KR101289098B1

KR101289098B1 - 하이드로포밍 금형장치

Info

Publication number: KR101289098B1
Application number: KR1020110143983A
Authority: KR
Inventors: 김주형; 정연일; 최한호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-23
Also published as: KR20130075582A

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 하이드로포밍 금형장치는 제1금형; 상기 제1금형과 결합되며 제품 성형 공간을 형성하는 제2금형; 상기 제1금형과 상기 제2금형 사이의 양측을 밀폐하도록 제공되며, 상기 제품 성형 공간을 고압으로 유지시키는 가압유닛; 상기 제1금형 또는 상기 제2금형에 제공되며 상기 가압유닛의 일측을 지지하도록 제공되는 가압유닛 지지부를 포함한다.

Description

하이드로포밍 금형장치 {HYDROFORMING MOLD APPARATUS}

본 발명은 하이드로포밍 금형장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금형에 의한 제품 사출시 내부 압력을 증가시킬 수 있도록 하여 형상정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 하이드로포밍 금형장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 현가장치(Suspension)는 주행시 발생하는 노면의 충격이 차체나 탑승자에게 전달되지 않도록 해주는 구조장치로서, 노면의 격을 완화하여 승차감을 향상시키는 한편 주행시 노면의 접지력에 대한 조정 안정성을 높일 수 있도록 설계된다.

이러한 현가장치로서, 커플드 토션 빔 액슬(CTBA : Coupled Torsion Beam Axle)은 차량이 선회할 때, 차체의 흔들림을 잡아주며, 차량의 균형을 유지할 수 있도록 하기 때문에 승차감을 높여주는 역할을 하며, CTBA의 강성과 내구성을 보장하기 위해서는 차량 설계자가 의도한 대로 제품이 만들어져야 한다.

이에 따라 종래에는 제품 사출 성형시의 형상정밀도를 향상시키기 위해 하이드로포밍 가공법이 사용된다.

하이드로포밍 가공법은 유압(hydraulic pressure)이나 공압(pneumatic pressure)을 이용하여 피가공물을 확대 성형시키는 기계 판금의 특수한 가공법 중의 하나이다.

종래의 하이드로포밍 금형은 프레스에 의해 구동이 이루어지는 하부 금형과 상부 금형을 포함하며, 하부 금형과 상부 금형의 측면을 밀폐하는 측면펀치를 포함한다. 측면펀치는 측면펀치 실린더에 의해 가압된다.

그러나, 종래의 하이드로포밍 금형장치를 이용하여 CTBA를 성형할 경우, 하부 금형과 상부 금형을 가압하는 프레스의 용량이 큼에도 불구하고 측면펀치 실린더의 용량이 적어 금형 내부에 가할 수 있는 압력이 제한되기 때문에 CTBA의 형상 정밀도를 높이는데 한계가 있다.

한편, 프레스의 용량 및 압력에 맞추어 측면 펀치 실린더를 제조하게 되면, 전체적인 금형장치의 크기가 증가해야 하고, 측면펀치 실린더의 크기가 커져 제조비용을 증가시키는 요인이 되고 있다.

또한, 하이드로포밍 금형장치에 높은 압력을 가할 경우, 측면펀치 실린더의 압력이 충분히 형성되지 못할 경우 측면펀치 실린더가 밀리게 되면서 측면펀치와 하부 금형 및 상부 금형 사이가 밀폐되지 않아 성형이 불가능할 뿐 아니라 새어 나오는 고압의 유체 등에 의해 작업자가 상해를 입을 위험이 있다.

본 발명의 실시예는, 하이드로포밍 금형의 내부에 발생되는 고압에 의해 측면을 밀폐하는 측면펀치의 밀림이 발생하지 않도록 하여, 금형 내부를 고압으로 유지할 수 있고, 측면펀치를 지지하는 실린더의 설계용량 및 부하를 작게 할 수 있도록 한 하이드로포밍 금형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 하이드로포밍 금형장치는 제1금형; 상기 제1금형과 결합되며 제품 성형 공간을 형성하는 제2금형; 상기 제1금형과 상기 제2금형 사이의 양측을 밀폐하도록 제공되며, 상기 제품 성형 공간을 고압으로 유지시키는 가압유닛; 상기 제1금형 또는 상기 제2금형에 제공되며 상기 가압유닛의 일측을 지지하도록 제공되는 가압유닛 지지부를 포함하고, 상기 가압유닛 지지부는 상기 제1금형 또는 상기 제2금형에 제공되어 상기 가압유닛 방향으로 돌출되는 적어도 하나의 가동돌부와, 상기 가압유닛의 일측에 제공되어 상기 가동돌부의 일단이 삽입되도록 제공된 홈부를 포함하고, 상기 가동돌부는 상기 제1금형 또는 상기 제2금형의 일측에 제공된 가동돌부 구동부와, 상기 가동돌부 구동부에 연계하여 상기 홈부에 탈착되는 돌출부재를 포함한다.

