KR101560926B1 - 성형소재 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치는 성형소재를 압하하여 성형하며, 상기 성형소재를 성형하는 형상으로 양각부를 제공하는 금형유닛 및 성형 형상이 형성된 상기 성형소재와 상기 양각부 사이에 형성되는 미접촉부에 제공되는 냉각유닛을 포함할 수 있다.

Description

성형소재 냉각장치{Forming material cooling apparatus and method}

본 발명은 성형소재 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금형유닛과 접촉되지 않는 미접촉부의 냉각을 위해 냉각유닛을 제공하는 것에서 더 나아가, 미접촉부의 위치에 따른 냉각효과를 조정할 수 있는 발명에 관한 것이다.

최근 자동차의 연비 절감 및 경량화를 위해 자동차 부품의 고강도화가 요구되고 있다. 이와 관련하여, 소재의 고강도화에 따른 성형성 문제를 극복하고, 고온에서의 낮은 기계적 물성을 이용하여 성형하는 핫 프레스 포밍(hot press forming) 공법이 지속적으로 확대되어 사용되고 있다.

이러한 핫 프레스 포밍 공법은 순차적으로 일어나는 금형 내에서의 열처리를 통해 고강도 물성을 확보할 수 있는 성형 방법으로써 유용하다.

한편, 상기 핫 프레스 포밍 공법의 고강도화는 부품의 차량 장착 상태에서 외부 충격에 대한 변형 흡수능의 관점보다는 구조적 변형의 지지에 대하여 더 중요시 되고 있다.

즉, 동일 부품 내에 강도 구배를 부여함으로써, 기능적으로 충격을 흡수하는 역할과 변형 지지의 복합적인 기능을 가지는 부품에 대한 연구에 초점이 맞춰지고 있는 실정이다.

이를 위해서, 도 2에 도시한 바와 같이, 동일 소재(m) 내에서도 두께를 달리하여 형성(tailor rolled blank)하거나, 도 1에 도시한 바와 같이, 이종 소재(m)의 두께를 달리하여 형성(tailor welded blank)하는 방법 등이 사용되고 있다.

여기서, 더 나아가, 성형소재(m)에 대하여 동일한 핫 프레스 포밍 조건을 유지한 상태에서 금형으로 성형 종료 후, 냉각속도 제어를 함으로써 야금학적으로 이질적인 금속 조직을 발생시켜, 동일한 부품 내에서 강도의 구배가 나타나는 제품을 제조하는 방법도 사용되고 있다.

다만, 전술한 바와 같이 냉각 속도를 제어하여 강도 구배를 형성하기 위해서는 도 1의 (c) 및 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 소재(m)와 금형유닛(10')이 완전히 밀착되어야 하는 이상적인 경우가 요구된다.

그러나, 실제의 성형에서는 상기 금형유닛(10')의 양각부(11')와 상기 성형소재(m) 사이에 접촉되지 않는 미접촉부(12')가 형성될 수 있어, 상기 성형소재(m)의 냉각을 제어하는 것이 용이하지 않는 문제가 있다.

따라서, 전술한 문제를 해결하기 위한 성형소재 냉각장치에 대한 연구가 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 성형시에 발생되는 미접촉부의 냉각정도를 조절할 수 있는 것에 더 나아가, 미접촉부의 위치에 따른 냉각정도를 조절함으로써, 성형소재의 형성되는 소재 특성을 조정할 수 있는 성형소재 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치는 성형소재를 압하하여 성형하며, 상기 성형소재를 성형하는 형상으로 양각부를 제공하는 금형유닛 및 성형 형상이 형성된 상기 성형소재와 상기 양각부 사이에 형성되는 미접촉부에 제공되는 냉각유닛을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 냉각유닛은 상기 미접촉부에 냉매를 제공하는 냉매공급부 및 상기 냉매공급부에서 제공한 냉매의 이탈을 방지토록, 상기 냉매공급부에 인접하여 제공되는 격리부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 냉매공급부는 복수 개로 제공되며, 각각의 냉매공급부에서는 냉각성능이 서로 다른 냉매를 공급하게 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 격리부는 복수의 상기 냉매공급부 사이에 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 냉매공급부는 냉매가 저장된 냉매저장소와 연결되어 상기 냉매를 상기 미접촉부로 제공하는 공급관로, 상기 공급관로에 제공되는 개폐밸브 및 상기 개폐밸브와 연결되어 각각의 공급관로에서 공급하는 서로 다른 냉매의 비율을 조정하게 제공되는 제어기를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 성형소재는 서로 다른 두께의 부분을 포함하는 이두께소재로 제공될 수 있다.

