KR100951042B1 - 냉각 효율을 향상시킨 열간 프레스 성형 장치 - Google Patents

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복현호
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Abstract

금속 판재의 열간 프레스 성형 장치에 관한 것으로, 금속 판재와 금형의 접촉을 확보하여 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 열간 프레스 성형 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은 오목하게 요입된 성형 공간을 구비하는 상부 금형과, 상기 성형 공간으로 진입하여 소재를 성형하는 펀치를 포함하는 열간 프레스 성형 장치에 있어서, 상기 펀치는, 베이스와 연결되는 하부 몸체; 상기 하부 몸체에 대하여 승하강 가능하게 연결되며 상부면을 형성하는 상부 몸체; 및 상기 상부 몸체와 상기 하부 몸체의 사이에 배치되며 측벽을 형성하는 복수개의 측면 몸체;를 포함하고,
상기 복수개의 측면 몸체는 상기 상부 몸체 또는 상기 하부 몸체와 슬라이딩 가능한 경사면으로 연결되어, 상기 상부 몸체가 상승한 상태에서는 상기 측면 몸체가 수축된 상태를 유지하고, 상기 상부 몸체가 하강함에 따라 상기 측면 몸체가 팽창하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치를 제공한다.
열간 프레스 성형, 펀치, 냉각 효율

Description

냉각 효율을 향상시킨 열간 프레스 성형 장치{Hot press forming device for promoting cooling efficiency}
본 발명은 금속 판재의 열간 프레스 성형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 판재와 금형의 접촉을 확보하여 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 열간 프레스 성형 장치에 관한 것이다.
인장강도 1470 MPa 급 고강도 자동차 차체용 부품을 제조하기 위해 금속 판재, 특히 저탄소 강판을 A3온도 이상으로 가열한 후 고온 성형 직후 닫혀진 금형의 내부에서 급냉함으로써 성형체를 제조하는 방법을 열간 프레스 공법이라고 하며, 이러한 공법을 핫스탬핑 공법이라고도 한다. 이러한 공법을 시행할 때 강판에 고경도의 마르텐사이트 조직이 출현하므로 프레스 경화 공법이라고도 불린다.
금형에 의한 강판의 냉각은 금형과 강판 간의 고체상태의 접촉에 의한 열전달이 주효하므로 강판의 냉각 속도는 수냉이나 유냉 등에 비해 냉각효율이 현저히 떨어진다. 느린 냉각속도로 인한 강판의 마르텐사이트 분율 감소를 방지하기 위해 강판의 탄소 첨가량을 높이거나 크롬, 몰리브덴, 망간, 붕소 등의 합금원소를 첨가하여 강판 자체의 경화능을 높이는 방법을 사용한다. 자동차용 차체 부품 제조에 주로 사용되는 열간 프레스 공법에 있어서는 용접성, 도금성 확보를 위해 탄소첨가량은 제한되어 통상 강판은 2000 ppm 내외의 적정량의 탄소와 수십 ppm 내외의 붕소를 함유시켜 경화능을 향상시킨 특수강이 사용된다.
프레스 경화 공정은 일반적으로 '강판의 가열'->'프레스장치로의 이송'->'프레스 성형'->'금형에 의한 급냉'으로 이루어진다.
이 때 강판은 미리 블랭킹이 된 상태로 낱장 형태로 공급되며 상자형 가열로(Box Furnace)에 투입되어 가열된 후 목표온도에 도달하면 약 5분간 유지된 후 이송용 로봇에 의해 10초 이내에 프레스 장치 내부로 급속 투입되는 전공정(Pre Process)과, 프레스 성형-금형 냉각하는 본공정(Main Process) 및 트리밍, 피어싱 등의 후공정(Post Process) 과정을 겪게 된다.
종래의 열간 프레스 가공 공정에서는 일반적인 상온 프레스 가공의 경우와 같이 펀치와 다이 사이에 소재의 원활한 유입을 보장하기 위해 소재 두께 외에도 추가의 간극(Clearance)을 확보하고 있었다.
성형이 종료되는 하사점에서는 펀치의 상부(Top)와 다이의 상부(Top)의 간극은 해소되어 소재가 펀치와 다이에 완전 접촉하게 되나, 측벽부(Side Wall)의 간극은 해소될 수 없으므로 소재는 펀치와 다이에 완전한 접촉을 이룰 수 없다.
