KR101257160B1 - 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치 - Google Patents

침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치 Download PDF

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Abstract

열간 성형후 금속 냉각을 수행하는 금형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금형을 냉각 매체에 침수시킴으로써 금형의 냉각 속도를 향상시키고 균일한 품질을 확보할 수 있는 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은 하면에 성형면을 구비하는 상부금형; 상면에 성형면을 구비하는 하부금형; 일정 수위의 냉각매체를 저장하고 있는 냉각수조; 및 상기 상부금형을 하강시켜 상기 하부금형에 압착시킨 후, 압착된 상태의 상부금형과 하부금형을 하강시키고 역순으로 상승시키는 프레스 수단;을 포함하는 금형 장치를 제공한다.

Description

침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치{PRESS MOLD DEVICE USING SUBMERSION COOLING}
본 발명은 열간 성형후 금속 냉각을 수행하는 금형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금형을 냉각 매체에 침수시킴으로써 금형의 냉각 속도를 향상시키고 균일한 품질을 확보할 수 있는 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치에 관한 것이다.
강판 또는 강관을 이용하여 자동차용 부품을 생산하는 경우 고온에서 프레스 성형한 후 냉각하는 방식을 이용하고 있다.
보다 상게하게는 고온으로 가열된 강판 또는 강관을 프레스 금형 장치에 삽입한 후 프레스 성형을 통하여 제품 형상을 제작함과 동시에 프레스 금형을 급냉시켜서 성형 제품을 냉각하는 방법을 사용하고 있다.
본 발명은 프레스 금형을 냉각하는데 있어서, 하부 금형 또는 상부 금형에 각각 측면으로부터 성형면의 표면으로 연장되는 미세관을 형성함으로써, 프레스 압착 공정시 냉각매체가 금형의 전면에 냉각이 효율적으로 이루어지도록 하는 금형 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 금형 장치는 상기와 같은 미세관을 포함하되, 금형의 성형면의 표면에도 미세관이 형성되도록 하여 성형품의 표면에 직접 냉각 매체가 접촉할 수 있도록 하여 냉각 효율을 극대화 시킬 수 있으며, 프레스 압착 해제시 금형이 상승함으로써 냉각 매체가 자연 배수 되도록 하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 프레스 금형 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 하면에 성형면을 구비하는 상부금형; 상면에 성형면을 구비하는 하부금형; 일정 수위의 냉각매체를 저장하고 있는 냉각수조; 및 상기 상부금형을 하강시켜 상기 하부금형에 압착시킨 후, 압착된 상태의 상부금형과 하부금형을 하강시키고 역순으로 상승시키는 프레스 수단;을 포함하는 금형 장치를 제공한다.
이 때, 상기 냉각수조의 냉각매체 수위는, 상기 상부금형과 상기 하부금형이 압착되기 이전에는 상기 하부금형이 침지되지 않고, 상기 압착된 상태의 상부금형과 하부금형이 하강하면, 상기 상부금형과 상기 하부금형이 모두 침지되도록 유지되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 상부금형 또는 상기 하부금형은, 외측면에서 시작되어 상기 성형면을 향하여 관통 형성되는 미세관을 구비하는 것이 바람직하며, 상기 성형면을 관통하는 미세관의 직경은 0.1~10mm 범위이면 더욱 바람직하다.
