성형하는 제2성형단계(50)를 포함하여 구성된다.
상기 제1성형단계(40)에서는 상기 알루미늄 후판을 목표 곡률과 반대 방향의 곡률을 가지는 성형체(30)를 성형하게 된다. 상기 제1성형단계(40)를 통해 성형되는 상기 성형체(30)는 상기 제2성형단계(50)의 진행에 의해 목표 곡률과 동일 방향의 곡률을 가지면서 목표 곡률을 가지도록 성형된다.
이때, 상기 제1성형단계(40)에서 성형되는 상기 성형체(30)를 상기 제2성형단계(50)의 진행에 따라 목표 곡률을 가지도록 성형하게 되면, 곡률의 부호가 급격하게 바뀌어 상기 성형체(30)의 표면 품질에 문제가 발생할 가능성이 있기 때문에 예비 공정의 성격을 가지는 예비성형단계(60)를 더 진행하여 상기 성형체(30)의 표면 품질 문제를 해결할 수 있게 된다.
도 3을 참조하여 보면, 상기 제1성형단계(40)에 의해 성형되는 상기 성형체(30)는 탄성 복원 후에 잔류 응력이 발생하게 된다. 즉, 상기 성형체(30)의 상면은 압축 잔류 응력이 발생하게 되며, 상기 성형체(30)의 하면은 인장 잔류 응력이 발생하게 된다.
이때, 연속적인 상기 예비성형단계(60)와 상기 제2성형단계(50)의 진행에 의해 상기 제1성형단계(40)에서 성형되는 상기 성형체(30)를 목표 곡률과 동일 방향의 곡률을 가지도록 재 성형하게 되면, 상기 제1성형단계(40)에서 발생하게 되는 잔류 응력이 상기 제2성형단계(50)에서 발생되는 응력 분포를 상쇄시켜 탄성 복원량을 감소시키게 된다.
도 3의 첫번째 그래프는 상기 제1성형단계(40)의 진행에 의해 상기 성형체(30)에서 발생하는 응력분포를 측정한 그래프이며, 두번째 그래프는 상기 성형체(30)에서 발생하는 탄성 복원 응력을 측정한 그래프이다.
이를 참조하여 보면, 상기 제1성형단계(40)의 진행에 의해 상기 성형체(30)에는 비교적 큰 응력이 발생함을 알 수 있으며, 이에 대하여 반대 방향으로 탄성 복원력이 발생함을 알 수 있다.
또한, 세번째 그래프는 상기 성형체(30)의 곡면 성형에 따른 탄성 복원력이 작용하고 난 다음의 잔류 응력을 나타낸 그래프이고, 이러한 잔류 응력에 대하여 상기 예비성형단계(60)의 진행에 따라 상기 성형체(30)는 목표 곡률과 동일 방향을 가지도록 성형되면서, 네번째 그래프에서 보는 바와 같이 상기 성형체(30)에 남아 있는 잔류 응력과 반대 방향의 응력이 작용하고 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 상기 제2성형단계(50)를 진행함에 따라 상기 예비성형단계(60)에서 발생하는 잔류 응력과 상기 제2성형단계(50)의 진행에 의해 발생하는 응력은 서로 다른 방향으로 작용하여 일정 부분 상쇄되는 장점을 가지게 된다.
상기 제2성형단계(50)의 진행에 따라 발생하는 잔류 응력은 상기 예비성형단계(60)의 진행에 따라 상쇄되면서, 탄성 복원력이 저하됨을 알 수 있다.
도 4를 참조하여 보면, 본 발명에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법을 적용하여 성형되는 상기 성형체(30)는 탄성 복원량이 5.2 ㎜로 측정되었으며, 본 발명에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법을 적용하지 않은 케이스1의 탄성 복원량은 7.3㎜로 측정됨을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 알루미늄 후판의 곡면성형 방법의 적용에 따른 상기 성형체는 대략 29％의 탄성 복원량을 저감시키는 효과를 가지는 것으로 다수의 실험 결과를 나타냄을 알 수 있게 된다.
물론, 다수의 실험에 의해 탄성 복원량의 저감 효과는 더욱 넓은 범위에서 측정되었으며, 대략 20 내지 45％ 범위의 저감 효과를 가지는 것으로 다수의 실험 결과에서 도출됨을 알 수 있다.
성형 조건 케이스 1에 따른 탄성 복원량은 x=560㎜에서 5.2㎜로 측정된다. x의 값이 560㎜의 의미는 상기 성형체(30)의 중앙 부분으로부터 560㎜ 정도 이격된 위치를 의미한다.
도 5를 참조하여 보면, 상기 제1성형단계(40)에서 성형 하중이 급격히 증가하게 되고, 상기 예비성형단계(60)의 진행에 따른 성형 하중은 급격히 저하되는 경향을 보이게 된다.
또한, 상기 제2성형단계(50)의 진행에 따른 성형 하중은 상기 예비성형단계(60)의 진행에 따른 성형 하중보다 더 큰 성형 하중을 가지는 경향을 보이게 된다.
실험 결과적으로 상기 제1성형단계(40)에서는 약 1,130톤의 성형 하중이 발생하는 것으로 측정되었으며, 상기 예비성형단계(60)에서는 약 110톤의 성형 하중이 발생하는 것으로 측정되었고, 상기 제2성형단계(50)에서는 약 250톤의 성형 하중이 발생하는 것으로 측정됨을 알 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
본 발명에 의한 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법에 의하면, 상기 성형체를 목표 곡률과 반대 방향으로 곡률을 가지도록 성형한 다음 목표 곡률과 동일 방향으로 목표 곡률을 가지도록 성형하게 된다.
이에 따라, 상기 성형체를 목표 곡률을 가지도록 성형하는 과정에서 발생하는 탄성 복원력이 저감되는 장점을 가지게 되며, 상기 성형체를 성형하기 위한 성형 하중이 감소되어 알루미늄 후판을 삼차원 곡률을 가지도록 성형하기 위한 가공이 용이해지는 장점을 가지게 된다.
또한, 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판인 상기 성형체를 대형 저장용기 등으로 제조하기 위한 이음 결합 등의 후 가공이 용이해지는 장점을 가지게 된다.
이러한 다양한 장점 및 효과로 인해 본 발명에 의한 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법은 알루미늄 후판 가공 산업뿐만 아니라, 이와 관련된 다양한 산업에 그 이용 가능성이 크다 할 것이다.

Claims (5)

  1. 알루미늄 합금으로 형성되는 알루미늄 후판을 목표 곡률과 반대 방향의 곡률을 가지도록 성형하는 제1성형단계; 및
    상기 알루미늄 후판을 목표 곡률과 동일 방향으로 목표 곡률을 가지도록 성형하는 제2성형단계; 를 포함하여 구성되는 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1성형단계와 상기 제2성형단계의 사이에는 상기 알루미늄 후판이 목표 곡률과 동일 방향으로 더 작은 곡률을 가지도록 예비 성형하는 예비성형단계가 더 진행되는 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 예비성형단계에서의 성형 하중이 상기 제1,2성형단계에서의 성형하중보다 더 작은 하중을 가지는 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 후판은 적어도 10㎜ 이상의 두께를 가지도록 형성되는 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2성형단계 이후에는 목표 곡률을 가지도록 성형된 상기 알루미늄 후판을 이음 결합하여 대형 저장용기를 성형하는 후가공이 더 진행되는 삼차원 곡률을 가지는 알루미늄 후판의 곡면성형 방법.
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