KR101616186B1 - 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법 - Google Patents

소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법 Download PDF

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Abstract

소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법에 대한 발명이 개시된다. 개시된 발명은: 블랭크 소재를 구분된 구간별로 가열량을 달리하여 가열하는 차등가열유닛; 및 차등가열유닛에서 가열된 블랭크 소재를 열간 성형 및 전단하여 부품을 성형하는 핫스탬핑유닛을 포함한다.

Description

소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법{GRADAION HEATING AND HOT CUTTING TYPE FORMING APPARATUS AND FORMING METHOD}
본 발명은 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블랭크 소재를 가열하여 열간 성형하는 방식으로 부품을 제조하는 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법에 관한 것이다.
차량에는 다양한 강도를 갖는 부품들이 사용된다. 예를 들어 차량 충돌 또는 전복시 에너지를 흡수해야 하는 부분들은 비교적 약한 강도가 요구되며, 탑승자의 생존공간 확보를 위해 형상유지가 필요한 부분은 강한 강도가 요구된다.
충돌시 에너지를 흡수해야 하는 부분이 강도가 지나치게 높으면 충격에너지를 적절하게 흡수하지 못하고 다른 부분으로 그대로 전달하게 되어, 오히려 탑승객과 차량의 다른 부품들에 과도한 충격을 전달하는 문제점을 가져오기 때문이다.
차량은 지속적으로 경량화와 원가절감이 요구되고 있으며, 이에 따라 하나의 부품이 부분적으로 서로 다른 이종강도를 갖는 것이 필요하게 되었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0112487호, 2008년 12월 26일 공개, 발명의 명칭 : 핫스탬핑용 블랭크의 가열방법)에 개시되어 있다.
본 발명은 적은 비용으로 충돌흡수능력이 향상된 부품을 효과적으로 제조할 수 있는 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치는: 블랭크 소재를 구분된 구간별로 가열량을 달리하여 가열하는 차등가열유닛; 및 상기 차등가열유닛에서 가열된 블랭크 소재를 열간 성형 및 전단하여 부품을 성형하는 핫스탬핑유닛을 포함한다.
또한 상기 차등가열유닛은, 블랭크 소재가 안착되는 블랭크받침부와; 상기 블랭크받침부에 안착된 블랭크 소재를 가열하되, 구분된 구간별로 가열량을 달리할 수 있도록 블랭크 소재를 가열하는 가열부; 및 상기 가열부에 의해 가열되는 구간을 구분하는 차단부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 가열부는, 상기 블랭크받침부에 안착된 블랭크 소재의 제1구간을 가열하는 제1가열부와; 블랭크 소재의 폭방향 또는 길이방향을 따라 상기 제1가열부와 이격되게 배치되고, 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 블랭크 소재의 제2구간을 가열하는 제2가열부; 및 블랭크 소재의 폭방향 또는 길이방향을 따라 상기 제1가열부 및 상기 제2가열부와 이격되게 배치되고, 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 블랭크 소재의 제3구간을 가열하는 제3가열부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 차단부는, 상기 제1가열부와 상기 제2가열부 및 상기 제3가열부 사이에 구비되어 상기 제1가열부에 의해 가열되는 구간과 상기 제2가열부에 의해 가열되는 구간 및 상기 제3가열부에 의해 가열되는 구간을 구분하고, 상기 제1가열부와 인접되는 방향 또는 상기 제1가열부와 멀어지는 방향으로 위치 변화 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 차단부는, 블랭크 소재와 인접되는 방향 또는 블랭크 소재와 이격되는 방향으로 위치 변화 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따른 열간전단 방식의 부품성형방법은: 블랭크 소재를 마련하여 차등가열유닛에 안착시키는 안착단계와; 상기 차등가열유닛에서 블랭크 소재를 구분된 구간별로 가열량을 달리하여 가열하는 차등가열단계; 및 가열된 블랭크 소재를 열간 성형 및 전단하여 부품을 성형하는 핫스탬핑단계를 포함한다.
또한 상기 차등가열단계는, 차단부의 위치를 조절하여 블랭크 소재의 구간별 구분 위치를 조절하는 구간조절단계; 및 구분된 구간별로 가열량을 달리할 수 있도록 가열부의 온도를 조절하며 블랭크 소재를 가열하는 가열조절단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 가열조절단계는, 제1가열부가 블랭크 소재의 제1구간을 가열하고, 제2가열부가 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 상기 차단부에 의해 블랭크 소재의 제1구간과 구분된 블랭크 소재의 제2구간을 가열하며, 제3가열부가 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 상기 차단부에 의해 블랭크 소재의 제1구간과 구분된 블랭크 소재의 제3구간을 가열하고; 상기 구간조절단계는, 상기 차단부의 위치를 상기 제1가열부와 인접되는 방향 또는 제1가열부로부터 멀어지는 방향으로 변화시켜 블랭크 소재의 구간별 구분 위치를 조절하는 것이 바람직하다.