본 발명의 성형소재 냉각장치는 성형소재와 금형유닛 사이에 미접촉 부분인 미접촉부를 냉각할 수 있는 냉각유닛을 제공함으로써, 상기 성형소재의 냉각에 의해 고강성을 확보할 수 있게 제공하는 효과가 있다.

또한, 상기 냉각유닛이 제공하는 냉매를 냉각능에 따라서 조정하여 제공함으로써, 상기 성형소재의 냉각속도 내지 냉각정도를 조정하여 상기 성형소재의 특성을 조정할 수 있는 효과도 있다.

더 나아가, 상기 성형소재의 냉각 온도를 부분별로 차별화하여 강도 구배를 조정하여 형성할 수 있는 이점도 있다.

따라서, 필요로 하는 소재의 특정을 조정할 수 있는 효과가 발생하게 된다.

도 1 및 도 2는 종래의 핫 프레스 포밍 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 성형소재 냉각장치를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 냉매공급부를 복수 개 제공한 실시예를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 격리부를 포함한 실시예를 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 냉각속도에 따른 경도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 냉매에 따른 시간 대비 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 성형소재 냉각장치는 금형유닛(10)과 접촉되지 않는 미접촉부(12)의 냉각을 위해 냉각유닛(20)을 제공하는 것에 나아가, 미접촉부(12)의 위치에 따른 냉각효과를 조정할 수 있는 발명에 관한 것이다.

즉, 본 발명의 성형소재 냉각장치는 성형소재(m)와 금형유닛(10) 사이에 미접촉 부분인 미접촉부(12)를 냉각할 수 있는 냉각유닛(20)을 제공함으로써, 상기 성형소재(m)의 냉각에 의해 고강성을 확보할 수 있게 제공할 수 있는 것이다.

또한, 상기 냉각유닛(20)이 제공하는 냉매를 냉각능에 따라서 조정하여 제공함으로써, 상기 성형소재(m)의 냉각속도 내지 냉각정도를 조정하여 상기 성형소재(m)의 특성을 조정할 수도 있다.

더 나아가, 상기 성형소재(m)의 냉각 온도를 부분별로 차별화하여 강도 구배를 조정하여 형성함으로써, 필요로 하는 소재의 특정을 조정할 수 있게 된다.

구체적으로, 도 3은 본 발명의 성형소재 냉각장치를 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 냉각속도에 따른 경도의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 냉매에 따른 시간 대비 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

여기서, 도 3의 (a)는 이종 소재의 두께를 달리하여 형성(tailor welded blank)된 성형소재(m)에 대한 것이고, 도 3의 (b)는 동일 소재 내에서도 두께를 달리하여 형성(tailor rolled blank)된 성형소재(m)에 대한 것이다.

도 3, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치는 성형소재(m)를 압하하여 성형하며, 상기 성형소재(m)를 성형하는 형상으로 양각부(11)를 제공하는 금형유닛(10) 및 성형 형상이 형성된 상기 성형소재(m)와 상기 양각부(11) 사이에 형성되는 미접촉부(12)에 제공되는 냉각유닛(20)을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 성형소재(m)는 서로 다른 두께의 부분을 포함하는 이두께소재로 제공될 수 있다.