또한, 상기 가압유닛은 상기 제1금형과 상기 제2금형 사이의 개방부를 막는 펀치와, 상기 펀치를 가압하도록 제공된 구동부(330)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가압유닛은 상기 제품 성형 공간과 연결되는 내부 배관으로 고압의 유체를 공급하여 제품에 압력을 가하는 유체공급부(350)를 포함할 수 있다.

삭제

본 발명의 실시예들에 따르면, 금형의 일측에 제공된 걸림부가 측면펀치에 걸리며 측면펀치를 지지하도록 하여 금형 내부의 압력 증가에 따른 측면펀치의 밀림 또는 이에 따른 밀폐불량의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예는 금형에 제공된 측면펀치의 밀림이 발생하지 않으므로, 금형 내부 압력을 더욱 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 제조되는 제품의 성형 안정성을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 실시예는 측면펀치를 지지하는 실린더의 설계용량 및 부하를 작게 할 수 있고, 이에 따라 전체적인 금형장치의 크기를 줄일 수 있으며, 제조비용을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 금형장치를 간략하게 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 A부분을 확대한 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 금형장치를 이용한 제품 성형과정을 도시한 작동상태도.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에 제공된 실시예들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 각 실시예에서 도면상에 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 금형장치를 간략하게 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 A부분을 확대한 단면도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 본 실시예에서 하이드로포밍 금형장치(100)는 제1금형(210), 제2금형(250), 가압유닛(300), 가압유닛 지지부(400)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서 하이드로포밍 금형장치(100)는 하이드로포밍에 의해 제품을 생산하기 위한 금형수단(200)을 구비할 수 있다.

금형수단(200)은 제1금형(210) 및 제2금형(250)이 서로 맞물리도록 제공되며, 제1금형(210)과 제2금형(250) 사이에 제품 성형 공간(290)이 형성될 수 있다.

이를 위해, 제1금형(210)은 제2금형(250)과 맞물리는 면에 제품의 일측 형상을 구현하기 위한 제1성형홈(212)이 제공될 수 있다.

또한, 제2금형(250)은 제1금형(210)과 맞물리는 면에 제품의 타측 형상을 구현하기 위한 제2성형홈(252)이 제공될 수 있다.

일례로, 제1금형(210)은 작업면에 지지된 상태일 수 있고, 제2금형(250)은 프레스 수단에 의해 상하로 승강하며 제1금형(210)의 성형면을 개방하거나 덮도록 제공될 수 있다.

또한, 제1금형(210)과 제2금형(250)이 맞물려진 양측에는 제품 성형 공간(290)에 제공된 제품을 가압하기 위한 가압유닛(300)이 장착되는 개방부가 마련될 수 있다.

일례로, 본 실시예에서 가압유닛(300)은 제1금형(210)과 제2금형(250) 사이의 개방부를 막는 펀치(310)를 포함할 수 있고, 이 펀치(310)는 구동부(330)에 연계되어 제품 성형 공간(290)을 밀폐 또는 가압할 수 있다.

본 실시예에서 펀치(310)를 구동시키는 구동부(330)는 유압 또는 공압에 의해 작동하는 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 이러한 액츄에이터는 유체 또는 기체가 충진된 실린더 및 이 실린더에 신축이동 가능하게 제공되는 작동로드를 포함할 수 있다.

이를 위해, 제1금형(210)의 양측 개방부에는 펀치(310)의 일측, 즉 하부가 위치되는 제1펀치홈(214)이 형성되고, 제2금형(250)의 양측에는 제1펀치홈(214)에 대향되어 펀치(310)의 타측, 즉 상부가 위치하는 제2펀치홈(254)이 형성될 수 있다.