또한 상기 차단부의 위치를 블랭크 소재와 인접되는 방향 또는 블랭크 소재와 이격되는 방향으로 변화시켜 블랭크 소재의 각 구간 간의 온도 천이구간을 조절하는 것이 바람직하다.
또한 상기 핫스탬핑단계는, 가열된 블랭크 소재를 핫스탬핑유닛에 진입시키는 단계와; 상기 핫스탬핑유닛에 진입된 블랭크 소재를 열간 성형하는 단계와; 열간 성형된 블랭크 소재를 냉각하는 단계; 및 열간 성형된 블랭크 소재를 전단하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법에 따르면, 하나의 부품에 이종강도를 구현하는 부품을 성형할 수 있을 뿐 아니라, 각 구간 영역의 강도를 다양하게 구현하여 부품의 충돌 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 발명은 레이저 장비의 사용을 최소화하거나 또는 경우에 따라 전혀 사용하지 않고 프레스 금형을 사용하여 트림 작업을 수행할 수 있으므로, 레이저 장비에 수반되는 가공비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라, 레이저 가공에 소요되는 작업시간을 단축시킬 수 있어 단위 시간당 생산량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차등가열유닛이 블랭크 소재의 구간별 구분 위치에 따라 블랭크 소재를 가열하는 일례를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑유닛의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑유닛의 열간 성형 상태를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑유닛의 전단 상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법을 보여주는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차등가열단계를 보여주는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 성형단계를 보여주는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치에 의해 제조된 부품의 일례를 보여주는 도면이다.
도 10은 성형된 부품의 온도 영역별 인장강도의 분포를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 부품성형방법의 일 실시예를 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차등가열유닛이 블랭크 소재의 구간별 구분 위치에 따라 블랭크 소재를 가열하는 일례를 보여주는 도면이다. 또한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑유닛의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑유닛의 열간 성형 상태를 보여주는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑유닛의 전단 상태를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치(300)는 차등가열유닛(100)과 핫스탬핑유닛(200)을 포함한다.
차등가열유닛(100)은 블랭크 소재(1)를 구분된 구간별로 가열량을 달리하여 가열한다. 이러한 차등가열유닛(100)은 블랭크받침부(110)와, 가열부(120) 및 차단부(130)를 포함한다.
블랭크받침부(110)는 블랭크 소재(1)가 안착되도록 구비된다. 이러한 블랭크받침부(110)는 내열성 재질의 파이프가 수평방향으로 복수개 배열된 형태로 구비될 수 있으며, 블랭크 소재(1)가 안착되도록 블랭크 소재(1)를 하부에서 지지한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가열부(120)는 블랭크받침부(110)에 안착된 블랭크 소재(1)를 가열하도록 구비된다. 이러한 가열부(120)는 블랭크 소재(1)를 가열하되, 후술할 차단부(130)에 의해 구분된 구간별로 가열량을 달리할 수 있도록 블랭크 소재(1)를 가열한다. 본 실시예에서, 가열부(120)는 제1가열부(121)와, 제2가열부(123) 및 제3가열부(125)를 포함하는 것으로 예시된다.
제1가열부(121)는 블랭크받침부(110)에 안착된 블랭크 소재(1)의 제1구간(A)을 가열하도록 구비된다. 이러한 제1가열부(121)는 블랭크 소재(1)의 상부 또는 상하부에 배치될 수 있으며, 유도가열코일(미도시)을 구비하고 전자기 유도현상을 이용하여 블랭크 소재(1)를 가열할 수 있다.
제2가열부(123)는 블랭크받침부(110)에 안착된 블랭크 소재(1)의 폭방향 또는 길이방향을 따라 제1가열부(121)와 이격되게 배치된다. 이러한 제2가열부(123)는 제1가열부(121)와 가열량을 달리하며 블랭크 소재(1)의 제2구간(B)을 가열한다.
여기서 제2가열부(123)가 블랭크 소재(1)의 제2구간(B)을 가열한다는 것은, 제1가열부(121)에 의해 가열되는 블랭크 소재(1)의 제1구간(A)으로부터 차단부(130)에 의해 구분된 다른 구간(B)을 제2가열부(123)가 가열한다는 것을 의미한다.