상기 금형유닛(10)은 상기 성형소재(m)를 가압하여 제품의 형상을 성형하는 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 성형소재(m)는 이종 소재의 두께를 달리하여 형성(tailor welded blank)되거나, 동일 소재 내에서도 두께를 달리하여 형성(tailor rolled blank)되어 제공될 수 있는데, 상기 금형유닛(10)은 이러한 성형소재(m)를 가압하여 원하는 성형 제품으로 형성할 수 있는 것이다.

특히, 상기 성형소재(m)는 이종 소재이든 동종 소재이든, 두께가 서로 상이한 부분을 제공하는 이두께소재로 제공될 수도 있다.

여기서, 상기 금형유닛(10)은 제품의 형상을 성형하기 위하여 돌출되어 제공되는 양각부(11)를 제공할 수 있는데, 이러한 양각부(11)에 상기 성형소재(m)가 압착되면서, 상기 양각부(11)에 대응되는 형상으로 성형될 수 있게 된다.

다만, 일반적으로 상기 양각부(11)에 의해서 상기 성형소재(m)가 제품의 형상으로 성형될 때, 상기 금형유닛(10)과 상기 성형소재(m) 사이에 미접촉되는 미접촉부(12)가 형성될 수도 있다.

특히, 상기 성형소재(m)가 핫 프레스 포밍에 의한 가열된 상태에서 성형되는 경우에는, 상기 성형소재(m)는 상기 금형유닛(10)과의 접촉에 의해서 냉각됨으로써, 필요로 하는 물성을 획득하며 성형되는데, 상기 미접촉부(12)가 발생하게 되면, 상기 성형소재(m) 중에서 상기 금형유닛(10)과 접촉되지 않는 부분은 냉각되지 않아, 필요로 하는 물성을 획득하지 못할 수도 있다.

이를 방지하기 위해서, 본 발명에서는 상기 미접촉부(12)에 후술할 냉각유닛(20)을 제공할 수 있다.

한편, 상기 성형소재(m)를 핫 프레스 포밍으로 성형하는 것을 단계별로 구별하여 제시하여 보면, 두께가 동일한 성형소재(m) 또는 다른 두께의 이종소재를 예비접합한 성형소재(m) 또는 단일 두께의 소재를 예비적으로 압하하여 두께 프로파일을 형성하는 성형소재(m) 준비단계, 상기 성형소재(m)를 오스테나이트 온도 이상으로 가열하는 단계, 상기 성형소재(m)를 상기 금형유닛(10)으로 압하하여 성형하는 단계 및 상기 금형유닛(10)에 의해 성형이 완료된 상태에서, 후술할 냉각유닛(20)에 의해 상기 성형소재(m)의 표면으로 냉매를 직접 분사하여, 상기 미접촉부(12)를 냉각시키는 단계로 제시될 수 있다.

더욱이 상기 미접촉부(12)를 냉각시키는 단계는 상기 냉매의 차등화된 냉각능으로 상기 성형소재(m)의 냉각 온도를 차별화하여 냉각함으로써, 최종적으로 성형 제품 내에서 부위별로 강도가 다른 제품을 성형할 수 있게 된다. 이에 대하여는 도 4 또는 도 5를 참조하여 후술한다.

상기 냉각유닛(20)은 상기 미접촉부(12)를 냉각하는 속도 내지 정도를 조정하여, 상기 성형소재(m)에 필요로 하는 물성을 형성하게 제공하는 역할을 할 수 있다.

즉, 도 6에 도시한 바와 같이 냉각 속도(Cooling rate)에 따라서 경도(Vickers Hardness) 등의 물성이 달라질 수 있는데, 상기 냉각유닛(20)은 이러한 물성을 조정하기 위해 제공하는 것이다.

