KR101505272B1 - 국부 연화가 가능한 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법 - Google Patents

Abstract

성형과 동시에 열처리를 수행함으로써 형상이 복잡한 고강도 부품을 성형할 수 있도록 하는 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도로 인하여 충돌시 파단이 우려되는 부분을 국부적으로 연화시킬 수 있는 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법에 관하여 개시한다.
본 발명은 가열된 소재를 공급받아 가압 성형하고 구속한 상태에서 급속 냉각되는 금형을 포함하는 핫 스탬핑 성형장치에 있어서, 상기 금형의 표면에 상기 소재가 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부를 구비하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형장치를 제공한다.

Description

국부 연화가 가능한 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법{HOT STAMPING DEVICE AND METHOD}

본 발명은 성형과 동시에 열처리를 수행함으로써 형상이 복잡한 고강도 부품을 성형할 수 있도록 하는 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도로 인하여 충돌시 파단이 우려되는 부분을 국부적으로 연화시킬 수 있는 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법에 관한 것이다.

종래에는 일반적으로 프레스 방식을 이용하여 자동차 부품을 제조하였다.

프레스 방식을 이용한 자동차 부품의 제조방법은 일반적으로 냉연 또는 열연 코일의 원소재를 절단한 후 그 소재를 이송하여 프레스 금형에 넣고 압착하여 성형을 완료한 다음 필요없는 부분을 절단하고 구멍을 형성하는 등의 마무리 작업을 거쳐 제품을 완성하는 방법이다.

이와 같은 종래의 프레스 방식을 이용한 철판 가공 방법은 철강사에서 제조한 철판의 강도와 물성을 단지 가공하여 부품 형상을 구현하는 것에 지나지 않는다. 따라서 원소재의 성질이 곧 가공 후 부품의 성질이 되는 것이므로 원소재의 강도가 올라갈수록 프레스 성형은 어려워지게 되어 제품의 정밀한 형상 구현이 어려워지게 된다.

최근의 자동차 산업은 필수적으로 고강도 고성형성을 요구하는 부품을 필요로 하기 때문에 상기와 같은 성형상의 문제점은 강도가 강한 원소재의 적용에 제약을 줄 수밖에 없다.

관련선행기술로는 대한민국 등록특허 10-1033361호 (등록일자 2011년 4월 28일) '생산성을 향상시킨 열간 프레스 성형체 제조방법'이 있다.

본 발명의 목적은 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법으로 제조되는 제품의 충돌 성능을 향상시키기 위함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 금형으로 구속한 상태에서 급속 냉각하는 과정에서 국부 연화처리가 가능하도록 하는 핫스탬핑 성형장치 및 성형방법을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가열된 소재를 공급받아 가압 성형하고 구속한 상태에서 급속 냉각되는 금형을 포함하는 핫 스탬핑 성형장치에 있어서, 상기 금형의 표면에 상기 소재가 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부를 구비하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형장치를 제공한다.

상기 냉각 속도 조절부는 상기 소재의 양면에 대칭적으로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 냉각 속도 조절부는 오목하게 형성된 에어홈의 형태를 가지며, 상기 에어홈 내부의 공기는 피가공 소재의 표면에 의하여 밀폐되도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 냉각 속도 조절부는 승하강하는 이동편과, 상기 이동편의 상승시에 발생하는 에어홈으로 형성될 수도 있다. 이 때, 상기 이동편은 소재의 성형시에는 인접면과 단차가 없는 하강상태를 유지하고, 소재의 냉각시에는 상승하여 이동편의 표면과 소재의 표면 사이에 에어홈을 형성하게 된다.

또한, 본 발명은 가열된 소재를 공급받아 가압 성형하고 구속한 상태에서 급속 냉각되는 금형을 포함하며, 상기 금형의 표면에 상기 소재가 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부를 구비하는 핫 스탬핑 성형장치를 이용한 핫 스탬핑 성형 방법에 있어서, 블랭크 소재를 냉간 성형 방법으로 예비 성형 한 후, 예비 성형체를 가열하여 상기 금형을 이용하여 핫 스탬핑 성형하되, 상기 냉각속도 조절부를 이용하여 국부적으로 냉각속도를 달리하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형 방법을 제공한다.