제3가열부(125)는 블랭크받침부(110)에 안착된 블랭크 소재(1)의 폭방향 또는 길이방향을 따라 제1가열부(121) 및 제2가열부(123)와 이격되게 배치된다. 본 실시예에서, 제2가열부(123) 및 제3가열부(125)는 제1가열부(121)를 사이에 두고 제1가열부(121)의 양측에 이격되게 배치되는 것으로 예시된다. 이러한 제3가열부(125)는 제1가열부(121)와 가열량을 달리하며 블랭크 소재(1)의 제3구간(C)을 가열한다.
여기서 제3가열부(125)가 블랭크 소재(1)의 제3구간(C)을 가열한다는 것은, 제1구간(A) 또는 제2구간(B)으로부터 차단부(130)에 의해 구분된 다른 구간(C)을 제3가열부(125)가 가열한다는 것을 의미한다.
상기와 같은 제2가열부(123) 및 제3가열부(125)는, 제1가열부(121)와 마찬가지로, 블랭크 소재(1)의 상부 또는 상하부에 배치될 수 있으며, 유도가열코일(미도시)을 구비하고 전자기 유도현상을 이용하여 블랭크 소재(1)를 가열할 수 있다.
제2가열부(123)와 제3가열부(125)는 제1가열부(121)와 가열량을 달리하며 블랭크 소재(1)를 가열하되, 제2가열부(123)와 제3가열부(125)의 가열량은, 성형하고자 하는 부품의 특성에 따라 서로 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
본 실시예에서, 가열부(120)는 하나의 제1가열부(121)의 양측에 제2가열부(123)와 제3가열부(125)가 각각 구비되는 것으로 예시되나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 가열부(120)는 제1가열부(121) 내지 제3가열부(125) 중 적어도 어느 하나를 둘 이상 구비하는 형태일 수도 있으며, 제1가열부(121) 내지 제3가열부(125) 중 어느 하나가 생략된 형태일 수도 있는 등 다양한 변형 실시가 가능하다.
차단부(130)는 가열부(120)에 의해 가열되는 구간을 구분하도록 구비된다. 이러한 차단부(130)는, 제1가열부(121)와 제2가열부(123) 사이에 구비되어, 제1가열부(121)에 의해 가열되는 구간(A; 이하 "제1구간"이라 한다)과, 제2가열부(123)에 의해 가열되는 구간(B; 이하 "제2구간"이라 한다) 및 제3가열부(125)에 의해 가열되는 구간(C; 이하 "제3구간"이라 한다)을 구분한다.
이와 같이 제1구간(A) 내지 제3구간(C)을 구분하는 차단부(130)는, 제1구간(A)과 제2구간(B)과 제3구간(C) 사이를 막음으로써, 각 구간에서 가해지는 열이 다른 구간으로 전달되는 것을 차단한다.
상기와 같이 구비되는 차단부(130)는, 제1가열부(121)와 인접되는 방향 또는 제2가열부(123)로부터 멀어지는 방향(이하 "좌우방향"이라 한다)으로 위치 변화 가능하게 구비된다. 이처럼 위치 변화 가능하게 구비되는 차단부(130)는, 블랭크 소재(1)의 구간별 구분 위치를 조절함으로써 제1구간(A) 내지 제3구간(C)의 폭을 조절할 수 있다.
아울러 차단부(130)는, 블랭크 소재(1)와 인접되는 방향 또는 블랭크 소재(1)와 이격되는 방향(이하 "상하방향"이라 한다)으로 위치 변화 가능하게 구비된다. 이처럼 위치 변화 가능하게 구비되는 차단부(130)는, 블랭크 소재(1)의 각 구간 간의 온도 천이구간(C; 도 10 참조)을 조절할 수 있다.
핫스탬핑유닛(200)은 차등가열유닛(100)에서 가열된 블랭크 소재(1)를 열간 성형 및 전단하여 부품을 성형한다. 이러한 핫스탬핑유닛(200)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스플레이트(210)와, 베이스플레이트(210)에 고정되는 하부금형(220)과, 하부금형(220)에 대응하는 상부금형(230)과, 상부금형(230)을 승하강시키는 프레스 슬라이드(240)와, 프레스 슬라이드(240)와 상부금형(230)의 사이에 구비되는 탄성지지부(250)와, 하부금형(220)과 상부금형(230)의 외부로 노출된 블랭크 소재(1)를 절단하는 전단커터부(260)와, 블랭크 소재(1)가 안착되는 블랭크 홀더(270)와, 블랭크 홀더(270)를 승하강 가능하게 지지하는 완충핀(280)을 포함한다.