또한, 본 실시예에서 가압유닛(300)은 외부에 제공된 유압수단에 의해 제품 성형 공간(290)으로 고압의 유체를 공급하는 유체공급부(350)를 포함할 수 있다.

가압유닛(300)은, 유체공급부(350)에 의해 공급되는 유체에 의해 제품 성형 공간(290)에 장착된 제품을 팽창시킬 수 있다.

이를 위해, 유체공급부(350)는 제품 성형 공간(290)과 연결되는 내부 배관(352)을 포함하며, 이를 통해 고압의 유체를 제품 성형공간으로 내부 압력을 증가시킬 수 있다.

본 실시예에서 내부 배관(352)은 가압유닛(300)의 펀치(310)를 통해 제품 성형 공간(290)과 연통하도록 제공될 수 있다.

또한, 본 실시예의 하이드로포밍 금형장치(100)는 가압유닛(300)의 구동부(330)가 펀치(310)를 지지하여 내부 압력에 의해 밀리는 것을 방지하고 있으며, 내부 압력의 증가에 의해 가압유닛(300)의 펀치(310)가 밀리는 것을 방지하기 위한 물리적인 지지수단이 구비될 수 있다.

이러한 물리적인 지지수단으로는, 제1금형(210) 또는 제2금형(250)에 제공되는 가압유닛 지지부(400)를 포함할 수 있다.

가압유닛 지지부(400)는 가압유닛(300)의 일측을 지지하도록 제공되며, 바람직하게는 펀치(310)의 일측을 지지하도록 제공될 수 있다.

본 실시예에서 가압유닛 지지부(400)는 제1금형(210) 또는 제2금형(250)에 제공되어 가압유닛(300) 방향으로 돌출되는 적어도 하나의 가동돌부(410)를 포함할 수 있다.

또한, 가압유닛 지지부(400)는 가압유닛(300), 일례로 펀치(310)의 일측에 제공되어 가동돌부(410)의 일단이 삽입되는 홈부(312)를 포함할 수 있다.

또한, 펀치(310)의 일측에는 제품 성형 공간(290)을 형성하는 제1금형(210)의 제1성형홈(212) 및 제2금형(250)의 제2성형홈(252)에 밀폐되는 밀폐부재(314)가 제공될 수 있다. 또한, 펀치(310)에는 밀폐부재(314)가 안착되는 밀폐부재 안착홈(316)이 제공될 수 있다.

본 실시예에서 밀폐부재(314)는 오링(O-ring)을 포함할 수 있다.

또한, 가압유닛 지지부(400)에서 가동돌부(410)는 가동유닛, 일례로 펀치(310)의 이동방향에 대해 수직한 방향으로 이동 가능하도록 제공되며, 이에 따라 가동돌부(410)가 펀치(310)의 홈부(312)에 삽입됨에 따라 펀치(310)의 축방향 이동을 차단할 수 있다.

본 실시예에서 가동돌부(410)는 제1금형(210) 또는 제2금형(250)의 일측에 제공된 가동돌부 구동부(412)와, 이러한 가동돌부 구동부(412)에 연계하여 이동하는 돌출부재(414)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서 돌출부재(414)는 쐐기 형태, 즉 돌출 쐐기로 제공될 수 있으며, 삽입방향의 전단부가 내측으로 오므려진 형태로 제공될 수 있다.

또한, 홈부(312)는 돌출부재(414)에 대응하여 함몰된 형태, 즉 패인 쐐기로 제공될 수 있다.

더불어, 본 실시예에서 돌출부재(414) 및 홈부(312)의 형상은 한정되지 않으며, 다양한 형태로 변형이 가능한 것으로, 상호 결합 및 분리가 용이하며 결합된 상태의 유지가 용이한 형태, 즉 사각단면, 삼각단면, 반원형단면, 사다리꼴단면 등과 같은 다양한 형태로 제공될 수 있다.

또한, 돌출부재(414)는 복수개로 제공되어 등간격으로 배치될 수 있다. 또한, 돌출부재(414)는 가압유닛(300)을 전체적으로 지지하는 하나의 부재로 제공되는 것도 가능하며, 이때 홈부(312)는 돌출부재(414)가 전체적으로 수용가능하도록 외주면에 연속적으로 오목한 띠 형태로 제공될 수 있다.

여기서, 가동돌부 구동부(412)는 유압 또는 공압에 의해 작동하는 액츄에이터로 제공될 수 있다.