이 때, 상기 냉각속도 조절부에 대응하는 부분의 소재는 핫 스탬핑 성형시 형상이 변화되지 않는 것이 바람직하고,

상기 냉각속도 조절부에 대응하는 부분의 소재는 예비 성형 단계에서 형상 가공이 이루어지도록 하면 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 핫스탬핑 성형장치 및 성형방법은 핫스탬핑으로 성형되는 제품을 국부적으로 연화시킬 수 있다. 따라서 제품의 충돌 성능을 향상시키는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 핫스탬핑 성형장치 및 성형방법은 냉간성형을 한후 열간 성형하고 급속 냉각하는 구성을 가지고 있어 고강도 소재의 가공시 발생하는 스프링백 현상을 완화시켜 형상 동결성을 향상시키는 효과를 가져온다.

도 1은 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도,
도 2는 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정개략도,
도 3은 본 발명에 따른 핫 스탬핑 성형장치로 제조한 제품의 일예를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형장치를 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형장치를 나타낸 구성도임.

이하 본 발명의 실시예에 따른 국부 연화가 가능한 간접 핫 스탬핑 성형장치 및 성형방법에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

핫 스탬핑(Hot Stamping) 성형방법은 절단된 원소재(철판)를 고온으로 달군 후에 금형으로 성형함과 동시에 그 금형에 냉각(cooling) 효과를 주어 원소재의 온도를 급격하게 낮추는 퀀칭(quenching) 효과를 통해 원소재의 강도를 원래보다 2~3배 이상으로 향상시키는 방식이다.

또한, 핫 스탬핑 가공시 고온으로 철판을 가열하므로 철판의 성질이 매우 부드러워지고 늘어나는 성질이 탁월해져서 성형성이 우수해지게 된다. 이와 같이 핫스탬핑을 이용하여 철판의 초고강도를 확보함과 동시에 우수한 성형성으로 원하는 부품을 제조할 수 있다.

먼저, 일반적인 핫 스탬핑 성형방법에 관하여 살펴본다.

도 1은 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정개략도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 핫 스탬핑 성형방법은 코일 소재를 절단하는 블랭킹공정(S-11)과, 블랭킹된 소재를 일정온도 범위로 가열하는 열처리공정(S-12)과, 가열된 소재를 성형함과 동시에 급냉하는 열간성형및급냉공정(S-13)과, 경화된 소재를 레이저 장비를 사용하여 정밀하게 재단하는 트리밍공정(S-14)을 포함한다.

일반적인 핫 스탬핑 성형방법의 경우 열간성형에서 모든 성형이 이루어지고 있어서, 열간성형 이전에는 제품의 외곽선을 정밀하게 절단하는 트리밍 공정을 수행할 수 없었다. 프레스 성형을 하기 위해서는 홀더에 고정되는 부분이 필요하기 때문에 성형전 블랭킹 단계에서 이 부분까지 절단할 수는 없으므로, 성형이 완료되고 소재가 경화된 후에 트리밍 작업을 수행할 수 밖에 없었다.

그런데, 경화된 소재는 강도가 높아 일반적은 프레스 금형으로는 트리밍을 수행할 수 없어서, 레이저 장비를 사용하고 있었다. 그런데 레이저 장비는 프레스 금형에 비하여 장비의 가격이 높고, 절단 부위를 따라 레이저 빔을 이동시키며 작업이 이루어지는 특성상 공정시간이 많이 소요되는 단점을 가지고 있었다.

도 3은 본 발명에 따른 핫 스탬핑 성형장치로 제조한 제품의 일예를 나타낸 사시도이다.

핫 스탬핑 성형장치를 통해서 제조되는 제품(10)은 다양한 용도로 사용되고 있지만, 차량용 부품으로 사용되는 경우가 많다. 차량용 부품의 경우 높은 강도와 함께 우수한 충돌 성능이 요구된다.