이 때 냉각의 대부분이 소재와 금형 간의 접촉에 의해 발생하므로 접촉이 좋 은 상부와 접촉이 불량한 측벽부 사이에는 냉각시 온도 이력의 편차가 존재하게 되어 성형품에 균일한 재질이 형성되지 않는 문제가 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 냉각시 온도 이력의 편차를 감소시키기 위한 것으로, 펀치의 진입시에는 펀치와 다이 사이에 소재의 원활한 유입을 보장하는 간극을 확보할 수 있고, 금형을 완전히 닫은 상태에서 소재가 펀치 및 다이와 완전히 접촉할 수 있는 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 펀치가 금형으로 진입하는 초기에는 펀치의 측면과 프레스 금형의 성형 공간 사이의 유격이 확보되고, 펀치가 프레스 금형의 성형 공간으로 완전히 진입한 이후에는 소재가 펀치 및 프레스 금형에 밀착되도록 함으로써 소재의 냉각효과를 향상시킬 수 있는 열간 프레스 성형 장치를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 오목하게 요입된 성형 공간을 구비하는 상부 금형과, 상기 성형 공간으로 진입하여 소재를 성형하는 펀치를 포함하는 열간 프레스 성형 장치에 있어서, 상기 펀치는, 베이스와 연결되는 하부 몸체; 상기 하부 몸체에 대하여 승하강 가능하게 연결되며 상부면을 형성하는 상부 몸체; 및 상기 상부 몸체와 상기 하부 몸체의 사이에 배치되며 측벽을 형성하는 복수개의 측면 몸체;를 포함하고,
상기 복수개의 측면 몸체는 상기 상부 몸체 또는 상기 하부 몸체와 슬라이딩 가능한 경사면으로 연결되어, 상기 상부 몸체가 상승한 상태에서는 상기 측면 몸체가 수축된 상태를 유지하고, 상기 상부 몸체가 하강함에 따라 상기 측면 몸체가 팽창하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 금속 판재의 열간 프레스 성형 장치는 상기 상부 몸체가 상기 하부 몸체에 대하여 상승한 상태를 유지하도록 탄성력을 제공하는 제1탄성부재 를 더 포함하며, 상기 복수개의 측면 몸체가 수축된 상태를 유지하도록 탄성력을 제공하는 제2탄성부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2탄성부재는 상기 복수개의 측면 몸체를 서로 연결하거나, 상기 복수개의 측면 몸체 각각을 상기 상부 몸체 또는 상기 하부 몸체와 연결하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 측면 몸체가 수축된 상태에서는 상기 상부 몸체의 표면이 상기 측면 몸체의 상단면에 대하여 돌출된 상태이고, 상기 측면 몸체가 팽창된 상태에서는 상기 상부 몸체의 표면과 상기 측면 몸체의 상단이 동일 높이를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 냉각 효율을 향상시킨 열간 프레스 성형 장치는 펀치가 상부 금형에 진입한 상태에서 팽창될 수 있도록 구성하여, 성형품의 냉각시에 펀치의 외면 및 상부금형의 내면에 소재가 밀착될 수 있도록 해줌으로써 소재의 냉각 효율을 향상시켜 성형품의 품질을 향상시키는 효과를 가져온다.
그리고, 본 발명은 성형품이 균일한 냉각을 받을 수 있도록 함으로써 균일한 상변태를 가능하도록하여 결과적으로 균일한 재질 분포를 가지는 자동차용 고강도 부품을 제조할 수 있도록 해주는 효과를 가져온다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 냉각 효율을 향상시킨 열간 프레스 성형 장치에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 구조를 나타낸 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열간 프레스 성형장치(10)는 오목하게 요입된 성형 공간을 구비하는 상부 금형(20)과, 상기 성형 공간으로 진입하여 소재를 성형하는 펀치(100)를 포함한다.
상기 펀치(100)는 베이스(110)와 연결되는 하부 몸체(120)와, 상기 하부 몸체(120)에 대하여 승하강 가능하게 연결되며 상부면을 형성하는 상부 몸체(130)와, 상기 상부 몸체(130)와 상기 하부 몸체(120)의 사이에 배치되며 측벽을 형성하는 복수개의 측면 몸체(140)를 포함한다.
그리고, 상부 금형(20)의 가장자리에 대응하는 위치에 블랭크 소재(30)를 고정하기 위한 바인더(40)를 더 포함한다.
열간 프레스 성형장치는 성형 가능 온도로 가열된 블랭크 소재(30)를 공급받아, 펀치(100)와 상부 금형(20)으로 성형한 후, 소재(30)가 펀치(100)와 상부 금형(20)을 닫은 상태에서 냉각 공정을 수행하여 제품의 성형을 완료하게 된다.
냉각 공정을 수행하기 위하여 상부 금형(20)과 펀치(100)의 상부 몸체(130)와 측면 몸체(140)에는 각각 냉각 채널(22, 132, 142)이 형성되어 있다. 냉각 채널(22, 132, 142)에는 냉각수 등의 냉매가 공급되어 상부 금형(20)과 펀치(100) 표면의 온도를 낮추는 역할을 수행한다.