이와 같은 핫스탬핑유닛(200)은 성형온도로 가열된 블랭크 소재를 공급받아 소정의 형상으로 열간 성형함과 동시에 전단 작업을 수행하고, 성형된 제품을 급냉하여 강도를 향상시킬 수 있도록 구비된다.
하부금형(220)과 상부금형(230)은 서로 대응되는 코어와 캐비티를 구비한다. 또한 하부금형(220)과 상부금형(230)은 냉각을 위한 냉각홀(222,232)을 각각 구비한다. 각각의 냉각홀(222,232)은 냉매를 공급하는 냉각장치와 연결된다.
한편, 상부금형(230)은 탄성지지부(250)를 통해 프레스 슬라이드(240)와 연결된다. 탄성지지부(250)는 유압식 또는 기계식 스프링을 포함하는 형태로 구비될 수 있다. 탄성지지부(250)는 전단커터부(260)가 블랭크를 절단하기 이전에 상부금형(230)이 하부금형(220)에 맞물릴 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
전단커터부(260)는 상부금형(230)의 둘레에 전단날을 구비하여 상부금형(230)의 외부로 노출되어 있는 블랭크 소재(1)의 불필요부(1a; 도 5 참조)를 절단하는 역할을 수행한다. 이러한 전단커터부(260)는 프레스 슬라이드(240)에 고정되어 프레스 슬라이드(240)와 함게 승하강하게 된다.
즉 상부금형(230)이 하부금형(220)과 이격된 상태에서는 전단커터부(260)가 상부금형(230)보다 위쪽에 위치하게 되고, 프레스 슬라이드(240)가 완전히 하강한 상태에서는 전단커터부(260)가 상부금형(230)보다 아래쪽에 위치하게 된다. 여기서 전단커터부(260)가 상부금형(230)의 위쪽이나 아래쪽에 위치한다는 기준은 전단커터부(260) 하단이 상부금형(230)의 하단에 대한 상대적인 위치를 의미하는 것이다.
블랭크 홀더(270)는 블랭크 소재(1)를 안착 고정하는 역할을 수행한다.
블랭크 홀더(270)는 베이스 플레이트(210)에 완충핀(280)으로 연결되어 있다. 완충핀(280)은 블랭크 홀더(270)가 베이스 플레이트(210)에 승하강 연결되도록 한다. 완충핀(280)은 블랭크 홀더(270)가 베이스 플레이트(210)에 대하여 상승한 상태를 유지하도록 탄성력을 제공하는 방식, 또는 블랭크 홀더(270)를 베이스 플레이트(210)에 대하여 승하강 시키는 방식으로 구성될 수 있다. 완충핀(280)이 기계식으로 구성되는 경우 링크, 공압식 실린더, 유압식 실린더 등을 포함하는 형태로 구비될 수 있다.
이하, 핫스탬핑유닛(200)의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
블랭크 소재(1)가 핫스탬핑유닛(200)에 진입된 후, 프레스 슬라이드(240)가 하강함에 따라 상부금형(220)이 함께 하강하게 된다. 상부금형(220)은 프레스 슬라이드(240)와 탄성지지부(250)로 연결되어 있고, 탄성지지부(250)는 상부금형(220)을 프레스 슬라이드(240)와 이격시키는 방향으로 탄성력을 제공한다.
상부금형(220)이 블랭크 소재(1)에 접촉하기 전까지는 상부금형(220)은 프레스 슬라이드(240)와 동일하게 하강하게 된다.
상부금형(220)이 블랭크 소재(1)를 가압하여 성형을 시작하게 되면, 탄성지지부(250)는 수축력을 받게 된다. 그런데, 탄성지지부(250)의 반력은 블랭크 소재(1)의 가공시에 발생하는 반력보다 크게 설정되어 있다. 따라서 상부금형(220)과 하부금형(230)이 완전히 닫힐 때까지는 상부금형(220)은 프레스 슬라이드(240)와 함께 하강하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하부금형(220)과 상부금형(230)이 닫히게 되면, 형상 성형은 완료된 상태이므로 성형된 블랭크 소재(1)를 냉각시키게 된다. 여기서, 상부금형(230)과 하부금형(220)이 닫힌 상태라는 것은, 하부금형(220)과 상부금형(230)이 블랭크 소재(1)를 사이에 두고 밀착된 상태를 의미하는 것으로, 프레스 성형이 완료된 상태를 의미한다.