이를 위해, 상기 냉각유닛(20)은 냉매공급부(21), 격리부(22), 냉매저장소(23) 등을 포함할 수 있다.

상기 냉매공급부(21)는 상기 미접촉부(12)로 냉매를 공급하여 상기 미접촉부(12)의 냉각을 조정하는 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 냉매공급부(21)는 상기 미접촉부(12)와 인접한 상기 금형유닛(10)에 제공될 수 있다.

이를 위해, 상기 냉매공급부(21)는 공급관로(21a), 개폐밸브(21b), 제어기(21c) 등을 포함할 수 있다.

상기 공급관로(21a)는 상기 미접촉부(12)와 연결되어, 상기 냉매공급부(21)에서 공급하는 냉매를 상기 미접촉부(12)로 전달하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 상기 공급관로(21a)는 상기 미접촉부(12)로 일단부가 제공되고, 타단부는 상기 냉매공급부(21)에 연결될 수 있다.

일례로써, 상기 공급관로(21a)는 직경이 1 ~ 30mm로 제공될 있으며, 상기 냉매가 유속 약 1 ~ 5 m/s, 유량 약 1 ~ 10kg/s로 제공될 수 있다.

상기 개폐밸브(21b)는 상기 공급관로(21a) 상에 제공되어, 상기 냉매의 유동의 개폐 내지 유동량을 조정하는 역할을 할 수 있다.

이에 의하면, 상기 성형소재(m)의 냉각 속도 내지 냉각 정도를 조정하여, 상기 성형소재(m)의 필요로 하는 물성을 형성하게 제어할 수 있다.

상기 제어기(21c)는 상기 개폐밸브(21b)의 개폐 정도를 조정하는 역할을 할 수 있으며, 이에 의해서 상기 개폐밸브(21b)가 상기 성형소재(m)의 냉각 속도 내지 냉각 정도를 조정하게 할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.

상기 격리부(22)는 상기 냉매공급부(21)에서 공급된 냉매의 이탈을 방지하기 위한 역할을 할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.

상기 냉매저장소(23)는 냉매가 저장되어 제공되며, 상기 냉매공급부(21)로 전달하기 위한 냉매를 저장하여 제공하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 상기 냉매저장소(23)는 상기 냉매공급부(21)의 공급관로(21a)와 연결되어 제공될 수 있다.

상기 냉매저장소(23)에서 제공하는 냉매로는 오일, 물, 소금물, 고분자용액 등이 제공될 수 있다. 여기서, 상기 고분자용액에는 PAG(Polyalkylene glycol), PVP(Polyvinyl pyrrolidone), PEO(Polyethyl oxazoline) 등이 있을 수 있다.

도 4는 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 냉매공급부(21)를 복수 개 제공한 실시예를 도시한 측면도로써, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 냉각유닛(20)은 상기 미접촉부(12)에 냉매를 제공하는 냉매공급부(21) 및 상기 냉매공급부(21)에서 제공한 냉매의 이탈을 방지토록, 상기 냉매공급부(21)에 인접하여 제공되는 격리부(22)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 냉매공급부(21)는 복수 개로 제공되며, 각각의 냉매공급부(21)에서는 냉각성능이 서로 다른 냉매를 공급하게 제공될 수 있다.

즉, 상기 격리부(22)를 제공함으로써, 상기 냉매공급부(21)에서 공급한 냉매를 원하는 위치의 상기 성형부재와 접촉하게 제공할 수 있으며, 상기 냉매가 선택된 위치 이외의 위치로 이탈되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이를 위해, 상기 격리부(22)는 상기 금형유닛(10)에 돌출되어 형성될 수 있으며, 이에 의해 상기 격리부(22)는 프레스 성형시 상기 성형소재(m)에 밀착됨으로써 상기 냉매가 공급될 위치를 격리할 수 있게 된다.

또한, 상기 격리부(22)는 상기 냉매공급부(21)가 복수 개로 제공되는 경우에는 복수의 상기 냉매공급부(21) 사이에 제공될 수도 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.