효율적인 냉각을 위하여, 상부 금형(20)의 경우에는 성형 공간의 주변으로 냉각 채널(22)이 배열되어 있고, 펀치(100)의 상부 몸체(132)의 경우에는 상부면의 주변으로 냉각 채널(132)이 배열되어 있으며, 펀치(100)의 측면 몸체(140)의 경우에는 측벽의 주변으로 냉각 채널(142)이 배열되어 있다.
배경 기술에서 설명한 바와 같이, 성형 깊이가 깊은 경우(deep drawimg)에는 소재가 성형 중에 상부 금형와 펀치 사이에 끼이는 현상과 마찰로 인한 스크래치를 방지하고 원활한 성형 공정을 위하여 펀치의 측면과 상부 금형(20)의 측면에 간극(Clearance)을 부여하게 된다. 이러한 간극은 펀치(100)가 상부 금형(20)의 성형 공간으로 원활하게 진입할 수 있도록 해주지만, 냉각시에는 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
원활한 냉각을 위해서는 소재가 상부 금형(20)의 내벽이나 펀치(100)의 외면에 밀착되어야 하는데, 상기 유격으로 인하여 상부 금형이나 펀치에 밀착되지 않는 구간이 발생하며 이러한 구간들은 냉각이 원활하게 이루어지지 않아 국부적인 품질 문제의 원인이 되는 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위한 것으로 펀치(100)를 복수개로 분할하여, 펀치(100)의 진입 초기에는 유격이 존재하지만 펀치(100)의 진입이 완료됨과 동시에 펀치(100)의 측면 몸체가 팽창하며 소재가 상부 금형(20)과 펀치(100)에 밀착된 상태에서 냉각이 이루어질 수 있는 구조를 제공한다.
이를 위하여, 본 발명은 펀치(100)를 상부 몸체(130), 하부 몸체(120), 복수의 측면 몸체(140)로 분할 형성하고, 복수개의 측면 몸체(140)는 상기 상부 몸체(130) 또는 상기 하부 몸체(120)와 슬라이딩 가능한 경사면으로 연결되어 있다.
상부 몸체(130)는 하부 몸체(120)에 대하여 승하강 가능하도록 형성되어 있 으며, 상기 상부 몸체(130)와 상기 하부 몸체(120)의 사이에는 제1탄성부재(125)에 의하여 연결되어 있다. 제1탄성부재(125)는 상부 몸체(130)가 하부 몸체(120)에 대하여 상승한 상태를 유지할 수 있도록 탄성력을 제공한다.
도 1은 성형이 시작되기 전에 상부 금형이 상사점에 위치한 상태를 나타낸 것인데, 이 상태에서는 상부 몸체(130)가 하부 몸체(120)에 대하여 상승한 상태를 유지하게 된다.
한편, 측면 몸체(140)는 상부 몸체(130) 또는 하부 몸체(120)와 경사면으로 미끄럼 접촉 방식으로 연결되어 있으며, 측면 몸체(140) 상호간은 제2탄성부재(145)에 의하여 연결되어 있다. 제2탄성부재(145)는 측면 몸체(140)가 서로 근접한 상태를 유지하도록 탄성력을 제공한다.
그런데, 제2탄성부재(145)는 측면 몸체(140)가 수축된 상태를 유지할 수 있도록 탄성력을 제공함에 목적이 있는 것으로, 도시된 실시예의 경우 제2탄성부재(145)가 측면 몸체(140) 상호간을 연결하고 있으나, 제2탄성부재(145)가 각각의 측면 몸체(140)를 상부 몸체(130) 또는 하부 몸체(120)에 연결할 수도 있다. 이러한 경우에도 제2탄성부재(145)는 측면 몸체(140)가 수축된 상태를 유지할 수 있도록 탄성력을 제공하게 되는 것이므로, 측면 몸체(140) 상호간을 연결한 경우와 작용 및 효과는 동일하다.
도 1과 같이, 측면 몸체(140)가 수축된 상태에서는 측면 몸체(140)의 상단이 상부 몸체(130)의 표면보다 낮은 높이를 가지도록 형성된다. 또한, 측면 몸체(140) 의 상단은 상부 금형(20)의 성형공간 모서리 형상에 대응하는 형상을 가진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 상부 금형이 일부 하강한 상태를 나타낸 종단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 상부 금형이 완전히 하강한 상태를 나타낸 종단면도이다.