아울러, 상기 미세관은 하향하는 구배를 갖도록 형성되어, 상기 상부금형 또는 상기 하부금형이 상승하면 냉각매체가 자연배수되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부금형 또는 상기 하부금형의 성형면을 향하여 압축공기를 분사하는 압축공기분사수단을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 프레스 수단은 상기 냉각수조의 바닥면에 고정되는 바닥플레이트; 상기 바닥플레이트에 승하강 가능하게 연결되며 하부금형과 결합되는 중간플레이트; 및 상기 중간플레이트에 승하강 가능하게 연결되며 상부금형과 결합되는 상부플레이트를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 냉각수조는 내부에 저장된 냉각매체가 일정한 방향으로 유동하도록 형성되는 것이 바람직하며,
이를 위하여, 상기 냉각수조로 냉각매체를 공급하는 공급관; 상기 냉각수조에서 냉각매체를 회수하는 회수관; 상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체를 압송하는 펌프; 상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체에 혼합된 이물질을 제거하는 필터부; 및 상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체를 냉각시키는 냉각부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 공급관과 상기 회수관을 냉각수조의 서로 대향하는 면에 형성하면 냉각매체가 일정한 흐름을 가지도록 할 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 상부금형을 측면으로 이동시키는 수평이동수단을 더 포함하여 상부금형에서 낙하하는 냉각매체가 하부금형으로 유입되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치는 금형의 외면과 성형면을 연결하는 모세관을 구비함으로써, 성형체가 상부금형과 하부금형에 압착된 상태로 냉각매체에 침수되도록 함으로써 부품의 전 부분이 고르게 냉각되게 하는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치는 냉각 완료 후 상부 금형과 하부금형이 상승하게 되면 냉각 매체가 자연 배수되도록 함으로써 냉각매체가 금형에 잔류하지 않는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치의 작동과정을 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도,
도 4는 미세관이 형성된 하부금형을 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도,
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도임.
본 발명은 금형에 냉각수를 분무하는 경우 성형 제품의 모든 면적에 대하여 균일한 냉각이 이루어지지 않는 문제를 해결하는 동시에, 금형에 잔류하는 냉각수도 용이하게 제거할 수 있도록 한다.
특히, 본 발명은 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 제공함으로써, 별도의 공정 없이 성형 과정에서 용이하게 냉각이 이루어지도록 하며, 부품의 형상에 따라 냉각이 불가능하던 굴곡 부위도 모두 냉각이 가능하게 하는 프레스 금형의 냉각 방법을 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 이점 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 기술분야에서 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.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도이다.
본 실시예에 따른 금형 장치는 하면에 성형면(112)을 구비하는 상부금형(110)과, 상면에 성형면(122)을 구비하는 하부금형(120)과, 일정 수위의 냉각매체를 저장하고 있으며 상기 상부금형(110)과 상기 하부금형(120)이 침지될 수 있는 크기를 가지는 냉각수조(210)와, 상기 냉각수조(210) 내부에 설치되어, 상기 상부금형과 상기 하부금형을 압착시킨 후, 압착된 상태의 상부금형과 하부금형을 하강시키고 역순으로 상승시키는 프레스 수단(300)을 포함한다.
프레스 수단(300)은 냉각수조(210)의 바닥면에 고정되는 바닥플레이트(330)와, 상기 바닥플레이트(330)에 승하강 가능하게 연결되며 하부금형과 결합되는 중간플레이트(320)와, 상기 중간플레이트(320)에 승하강 가능하게 연결되며 상부금형과 결합되는 상부플레이트(310)를 포함한다.
냉각수조(210)에는 냉각매체가 일정 수위를 가지도록 채워지는데, 냉각매체로는 물, 오일 등이 사용될 수 있으며, 이들에 적절한 첨가제(방청제 등)를 혼합하여 사용할 수도 있다.
냉각수조(210)의 냉각매체 수위는, 상기 상부금형(110)과 상기 하부금형(120)이 압착되기 이전에는 상기 하부금형(120)이 침지되지 않고, 압착된 상태의 상부금형(110)과 하부금형(120)이 하강하면, 상부금형(110)과 하부금형(120)이 모두 침지되도록 유지되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치의 작동과정을 나타낸 개념도이다.
(a)는 상부금형(110)과 하부금형(120)이 모두 냉각매체의 위쪽으로 상승한 상태를 나타낸 것으로, 이 상태에서 가열된 상태의 소재(10)가 상부금형(110)과 하부금형(120) 사이에 안착된다.