돌출부재(414)는 가동돌부 구동부(412)의 수축시 제1금형(210) 또는 제2금형(250)의 내측으로 수용되고, 가동돌부 구동부(412)의 팽창시 제1금형(210) 또는 제2금형(250)의 외측으로 돌출할 수 있다.

또한, 돌출부재(414)는 제1금형(210) 또는 제2금형(250)의 외측으로 돌출된 상태에서, 펀치(310)에 제공된 홈부(312)에 삽입되며 펀치(310)의 축방향 이동을 제한할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 하이드로포밍 금형장치(100)는 고압 상황에서도 제1금형(210)과 제2금형(250)이 가압유닛(300)에 의해 밀폐 유지될 수 있다.

따라서, 본 실시예의 하이드로포밍 금형장치(100)는 제품의 성형 가공시 내부 압력을 더욱 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 성형되는 제품의 정밀도를 더욱 증가시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서 하이드로포밍 금형장치(100)는 가압유닛(300)인 펀치(310)의 가압력 및 가압유닛 지지부(400)에 의한 물리적인 지지력에 의해 내부 압력을 더욱 증가시킬 수 있다.

또한, 본 실시예는 가압유닛(300)인 펀치(310)를 가압하는 구동부(330)의 작동부하를 증가시키지 않더라도 충분한 밀폐력을 유지할 수 있으므로, 동일한 내부 압력 발생시 구동부(330)의 작동부하를 줄일 수 있고, 이에 따라 구동부(330)의 소형화가 가능하다.

표 1은 하이드로포밍 성형시 제품 최소 반경을 성형하기 위해 필요한 측면 펀치의 실린더 용량을 계산한 표이다.

일례로, 소재 FB780의 경우, 항복강도는 728MPa이고, 인장강도는 799MPa 일 수 있다. 이러한 소재 FB780으로 제공된 직경 약 101.6mm 이고, 두께 3.4t 인 튜브를 하이드로포밍 성형하기 위해, 약 400ton 의 작동부하를 갖는 가압유닛(300)의 구동부(330)가 사용될 경우, 이 구동부(330)에 작용하는 힘들의 합은 400ton 이하로 유지되어야 한다. 이때, 구동부(330)에 작용하는 힘들은 가압유닛(300)의 펀치(310)를 미는 반력과, 재료 소성 변형력 및 금형과 소재의 마찰력으로 사용되는 힘의 합력일 수 있다.

이와 같이, 구동부(330)에 작용하는 힘들의 합이 400ton 이하로 유지될 경우, 소재 FB780의 성형가능한 최소 반경은 약 18mm 정도일 수 있다.

한편, 구동부(330)에 작용하는 힘들의 합에 대해 안전계수(일례로 0.1)을 고려하면 약 364ton 이내에서 작동이 유지되어야 하며, 이러한 압력에서 소재 FB780의 성형가능한 최소 반경은 약 20mm 정도일 수 있다.

한편, 본 실시예의 하이드로포밍 금형장치(100)는 가압유닛(300)이 가압유닛 지지부(400)에 의해 제품 성형 공간(290)을 밀폐 유지할 수 있으므로, 내부 압력 상승시 발생하는 부하는 재료 소성 변형력 및 금형과 소재의 마찰력으로 사용되는 힘으로 사용될 수 있다.

이때, 본 실시예에서 가압유닛(300)의 펀치(310)를 미는 반력은 가압유닛 지지부(400)에 의해 발생하는 지지력에 의해 상쇄 가능하고, 재료 소성 변형력과, 금형과 소재의 마찰력은 고정된 힘으로 임의로 줄일 수 없다.

따라서, 가압유닛(300)에 허용되는 내부 압력은 이들 힘에 대해 안전계수(일례로 0.1)을 고려하더라도 재료 소성변형에 사용되는 힘 및 금형과 소재의 마찰력으로 사용되는 힘의 합력인 약 364ton 을 견딜 수 있으며, 이러한 압력에 소재 FB780의 성형가능한 최소 반경은 약 12mm 정도일 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 하이드로포밍 금형장치(100)는 동일한 조건에서 내부 압력을 더 크게 발생시킬 수 있으며, 이에 따라 더욱 정밀하게 제품을 성형시킬 수 있다.