핫 스탬핑을 통해 제조된 부품은 높은 강도로 인하여 충돌시 파단의 우려가 높은 문제점을 가지고 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 국부 연화가 필요한 부분을 국부적으로 가열하지 않는다거나, 핫 스탬핑 부품 제조 후 별도의 국부 연화 열처리를 수행하는 등의 방법을 사용하였다.

그런데, 이러한 종래의 해결책은 공정과 설비가 추가되는 형태가 되어 원가 상승의 요인이 되고 있었다.

본 발명은 초고강도의 핫 스탬핑 부품의 성형시에 국부 연화가 가능하도록 하는 핫 스탬핑 성형장치를 제공하기 위한 것이다.

도시한 제품(10)의 경우 다른 부품과 용접되는 용접부(12)가 존재하는데, 충돌시 용접부(12)에서 파단 가능성이 높다. 이러한 경우 용접부(12)의 강도를 낮추고 인성을 향상시키면 충돌 성능이 향상된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형장치를 나타낸 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 핫 스탬핑 성형장치는, 가열된 소재를 공급받아 가압 성형하고 구속한 상태에서 급속 냉각되는 금형을 포함하는 핫 스탬핑 성형장치로, 상기 금형(100)의 표면에 상기 소재가 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부(110)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

종래의 핫 스탬핑 금형의 경우 제품의 표면과 금형의 표면이 모두 접촉하여 금형을 급속냉각하면, 금형과 접촉하느 제품이 급속 냉각되는 구조를 가지고 있었으나, 본 발명은 제품과 접촉하지 않는 냉각속도 조절부(110)를 형성한다.

냉각속도 조절부(110)에서는 금형과 제품이 직접 접촉하지 않으므로, 금형이 급속 냉각된다고 하더라도, 그 부분의 제품은 공냉 상태가 되므로 상대적으로 느린 냉각속도를 가지게 된다. 다시말해 냉각속도 조절부(110)에 대응하는 제품의 부분은 급속 냉각 되지 않음으로써 급속 냉각되는 부분들에 비하여 상대적으로 낮은 인장강도와 높은 연신율을 가지게 된다.

상기 냉각 속도 조절부는 도시한 바와 같이 소재의 양면에 대칭적으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 국부적인 연화가 필요한 부분의 양면에 모두 냉각 속도 조절부(110)를 형성하는 것이 바람직하다. 일면에만 냉각 속도 조절부(110)를 형성하는 경우에는 냉각속도 지연의 효과가 적어 충분한 인성 향상 효과를 얻을 수 없기 때문이다. 핫 스탬핑으로 성형되는 제품은 박판인 경우가 많고, 박판인 경우 접촉한 일면을 통해서도 급속 냉각될 수 있으므로, 양면에 모두 냉각 속도 조절부(110)를 형셩해아 하는 것이다.

상기 냉각 속도 조절부(110)는 도시한 바와 같이 오목하게 형성된 에어홈일 수 있다. 냉각 속도 조절부(110)인 에어홈에는 공기가 차있게 되는데, 소재의 가공시에는 소재가 에어홈의 개구부를 밀폐하게 되므로, 에어홈 내부의 공기가 소재에 의하여 밀폐된다. 따라서 금형이 급속 냉각되더라도 그 내부의 공기가 단열층으로 작용하게 되어 소재는 급속 냉각 되지 않고, 상대적으로 낮은 속도로 냉각되어 인장강도는 낮아지고 연신율은 높아지는 효과를 가져온다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형장치를 나타낸 구성도이다.

도시한 실시예는 냉각 속도 조절부(110)가 승하강하는 이동편(113)을 포함하여, 제품의 열간 성형과정에서는 이동편(113)이 인접한 금형과 연속적인 표면을 유지하다가 냉각시에는 이동편이 상승하여 에어홈을 형성하도록 동작하게 된다.

다시말해, 상기 이동편은 소재의 성형시에는 인접면과 단차가 없는 하강상태를 유지하고, 소재의 냉각시에는 상승하여 이동편의 표면과 소재의 표면 사이에 에어홈을 형성하는 것이다. 이는 성형시에 에어홈으로 인하여 성형 불량이 발생하지 않도록 하는 효과를 가져온다.