(b)는 상부금형(110)이 하강하여 하부금형(120)에 압착된 상태를 나타낸 것으로, 프레스 수단(300)의 상부플레이트(310)만 하강한 상태이다. 소재(10)는 이 단계에서 성형이 완료된다.
(c)는 상부금형(110)과 하부금형(120)이 압착된 채로 냉각매체에 침수된 상태를 나타낸 것이다. 열간상태에서 소재를 성형한 후 급속냉각 하기 위하여 상부금형(110)과 하부금형(120)의 사이에 소재를 압착한 상태에서 그대로 냉각매체에 침수시킴으로써 소재를 금형으로 구속한 상태에서 침수시켜 소재와 금형들을 급속 냉각시키게 된다.
일정 시간 경과하여 급속냉각이 완료되면, 다시 (b)->(a) 와 같은 상태로 상승하게 된다.
(b)의 상태로 중간플레이트(320)가 상승하게 되면, 냉각매체는 자연배수로 인하여 배출되며, (a)와 같은 상태로 상승하게 되면 성형이 완료된 소재를 취출하고, 다음 가공 대상 소재를 로딩하게 된다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도이고, 도 4는 미세관이 형성된 하부금형을 나타낸 단면도이다.
도시된 실시예는 상부금형(110)과 하부금형(120)에 미세관(115, 125)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
미세관은 상부금형(110) 또는 하부금형(120)의 외측면과 성형면(112, 122)을 연결하도록 형성되어, 상부금형(110)과 하부금형(120)이 냉각매체에 침수되었을 때 냉각매체가 직접 소재의 표면으로 원활화게 공급되도록 한다.
상부금형(110)에 형성되는 미세관(115)과 하부금형(120)에 형성되는 미세관(125)은 동일한 원리를 가지며, 동일한 작용효과를 가지는 것으로 이하 하부금형(120)의 미세관(125)을 기준으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 미세관(125)은 하부금형(120)의 외측면(124)과 성형면(122)을 연결하도록 형성된다. 즉 미세관(125)은 냉각매체가 외측면(124)에서 유입되어 성형면(122)으로 공급될 수 있도록 하는 것이다.
성형면(122)에 형성되는 미세관의 크기는 성형제품의 표면에 영향을 줄 수 있으므로 직경을 0.1~10mm 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
성형면(122)에 형성된 미세관(125)의 직경이 0.1mm 미만인 경우 부유물이나 스케일에 의하여 미세관이 막힐 우려가 있고, 냉각매체가 원활하게 공급되지 않을 수 있다.
반대로 성형면(122)에 형성된 미세관(125)의 직경이 10mm 를 초과하는 경우 미세관의 형상이 성형품의 표면에 전사될 우려가 있다.
또한, 미세관(125)은 하부금형(120)이 침지되었다가 상승하는 경우 냉각매체가 자연배수 될 수 있도록, 외측면을 향하여 하향경사지는 구배를 가지는 것이 바람직하다.
성형면(122)에 냉각매체가 잔류하게 되는 경우 다음 소재의 가공과정에서 냉각매체가 소재에 접촉하여 표면품질을 저하시킬 수 있기 때문에, 하부금형(120)이 상승하였을 때 냉각매체가 잔류하지 않고 원활하게 배수될 수 있도록 해야 한다.
본 발명은 상부금형(110) 및 하부금형(120)이 상승한 상태에서 냉각매체의 완전한 제거를 위해서 압축공기분사수단을 구비할 수 있다.
압축공기분사수단(미도시)은 침지되었다가 상승한 상부금형(110) 및 하부금형(120)의 표면을 향하여 압축공기를 분사함으로써 표면에 잔류하는 냉각매체를 완전히 제거하는 역할을 수행한다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도이다.
본 실시예는 냉각매체를 순환시키는 냉각매체 리사이클링 시스템이 적용된 금형 장치를 나타낸 것이다.