전술된 바와 같이 구성된 하이드로포밍 금형장치(100)를 이용한 제품 성형 과정을 살펴보면 다음과 같다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 금형장치를 이용한 제품 성형과정을 도시한 작동상태도이다.

먼저, 도 3과 같이, 하이드로포밍 금형장치(100)의 제1금형(210)과 제2금형(250) 사이에 하이드로포밍 성형을 위한 제품(10)을 위치시킨다. 이때, 제품(10)은 내부가 빈 형태일 수 있으며, 이러한 일례로 파이프 부재가 적용될 수 있다.

다음으로, 도 4와 같이, 제1금형(210)과 제2금형(250) 사이에 제품이 위치되면, 제품(10)의 양단부에 가압유닛(300)의 펀치(310)를 결합한다.

그리고, 도 5와 같이, 제1금형(210)과 제2금형(250)을 맞물린다. 이때, 제2금형(250)이 프레스에 의해 하강하며 제1금형(210)과 제2금형(250) 사이를 밀폐하게 된다.

또한, 제1금형(210)과 제2금형(250)의 양측면은 가압유닛(300)에 의해 밀폐될 수 있다.

또한, 제1금형(210)과 제2금형(250)에 제공된 가압유닛 지지부(400)의 가동돌부(410)가 가압유닛(300)의 펀치(310)의 홈부(312)에 삽입되며, 가압유닛(300)을 지지할 수 있다.

이와 같이, 제1금형(210)과 제2금형(250)이 맞물리는 과정에서 제품(10)은 제품 성형 공간(290)의 형상에 대응하여 1차 성형이 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 6과 같이, 제1금형(210)과 제2금형(250)이 가압유닛(300)에 의해 밀폐된 상태에서, 가압유닛(300)의 유체공급부를 통해 유체가 공급되면, 제품(10)의 내부 압력이 증가하며 제품이 확장되며 2차 성형될 수 있다.

이때, 가압유닛(300)의 펀치(310)는 홈부(312)에 삽입된 가압유닛 지지부(400), 즉 가동돌부(410)에 의해 후방으로 밀림이 방지되며, 이에 따라 내부 압력을 더욱 증가시킬 수 있다.

이와 같은 과정을 거쳐, 제품(10)의 성형이 완료되면, 가동돌부(410)를 제1금형(210) 또는 제2금형(250) 내부로 수용하고, 제1금형(210)과 제2금형(250) 및 가압유닛(300)을 분리하여 하이드로포밍 성형된 제품을 분리한다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10: 제품 100: 하이드로포밍 금형장치
200: 금형수단 210: 제1금형
212: 제1성형홈 214: 제1펀치홈
250: 제2금형 252: 제2성형홈
254: 제2펀치홈 290: 제품 성형 공간
300: 가압유닛 310: 펀치
312: 홈부 330: 구동부
350: 유체공급부 352: 배관
400: 가압유닛 지지부 410: 가동돌부
412: 가동돌부 구동부 414: 돌출부재

Claims

제1금형;
상기 제1금형과 결합되며 제품 성형 공간을 형성하는 제2금형;
상기 제1금형과 상기 제2금형 사이의 양측을 밀폐하도록 제공되며, 상기 제품 성형 공간을 고압으로 유지시키는 가압유닛;
상기 제1금형 또는 상기 제2금형에 제공되며 상기 가압유닛의 일측을 지지하도록 제공되는 가압유닛 지지부를 포함하고,
상기 가압유닛 지지부는 상기 제1금형 또는 상기 제2금형에 제공되어 상기 가압유닛 방향으로 돌출되는 적어도 하나의 가동돌부와, 상기 가압유닛의 일측에 제공되어 상기 가동돌부의 일단이 삽입되도록 제공된 홈부를 포함하고,
상기 가동돌부는 상기 제1금형 또는 상기 제2금형의 일측에 제공된 가동돌부 구동부와, 상기 가동돌부 구동부에 연계하여 상기 홈부에 탈착되는 돌출부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 금형장치.
청구항 1에 있어서, 상기 가압유닛은
상기 제1금형과 상기 제2금형 사이의 개방부를 막는 펀치와,
상기 펀치를 가압하도록 제공된 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 금형장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가압유닛은 상기 제품 성형 공간과 연결되는 내부 배관으로 고압의 유체를 공급하여 제품에 압력을 가하는 유체공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 금형장치.
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