한편, 상기 냉매공급부(21)가 복수 개로 제공되는 경우에, 각각의 냉매공급부(21)는 냉각능이 서로 다른 냉매들을 공급하도록, 각각 별개의 냉매저정소와 연결되게 제공될 수 있다.

이에 의하면, 냉각능이 서로 다른 상기 냉매를 섞어서 상기 미접촉부(12)에 제공할 수 있어, 냉각능을 조정하여 상기 미접촉부(12)에 제공하여 상기 성형소재(m)를 냉각하는 정도를 조정할 수 있게 된다.

다시 말해, 도 7에 제시된 시간(Time)에 따른 온도(Temperature)가 냉매마다 다른 것에 의해서, 복수의 냉매를 공급하여 냉각능을 조정할 수 있게 된다.

도 7에 제시된 그래프에서 Cooling media A는 공기이며, Cooling media B는 PAG 20% + 물 80% 이며, Cooling media C는 물이다.

도 5는 본 발명의 성형소재 냉각장치에서 격리부(22)를 포함한 실시예를 도시한 측면도로써, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 격리부(22)는 복수의 상기 냉매공급부(21) 사이에 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형소재 냉각장치의 상기 냉매공급부(21)는 냉매가 저장된 냉매저장소(23)와 연결되어 상기 냉매를 상기 미접촉부(12)로 제공하는 공급관로(21a), 상기 공급관로(21a)에 제공되는 개폐밸브(21b) 및 상기 개폐밸브(21b)와 연결되어 각각의 공급관로(21a)에서 공급하는 서로 다른 냉매의 비율을 조정하게 제공되는 제어기(21c)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 격리부(22)를 복수로 제공되는 상기 냉매공급부(21) 사이에 제공함으로써, 각각의 냉매공급부(21)가 제공하는 각각의 냉매를 격리하여 상기 성형소재(m)에 제공할 수 있으며, 상기 성형소재(m)에 냉매를 제공하는 위치를 특정하여 제공할 수 있다.

이에 의해, 상기 성형소재(m)에 필요로 하는 물성을 상기 성형소재(m)의 부분별로 구별하여 형성할 수 있게 된다.

10: 금형유닛 11: 양각부
12: 미접촉부 20: 냉각유닛
21: 냉매공급부 22: 격리부
23: 냉매저장소

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 성형소재를 압하하여 성형하며, 상기 성형소재를 성형하는 형상으로 양각부를 제공하는 금형유닛; 및
   성형 형상이 형성된 상기 성형소재와 상기 양각부 사이에 형성되는 미접촉부에 제공되는 냉각유닛;
   을 포함하며,
   상기 냉각유닛은,
   상기 미접촉부에 냉매를 제공하는 냉매공급부; 및
   상기 냉매공급부에서 제공한 냉매의 이탈을 방지토록, 상기 냉매공급부에 인접하여 상기 금형유닛에 돌출 형성되어 제공되는 격리부;
   를 포함하고,
   상기 냉매공급부는 복수 개로 제공되며, 각각의 냉매공급부에서는 냉각성능이 서로 다른 냉매를 공급하게 제공되는 성형소재 냉각장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 격리부는 복수의 상기 냉매공급부 사이에 제공되는 성형소재 냉각장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 냉매공급부는,
   냉매가 저장된 냉매저장소와 연결되어 상기 냉매를 상기 미접촉부로 제공하는 공급관로;
   상기 공급관로에 제공되는 개폐밸브; 및
   상기 개폐밸브와 연결되어 각각의 공급관로에서 공급하는 서로 다른 냉매의 비율을 조정하게 제공되는 제어기;
   를 포함하는 성형소재 냉각장치.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 성형소재는 서로 다른 두께의 부분을 포함하는 이두께소재로 제공되는 성형소재 냉각장치.

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