본 실시예에 따른 금형 장치는,
하면에 성형면(112)을 구비하며 외측면과 상기 성형면을 연결하는 미세관을 구비하는 상부금형(110)과, 상면에 성형면(122)을 구비하며 외측면과 상기 성형면을 연결하는 미세관을 구비하는 하부금형(120)과, 일정 수위의 냉각매체를 저장하고 있는 냉각수조(210)와, 상기 냉각수조(210)로 냉각매체를 공급하는 공급관(220)과, 상기 냉각수조(210)에서 냉각매체를 회수하는 회수관(230)과, 상기 회수관(230)과 상기 공급관(220) 사이에 연결되어 냉각매체를 압송하는 펌프(240)와, 상기 회수관(230)과 상기 공급관(220) 사이에 연결되어 냉각매체에 혼합된 이물질을 제거하는 필터부(250)와, 상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체를 냉각시키는 냉각부(260)와, 상기 냉각수조 내부에 설치되며, 상기 상부금형을 하강시켜 상기 하부금형에 압착시킨 후, 압착된 상태의 상부금형과 하부금형을 하강시키고, 역순으로 상승시키는 프레스 수단(300)을 포함한다.
냉각수조(210)에 저장되는 냉각매체는 성형체와 금형들(110, 120)을 냉각하며 온도가 상승하게 된다. 따라서 연속 공정에서 균일한 냉각품질을 얻기 위해서는 냉각매체가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 해주는 것이 바람직하다.
또한, 냉각매체에는 부유물이나 스케일이 혼합되어 있는데 이를 지속적으로 제거하지 않으면 표면 품질에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이를 제거할 수 있는 필터부(250)가 필요하다.
그리고, 냉각수조(210)에 저장된 매체가 일정한 흐름을 가질 경우 냉각매체가 지속적으로 순환하게 됨으로써 보다 균일한 냉각이 가능해 지는데, 본 발명은 이를 위하여 냉각매체를 공급하는 공급관(220)과 냉각매체를 회수하는 회수관(230)을 서로 반대방향에 배치하였다. 즉, 냉각수조의 서로 대향하는 면에 각각 회수관(230)과 공급관(220)을 형성하여 냉각수조(210) 내부에서 냉각매체가 일정한 방향의 흐름을 가지도록 한 것이다.
냉각매체의 흐름을 살펴보면, 냉각수조(210)에서 회수관(230)을 통해 배출되어, 필터부(250)를 거치면서 이물질이 제거된다. 다음으로 냉각부(260)를 거치며 설정된 온도 까지 냉각된 후, 펌프(240)에서 발생하는 압력으로 공급관(220)을 지나 다시 냉각수조(210)로 유입된다.
즉, 냉각매체는 지속적으로 순환하며 일정한 온도가 유지되고, 청정한 상태를 유지할 수 있게 되는 것이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 침수 냉각 방식을 사용하는 금형 장치를 나타낸 구성도이다.
도시된 실시예는 상부금형이 측면으로 이동가능하도록 형성한 것을 특징으로 한다. 본 실시예는 상부금형(110)을 측면으로 이동시키는 수평이동수단(400)을 구비하여, 침수되었다 상승한 상부금형(110)을 측면으로 이동시킬 수 있는 구조를 제공한다. 수평이동수단(400)은 수평방향으로 왕복운동할 수 있도록 구성되는 것으로, 유압 또는 공압에 의하여 왕복운동하는 왕복실린더를 이용하거나, 랙기어와 피니언 기어 및 구동모터 등을 이용할 수 있고, 다른 기계요소들을 이용할 수도 있다.
상부금형(110)이 침수되었다가 상승하게 되면, 냉각매체들이 상부금형(110)에서 배출되며 흘러내리게 되는데, 이들의 일부는 하부금형의 위쪽으로 낙하하게 된다. 이러한 경우 하부금형 표면에 냉각매체가 잔류할 가능성이 높아지게 되므로, 본 실시예는 상부금형(110)을 수평으로 이동시켜 상부금형(110)이 하부금형(120)의 직상부를 벗어나도록 해준다.