블랭크 소재(1)의 냉각은 금형 자체를 냉각시킴으로써 이루어진다. 하부금형(220)과 상부금형(230)에는 각각 냉각홀(222,232)이 형성되어 있어서, 냉각홀(222,232)에 냉매를 공급함으로써 하부금형(220)과 상부금형(230)을 냉각시킬 수 있다.
상기와 같이 상부금형(230)이 블랭크 소재(1)를 사이에 두고 하부금형(220)과 밀착하게 되면, 하부금형(220)은 베이스 플레이트(210)에 고정되어 있고, 베이스 플레이트(210)는 고정된 상태이기 때문에, 프레스 슬라이드(240)가 하강하더라도 상부금형(230)은 더 이상 하강할 수 없다. 따라서 이 후로는 프레스 슬라이드(240)가 하강함에 따라 상부금형(230)은 하강하지 못하므로, 탄성지지부(250)가 수축하게 된다.
탄성지지부(250)가 수축하게 되면, 프레스 슬라이드(240)가 상부금형(230)에 대하여 하강하게 되고, 전단커터부(260)는 프레스 슬라이드(240)에 고정되어 있기 때문에, 전단커터부(260)가 상부금형(230)에 대하여 하강하게 된다.
상기와 같이 열간 성형 및 냉각된 블랭크 소재(1)는 상부금형(230)과 하부금형(220)의 외부로 노출되는 불필요부(1a)를 포함하고 있다.
전단커터부(260)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부금형(230)에 대하여 하강하며, 하단의 전단날이 블랭크 소재(1)를 통과하며 블랭크 소재(1)의 불필요부(1a)를 절단하게 된다.
전단커터부(260)는 절단 과정에서 블랭크 홀더(270)와 간섭하게 되는데, 블랭크 홀더(270)는 완충핀(280)에 의하여 베이스플레이트(210)에 연결되어 있으므로, 전단커터부(260)가 하강함에 따라 블랭크 홀더(270)도 함께 하강하게 된다.
전단커터부(260)의 하강으로 절단이 완료되면 절단된 불필요부(1a)는 외부로 배출되는 것이 바람직하다. 이를 위해 블랭크 홀더(270)의 양측에는 불필요부(1a)의 배출을 안내하는 스크랩슈(290)가 구비될 수 있다. 스크랩슈(290)는 불필요부(1a)가 일정한 경로로 배출될 수 있도록 경사판의 형태를 가질 수 있다.
전단커터부(260)의 하강은 블랭크 소재(1)의 냉각 과정에서 연속적으로 이루어지는 것이 바람직하다. 블랭크 소재(1)가 완전히 냉각되면 강도가 증가하여 전단커터부(260)에 의한 절단이 용이하지 않기 때문이다.
전단커터부(260)의 절단 동작이 완료되고, 블랭크 소재(1)의 냉각이 완료되면, 프레스 슬라이드(240)를 상승시켜 성형이 완료된 부품을 취출하게 된다. 프레스 슬라이드(240)가 상승하면 완충핀(280)의 동작으로 블랭크 홀더(270)가 대기 상태의 위치로 복원된다. 그리고 상부금형(230)은 탄성지지부(250)의 동작으로 대기 상태의 위치로 복원된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법을 보여주는 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차등가열단계를 보여주는 흐름도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 성형단계를 보여주는 흐름도이다. 또한 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치에 의해 제조된 부품의 일례를 보여주는 도면이고, 도 10은 성형된 부품의 온도 영역별 인장강도의 분포를 보여주는 그래프이며, 도 11은 성형된 부품의 온도 영역별 경도의 분포를 보여주는 그래프이다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법에 따라 부품을 성형하기 위해서는, 먼저 블랭크 소재(1)를 마련하여 차등가열유닛(100), 좀 더 구체적으로는 블랭크받침부(110)에 블랭크 소재(1)를 안착시킨다(S10). 차등가열유닛(100)에 블랭크 소재(1)가 안착되면, 차등가열유닛(100)에서 블랭크 소재(1)를 구분된 구간별로 가열량을 달리하여 가열한다(S20). 이를 좀 더 구체적으로 설명하면(도 1 및 도 2 참조),
블랭크 소재(1)가 가열부(120)의 상부 또는 하부에 위치되도록 블랭크받침부(110)에 안착된 상태에서, 차단부(130)의 위치를 조절하여 블랭크 소재(1)의 구간별 구분 위치를 조절한다(S21).
이와 같은 차단부(130)의 위치 조절은, 제1가열부(121)와 제2가열부(123) 및 제3가열부(125) 사이에 각각 구비된 차단부(130)를 좌우방향 및 상하방향으로 위치를 변화시킴으로써 이룰 수 있다.