가열된 블랭킹 소재(30)를 상부 금형(20)과 펀치(100)와 금형의 사이에 로딩한 상태에서 상부 금형(20)을 하강하게 되면, 상부 금형(20)과 바인더(40)의 사이에 블랭킹 소재(30)의 가장자리가 물려 고정되며, 펀치(100)가 상부 금형(20)의 성형 공간 내부로 진입하게 된다.
도 2를 참조하면, 이 때 펀치(100)의 측면 몸체(140)와 상부 금형(20)의 사이에는 간극이 존재하게 된다. 즉 제1탄성부재(125)의 탄성력이 상부 금형(20)의 하강으로 인하여 상부 몸체(130)가 받는 힘보다 강하게 작용하여 상부 몸체(130)가 상승한 상태를 유지하게 되며, 측면 몸체(140)들도 수축된 상태를 유지하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상부 금형이 완전히 하강하여 하사점에 달하게 되면, 상부 금형(20)에 의하여 상부 몸체(130)가 눌려져 강제 하강하게 된다. 상부 몸체(130)가 하강하면 미끄럼 경사면에 의해 상부 몸체(130)와 하부 몸체(120) 사이의 간격이 좁아지게 되는 것이므로, 이에 의하여 상부 몸체(130) 또는 하부 몸체(120)와 경사면으로 연결되어 있는 측면 몸체(140)는 외부로 팽창하게 된다.
측면 몸체(140)의 팽창은 제2탄성부재(145)가 늘어나면서 이루어지게 된다. 그리고, 측면 몸체(140)의 팽창은 측면 몸체(140)의 측벽이 소재의 내면에 밀착될 때까지 이루어지게 된다.
따라서, 상부 금형(20)이 완전히 하강하여 하사점에 위치하게 되면 도 3에 도시된 바와 같이, 소재의 내면과 외면이 모두 상부 금형(20)과 상부 몸체(130)와 측면 몸체(140)에 밀착된다. 이 때 상부 몸체(130)의 표면과 측면 몸체(140)의 상단은 동일한 높이를 가지게 되어, 모두 상부 금형(20)의 성형 공간에 밀착하게 된다. 이러한 상태에서 냉각 공정을 수행하게 되면, 성형된 소재가 고르게 냉각되므로 성형품의 조직과 특성이 균일해지는 효과를 가져온다.
냉각 공정이 완료된 후, 상부 금형(20)을 상승시키면, 제1탄성부재(125)의 복원력으로 상부 몸체(130)가 상승하게 되며, 제2탄성부재(145)의 복원력으로 측면 몸체(140)가 수축하게 되어, 펀치(100)는 다시 도 1과 같은 상태로 복원되어 다음 블랭킹 소재를 로딩하고 연속적으로 동일한 과정을 거쳐 성형체를 제조하게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에 서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 구조를 나타낸 종단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 상부 금형이 일부 하강한 상태를 나타낸 종단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 상부 금형이 완전히 하강한 상태를 나타낸 종단면도임.

Claims (7)

  1. 오목하게 요입된 성형 공간을 구비하는 상부 금형과, 상기 성형 공간으로 진입하여 소재를 성형하는 펀치를 포함하는 열간 프레스 성형 장치에 있어서,
    상기 펀치는,
    베이스와 연결되는 하부 몸체;
    상기 하부 몸체에 대하여 승하강 가능하게 연결되며 상부면을 형성하는 상부 몸체; 및
    상기 상부 몸체와 상기 하부 몸체의 사이에 배치되며 측벽을 형성하는 복수개의 측면 몸체;를 포함하고,
    상기 복수개의 측면 몸체는 상기 상부 몸체 또는 상기 하부 몸체와 슬라이딩 가능한 경사면으로 연결되어,
    상기 상부 몸체가 상승한 상태에서는 상기 측면 몸체가 수축된 상태를 유지하고, 상기 상부 몸체가 하강함에 따라 상기 측면 몸체가 팽창하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 몸체가 상기 하부 몸체에 대하여 상승한 상태를 유지하도록 탄성력을 제공하는 제1탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수개의 측면 몸체가 수축된 상태를 유지하도록 탄성력을 제공하는 제2탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2탄성부재는 상기 복수개의 측면 몸체를 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2탄성부재는 상기 복수개의 측면 몸체 각각을 상기 상부 몸체 또는 상기 하부 몸체와 연결하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레스 금형과 상기 펀치의 내부에 냉각채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 측면 몸체가 수축된 상태에서는 상기 상부 몸체의 표면이 상기 측면 몸체의 상단면에 대하여 돌출된 상태이고, 상기 측면 몸체가 팽창된 상태에서는 상기 상부 몸체의 표면과 상기 측면 몸체의 상단이 동일 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 장치.
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