이렇게 상부금형(110)이 하부금형(120)의 직상부를 벗어나게 되면, 상부금형에서 낙하하는 냉각매체가 하부매체로 유입되지 않는 효과를 가져오며, 성형이 완료된 성형체의 취출과, 성형전 성형체의 로딩 작업이 보다 원활해지는 효과도 가져온다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110 : 상부금형
120 : 하부금형
210 : 냉각수조
220 : 공급관
230 : 회수관
240 : 펌프
250 : 필터부
260 : 냉각부
300 : 프레스 수단
310 : 상부플레이트
320 : 중간플레이트
330 : 바닥플레이트
400 : 수평이동수단

Claims (13)

  1. 하면에 성형면을 구비하는 상부금형;
    상면에 성형면을 구비하는 하부금형;
    일정 수위의 냉각매체를 저장하고 있는 냉각수조; 및
    상기 상부금형을 하강시켜 상기 하부금형에 압착시켜 소재를 성형한 후, 소재를 압착한 상태로 상부금형과 하부금형을 일체로 하강시키고 역순으로 상승시키는 프레스 수단;을 포함하되,
    상기 냉각수조의 냉각매체 수위는, 상기 상부금형과 상기 하부금형이 압착되어 소재를 성형하기 이전에는 상기 하부금형이 침지되지 않고, 상기 소재가 상부금형과 하부금형에 압착된 상태로 하강하면, 상기 상부금형과 상기 하부금형 및 그에 구속된 소재가 모두 상기 냉각매체에 침지되도록 유지되고,
    상기 상부금형 또는 상기 하부금형은, 외측면에서 시작되어 상기 성형면을 향하여 관통 형성되는 미세관을 구비하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형면을 관통하는 미세관의 직경은 0.1~10mm 범위인 것을 특징으로 하는 금형 장치
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세관은 하향하는 구배를 갖도록 형성되어, 상기 상부금형 또는 상기 하부금형이 상승하면 냉각매체가 자연배수되는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부금형 또는 상기 하부금형의 성형면을 향하여 압축공기를 분사하는 압축공기분사수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레스 수단은
    상기 냉각수조의 바닥면에 고정되는 바닥플레이트;
    상기 바닥플레이트에 승하강 가능하게 연결되며 하부금형과 결합되는 중간플레이트; 및
    상기 중간플레이트에 승하강 가능하게 연결되며 상부금형과 결합되는 상부플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수조는
    내부에 저장된 냉각매체가 일정한 방향으로 유동하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수조로 냉각매체를 공급하는 공급관;
    상기 냉각수조에서 냉각매체를 회수하는 회수관;
    상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체를 압송하는 펌프; 및
    상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체에 혼합된 이물질을 제거하는 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 공급관과 상기 회수관을 냉각수조의 서로 대향하는 면에 형성하여 냉각매체가 일정한 흐름을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  12. 하면에 성형면을 구비하며 외측면과 상기 성형면을 연결하는 미세관을 구비하는 상부금형;
    상면에 성형면을 구비하며 외측면과 상기 성형면을 연결하는 미세관을 구비하는 하부금형;
    일정 수위의 냉각매체를 저장하고 있는 냉각수조;
    상기 냉각수조로 냉각매체를 공급하는 공급관;
    상기 냉각수조에서 냉각매체를 회수하는 회수관;
    상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체를 압송하는 펌프;
    상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체에 혼합된 이물질을 제거하는 필터부; 및
    상기 회수관과 상기 공급관 사이에 연결되어 냉각매체를 냉각시키는 냉각부;
    상기 상부금형을 하강시켜 상기 하부금형에 압착시킨 후, 압착된 상태의 상부금형과 하부금형을 하강시키고, 역순으로 상승시키는 프레스 수단;을 포함하여,
    성형체가 상기 상부금형과 상기 하부금형에 사이에 압착되어 성형된 후, 상기 금형들과 함께 상기 냉각수조에 침지되어 급속 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상부금형을 측면으로 이동시키는 수평이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 장치.
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