즉 차단부(130)를 좌우방향으로 위치를 변화시켜 블랭크 소재(1)의 구간별 구분 위치를 조절함으로써, 제1가열부(121)에 의해 가열되는 제1구간(A)과, 제2가열부(123)에 의해 가열되는 제2구간(B) 및 제3가열부(125)에 의해 가열되는 제3구간(C)의 폭을 조절할 수 있다.
이와 함께 차단부(130)를 상하방향으로 위치를 변화시켜 차단부(130)와 블랭크 소재(1) 간의 이격 거리를 조절하고, 이를 통해 각 가열부(121,123,125)의 열이 인접한 다른 구간(A,B,C)에 미치는 강도 및 영역의 폭을 조절함으로써, 블랭크 소재(1)의 각 구간 간의 온도 천이구간(T)의 폭 및 온도 천이구간(T)에서의 온도 변화 구배의 양상을 조절할 수 있다.
즉 차단부(130)의 위치를 좌우방향 및 상하방향으로 적절히 조절함으로써, 제1구간(A) 내지 제3구간(C) 각각의 폭, 그리고 블랭크 소재(1)의 각 구간 간의 온도 천이구간(T)의 폭 및 온도 천이구간(T)에서의 온도 변화 구배의 양상을 조절할 수 있다.
이와 같이 제1구간(A) 내지 제3구간(C) 각각의 폭, 그리고 각 구간 간의 온도 천이구간(T)의 폭 및 온도 천이구간(T)에서의 온도 변화 구배의 양상을 조절함으로써, 성형하고자 하는 부품 상에서 서로 다른 강도를 갖는 영역 간의 경계 위치를 필요에 따라 다양하게 변화시킬 수 있고, 온도 천이구간(T)에서의 온도 변화가 적절한 폭으로 안정적인 직선 형태의 구배를 이룰 수 있도록 조절할 수 있다.
이로써, 하나의 부품 상에서 서로 다른 강도를 갖는 각 구간의 영역을 다양하게 조절할 수 있고, 서로 다른 강도를 갖는 각 영역 간의 연결 부위가 결함 없이 안정적으로 연결된 부품을 성형할 수 있게 된다.
상기와 같이 블랭크 소재(1)의 구간별 구분 위치가 조절되면, 구분된 구간별로 가열량을 달리할 수 있도록 가열부(120)의 온도를 조절하며 블랭크 소재(1)를 가열한다(S23).
이 과정에서, 제1가열부(121)는 블랭크 소재(1)의 제1구간(A)을 가열하고, 제2가열부(123) 및 제3가열부(125)는 제1가열부(121)와 가열량을 달리하며 블랭크 소재(1)의 제2구간(B)과 제3구간(C)을 각각 가열한다.
본 실시예에서, 제1가열부(121)는 블랭크 소재(1)의 제1구간(A)이 약 950℃의 온도로 가열되도록 블랭크 소재(1)의 제1구간(A)을 가열하고, 제2가열부(123) 및 제3가열부(125)는 블랭크 소재(1)의 제2구간(B) 및 제3구간(C)이 약 720℃의 온도로 가열되도록 블랭크 소재(1)의 제2구간(B) 및 제3구간(C)을 각각 가열하는 것으로 예시된다.
이 외에도, 제1가열부(121) 및 제2가열부(123)의 개수 및 각각의 가열온도를 다양하게 조절함으로써, 각 구간 영역의 강도를 다양하게 구현할 수 있다.
상기와 같이 블랭크 소재(1)의 가열을 수행한 후, 가열된 완료된 블랭크 소재(1)를 열간 성형 및 전단하여 부품을 성형한다(S30). 가열된 완료된 블랭크 소재(1)의 열간 성형 및 전단 과정은 핫스탬핑유닛(200)에 의해 다음과 같이 이루어질 수 있다.
먼저 가열된 블랭크 소재(1)를 핫스탬핑유닛(200)에 진입시키면(S31), 핫스탬핑유닛(200)은 핫스탬핑(200)에 진입된 블랭크 소재(1)를 열간 성형한다(S33). 이러한 열간 성형은, 블랭크 소재(1)가 핫스탬핑유닛(200)에 진입된 후, 프레스 슬라이드(240)가 하강함에 따라 상부금형(220)이 함께 하강하면서 블랭크 소재(1)를 가압하는 동안 이루어지며, 하부금형(220)과 상부금형(230)이 닫히면서 완료된다(도 4 참조).