도시한 실시예의 경우 이동편(113)이 승하강 실린더(115)에 의하여 승하강 동작하는 것으로 나타냈으나, 이동편(113)의 승하강 동작은 캠 등에 의하여 이루어질 수도 있다.

이하 본 발명에 따른 핫스탬핑 성형장치를 이용한 핫스탬핑 성형 방법에 관하여 살펴본다.

본 발명은 가열된 소재를 공급받아 가압 성형하고 구속한 상태에서 급속 냉각되는 금형을 포함하며, 상기 금형의 표면에 상기 소재가 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부를 구비하는 핫 스탬핑 성형장치를 이용한 핫 스탬핑 성형 방법에 있어서,

블랭크 소재를 냉간 성형 방법으로 예비 성형 한 후, 예비 성형체를 가열하여 상기 금형을 이용하여 핫 스탬핑 성형하되, 상기 냉각속도 조절부를 이용하여 국부적으로 냉각속도를 달리하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형 방법을 제공한다.

이 때, 상기 냉각속도 조절부에 대응하는 부분의 소재는 핫 스탬핑 성형시 형상이 변화되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 다시말해 냉각속도 조절부에 대응하는 부분은 성형이 되지 않는 부분이라면 관계 없겠지만 성형이 되는 부분이라면 그 부분의 형성 성형은 냉간 성형시에 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 냉각속도 조절부가 에어홈으로 형성된 경우 이 부분은 금형에 의하여 소재가 구속되지 않기 때문에 성형시에 불량이 발생할 수 있다. 따라서 열간 성형시에 냉각 속도 조절부에 대응하는 부분의 형성 성형이 이루어지지 않도록 하는 것이다.

상기 냉각속도 조절부에 대응하는 부분의 소재는 형상 성형이 필요한 경우 예비 성형 단계에서 형상 가공이 이루어지도록 하는 것이 좋다.

10 : 제품
100 : 금형
110 : 냉각 속도 조절부
113 : 이동편
115 : 승하강 실린더

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 가열된 소재를 공급받아 가압 성형하고 구속한 상태에서 급속 냉각되는 금형을 포함하는 핫 스탬핑 성형장치에 있어서,
   상기 금형의 표면에 상기 소재가 상기 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부를 구비하되,
   상기 냉각 속도 조절부는
   승하강하는 이동편과, 상기 이동편의 상승시에 발생하는 에어홈을 포함하며, 상기 이동편은 소재의 성형시에는 인접면과 단차가 없는 하강상태를 유지하고,
   소재의 냉각시에는 상승하여 이동편의 표면과 소재의 표면 사이에 에어홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 성형장치.
   
6. 삭제
7. 가열된 소재를 공급받아 가압 성형하고 구속한 상태에서 급속 냉각되는 금형을 포함하며, 상기 금형의 표면에 상기 소재가 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하기 위하여 승하강하는 이동편과, 상기 이동편의 상승시에 발생하는 에어홈을 포함하는 냉각속도 조절부를 구비하는 핫 스탬핑 성형장치를 이용한 핫 스탬핑 성형 방법에 있어서,
   블랭크 소재를 냉간 성형 방법으로 예비 성형 한 후, 예비 성형체를 가열하여 상기 금형을 이용하여 핫 스탬핑 성형하되, 상기 냉각속도 조절부를 이용하여 국부적으로 냉각속도를 달리하되,
   상기 냉각속도 조절부의 이동편은 소재의 성형시에는 인접면과 단차가 없는 하강상태를 유지하고, 소재의 냉각시에는 상승하여 이동편의 표면과 소재의 표면 사이에 에어홈을 형성하여 상기 냉각속도 조절부에 대응하는 부분의 소재가 상기 금형과 다른 속도로 냉각되도록 하고,
   상기 냉각속도 조절부에 대응하는 부분의 소재는 예비 성형 단계에서 형상 가공이 이루어져, 상기 냉각속도 조절부에 대응하는 부분의 소재는 핫 스탬핑 성형시 형상이 변화되지 않는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형 방법.
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