그런 다음, 열간 성형된 블랭크 소재(1)를 냉각한다(S35). 블랭크 소재(1)의 냉각은 금형 자체를 냉각시킴으로써 이루어질 수 있으며, 금형의 냉각은 하부금형(220)과 상부금형(230)에 각각 형성된 냉각홀(222,232)에 냉매를 공급함으로써 하부금형(220)과 상부금형(230)을 냉각시킴으로써 이루어질 수 있다.
이와 함께, 열간 성형된 블랭크 소재(1)를 전단함으로써 블랭크 소재(1)의 불필요부(1a)를 절단하여 제거한다(S37)(도 5 참조).
블랭크 소재(1)의 전단은, 전단커터부(260)의 하강에 의해 전단커터부(260) 하단의 전단날이 블랭크 소재(1)를 통과하며 블랭크 소재(1)의 불필요부(1a)를 절단함으로써 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기와 같은 전단 과정은 블랭크 소재(1)의 냉각 과정에서 연속적으로 이루어지는 것으로 예시된다. 이와 같이 전단 과정이 블랭크 소재(1)의 냉각 과정에서 연속적으로 이루어짐으로써, 블랭크 소재(1)가 완전히 냉각되어 블랭크 소재(1)의 강도가 커지기 전에 전단커터부(260)에 의한 절단이 쉽고 효과적으로 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
상기와 같은 전단 과정에 따르면, 전단커터부(260)의 하강에 의해 블랭크 소재(1)의 불필요부(1a)를 대부분 효과적으로 제거할 수 있으므로, 레이저 장비의 사용을 최소화하거나 또는 경우에 따라 전혀 사용하지 전단 작업을 완료할 수 있게 된다.
냉각 및 절단 과정이 완료되면, 프레스 슬라이드(240)를 상승시켜 성형이 완료된 부품을 취출한다(S40).
상기와 같이 성형되는 부품은, 블랭크 소재(1)의 구분된 구간별로 서로 다른 물성을 보이게 된다. 예를 들어 제1가열부(121)에 의해 상대적으로 높은 온도로 가열된 제1구간(A) 영역은, 상대적으로 높은 강도를 갖는 특성을 보이게 되며, 제2가열부(123)에 의해 제1구간(A)보다 상대적으로 낮은 온도로 가열된 제2구간(B) 및 제3구간(C) 영역은, 제1구간(A) 영역에 비해 상대적으로 낮은 강도를 갖는 특성을 보이게 된다(도 10 및 도 11 참조).
이와 같은 특성을 갖도록 성형되는 부품은, 하나의 부품에서 서로 다른 이종강도를 갖게 된다. 구체적으로, 제1구간(A) 영역에서는 차량 충돌 또는 전복시 탑승자의 생존공간 확보를 위해 형상유지가 필요한 부분에 적합하도록 높은 강도를 갖는 특성을 보이게 되며, 제2구간(B) 및 제3구간(C) 영역에서는 차량 충돌 또는 전복시 에너지를 흡수해야 하는 부분에 적합하도록 약한 강도를 갖는 특성을 보이게 된다.
즉 본 실시예의 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법에 따라 성형되는 부품은, 차량 충돌 또는 전복시 탑승자의 생존공간 확보를 위해 형상유지가 필요한 부분과 에너지를 흡수해야 하는 부분이 하나의 부품에 함께 형성됨으로써, 하나의 부품만으로 충돌 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
한편 본 실시예에서는, 제1구간(A) 영역은 약 950℃의 온도로 가열되어 약 1500MPa 정도의 인장강도를 가지며, 제2구간(B) 제3구간(C) 영역은 약 720℃의 온도로 가열되어 약 600MPa 정도의 인장강도를 갖는 것으로 예시되나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따르면 제1가열부(121) 내지 제3가열부(125)의 개수 및 각각의 가열온도를 다양하게 조절함으로써, 각 구간 영역의 강도를 다양하게 구현할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 실시예의 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법에 따르면, 하나의 부품에 이종강도를 구현하는 부품을 성형할 수 있을 뿐 아니라, 각 구간 영역의 강도를 다양하게 구현하여 부품의 충돌 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시예의 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치 및 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법에 따르면, 레이저 장비의 사용을 최소화하거나 또는 경우에 따라 전혀 사용하지 않고 프레스 금형을 사용하여 트림 작업을 수행할 수 있으므로, 레이저 장비에 수반되는 가공비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라, 레이저 가공에 소요되는 작업시간을 단축시킬 수 있어 단위 시간당 생산량을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 차등가열유닛 110 : 블랭크받침부
120 : 가열부 121 : 제1가열부
123 : 제2가열부 125 : 제3가열부
130 : 차단부 200 : 핫스탬핑유닛
210 : 베이스플레이트 220 : 하부금형
222,232 : 냉각홀 230 : 상부금형
240 : 프레스 슬라이드 250 : 탄성지지부
260 : 전단커터부 270 : 블랭크 홀더
280 : 완충핀 290 : 스크랩슈
300 : 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치

Claims (10)

  1. 블랭크 소재를 구분된 구간별로 가열량을 달리하여 가열하는 차등가열유닛; 및
    상기 차등가열유닛에서 가열된 블랭크 소재를 열간 성형 및 전단하여 부품을 성형하는 핫스탬핑유닛을 포함하고,
    상기 차등가열유닛은,
    블랭크 소재가 안착되는 블랭크받침부;
    상기 블랭크받침부에 안착된 블랭크 소재를 가열하되, 구분된 구간별로 가열량을 달리할 수 있도록 블랭크 소재를 가열하는 가열부; 및
    상기 가열부에 의해 가열되는 구간을 구분하는 차단부를 포함하고,
    상기 가열부는,
    상기 블랭크받침부에 안착된 블랭크 소재의 제1구간을 가열하는 제1가열부;
    블랭크 소재의 폭방향 또는 길이방향을 따라 상기 제1가열부와 이격되게 배치되고, 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 블랭크 소재의 제2구간을 가열하는 제2가열부; 및
    블랭크 소재의 폭방향 또는 길이방향을 따라 상기 제1가열부 및 상기 제2가열부와 이격되게 배치되고, 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 블랭크 소재의 제3구간을 가열하는 제3가열부를 포함하고,
    상기 차단부는, 상기 제1가열부와 상기 제2가열부 및 상기 제3가열부 사이에 구비되어 상기 제1가열부에 의해 가열되는 구간과 상기 제2가열부에 의해 가열되는 구간 및 상기 제3가열부에 의해 가열되는 구간을 구분하고, 상기 제1가열부와 인접되는 방향 또는 상기 제1가열부와 멀어지는 방향으로 위치 변화 가능하게 구비되며, 블랭크 소재와 인접되는 방향 또는 블랭크 소재와 이격되는 방향으로 위치 변화 가능하게 구비되고,
    상기 차단부는, 상기 제1가열부와 인접되거나 멀어지는 방향 및 블랭크 소재와 인접되거나 이격되는 방향으로 위치가 조절되어 블랭크 소재의 각 구간 간의 온도 천이구간의 폭 및 온도 천이구간에서의 온도 변화 구배의 양상을 조절하는 것을 특징으로 하는 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 블랭크 소재를 마련하여 차등가열유닛에 안착시키는 안착단계;
    상기 차등가열유닛에서 블랭크 소재를 구분된 구간별로 가열량을 달리하여 가열하는 차등가열단계; 및
    가열된 블랭크 소재를 열간 성형 및 전단하여 부품을 성형하는 핫스탬핑단계를 포함하고,
    상기 차등가열단계는,
    차단부의 위치를 조절하여 블랭크 소재의 구간별 구분 위치를 조절하는 구간조절단계; 및
    구분된 구간별로 가열량을 달리할 수 있도록 가열부의 온도를 조절하며 블랭크 소재를 가열하는 가열조절단계를 포함하고,
    상기 가열조절단계는, 제1가열부가 블랭크 소재의 제1구간을 가열하고, 제2가열부가 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 상기 차단부에 의해 블랭크 소재의 제1구간과 구분된 블랭크 소재의 제2구간을 가열하며, 제3가열부가 상기 제1가열부와 가열량을 달리하며 상기 차단부에 의해 블랭크 소재의 제1구간과 구분된 블랭크 소재의 제3구간을 가열하고;
    상기 구간조절단계는, 상기 차단부의 위치를 상기 제1가열부와 인접되거나 멀어지는 방향 및 블랭크 소재와 인접되거나 이격되는 방향으로 변화시켜 블랭크 소재의 각 구간 간의 온도 천이구간의 폭 및 온도 천이구간에서의 온도 변화 구배의 양상을 조절하는 것을 특징으로 하는 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서, 상기 핫스탬핑단계는,
    가열된 블랭크 소재를 핫스탬핑유닛에 진입시키는 단계;
    상기 핫스탬핑유닛에 진입된 블랭크 소재를 열간 성형하는 단계;
    열간 성형된 블랭크 소재를 냉각하는 단계; 및
    열간 성형된 블랭크 소재를 전단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소재 차등가열 및 열간전단 방식의 부품성형방법.
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