KR101734474B1 - 열간 프레스 성형장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 열간 프레스 성형시 성형소재의 표면에 냉각수를 직접 접촉하도록 냉각유로를 형성하고, 성형소재의 표면에 공급되는 냉각수의 흐름을 균일하게 유지하도록 자동으로 제어하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 열간 프레스 성형장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치는 성형소재와 면접촉하여 가압 성형하는 제1 성형부를 갖는 제1 금형, 제1 성형부에 대응하는 제2 성형부를 갖고 제1 금형과의 사이에 개재된 성형소재를 가압하는 제2 금형, 제1 금형과 제2 금형 중 적어도 어느 하나의 금형 내부에 형성되어 금형을 냉각하도록 제1 냉각수의 흐름을 안내하는 제1 냉각유로, 제1 냉각유로와는 별도로 제1 성형부의 표면과 제2 성형부의 표면 중 적어도 어느 하나의 성형부를 통해 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 형성되어 제2 냉각수의 흐름을 안내하는 제2 냉각유로, 그리고 성형소재의 열간 성형중에 제2 냉각유로를 통해 공급되는 제2 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 공급 단속부를 포함한다.

Description

열간 프레스 성형장치 및 방법{HOT PRESS FORMING APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 열간 프레스 성형장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 열간 프레스 성형(HPF ; Hot Press Forming) 공정은 성형소재를 가열한 후 프레스로 이송 및 성형하고, 성형소재를 냉각함으로써 상변태에 의해 초기 강도를 증가시키는 성형 공정이다. 여기서 열간 프레스 성형시 성형소재의 냉각을 위해서는 금형의 온도를 100℃ 이하의 저온으로 유지할 필요가 있다. 따라서, 종래에는 금형 내부에 냉각유로를 가공하여 냉각수를 유동시킴에 따라 금형을 냉각시키는 간접 냉각 방식을 사용하였다.

그런데, 이와 같은 간접 냉각 방식은 직접적으로 성형소재를 냉각시키는 방식이 아니며, 금형의 온도를 저온으로 유지하는 기능에 한정되었다. 그리고 냉각수 분사노즐을 사용하는 경우 금형이 닫혔을 때 금형과 성형소재가 가압되므로 분사노즐에 의한 냉각수 분사는 제한되었다. 결국 분사노즐의 노즐 구멍 크기만큼만 냉각수가 접촉하게 되었다. 따라서 성형소재 전체의 균일한 냉각이 되지 않고 국부적인 냉각으로 인해 성형제품의 균일성이 떨어지고 성형후의 성형제품의 변형이 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 열간 프레스 성형시 성형소재의 표면에 냉각수를 직접 접촉하도록 냉각유로를 형성하고, 성형소재의 표면에 공급되는 냉각수의 흐름을 균일하게 유지하도록 자동으로 제어하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 열간 프레스 성형장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치는 성형소재와 면접촉하여 가압 성형하는 제1 성형부를 갖는 제1 금형, 제1 성형부에 대응하는 제2 성형부를 갖고 제1 금형과의 사이에 개재된 성형소재를 가압하는 제2 금형, 제1 금형과 제2 금형 중 적어도 어느 하나의 금형 내부에 형성되어 금형을 냉각하도록 제1 냉각수의 흐름을 안내하는 제1 냉각유로, 제1 냉각유로와는 별도로 제1 성형부의 표면과 제2 성형부의 표면 중 적어도 어느 하나의 성형부를 통해 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 형성되어 제2 냉각수의 흐름을 안내하는 제2 냉각유로, 그리고 성형소재의 열간 성형 중에 제2 냉각유로를 통해 공급되는 제2 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 공급 단속부를 포함한다.

이때, 제2 냉각유로는 제1 금형에만 형성될 수 있다. 그리고 제2 냉각유로는 성형소재의 형상에 대응하여 제1 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 제2 냉각수가 흐르도록 서로 연결되게 형성된 격자형의 오목한 홈 형상의 표면 냉각채널을 포함할 수 있다. 이때, 제2 냉각유로는 표면 냉각채널의 바닥면을 따라 서로 간격을 두고 복수 개로 구비되어 제2 냉각수가 분출되는 분출구를 더 포함할 수 있다. 그리고 제2 냉각유로는 제1 금형의 측면에 복수 개로 형성되어 외부로부터 제1 금형의 내부로 제2 냉각수의 유입을 각각 안내하는 유입구, 그리고 제1 금형의 내부에서 복수 개의 유입구와 복수 개의 분출구를 각각 연결하여 제2 냉각수의 흐름이 성형소재의 표면으로 골고루 분출되도록 안내하는 냉각수 공급통로를 더 포함할 수 있다.

한편, 제2 냉각유로는 제2 금형에도 형성되며, 성형소재의 열간 성형 중에 성형소재의 형상에 대응하여 제2 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 제2 냉각수가 흐르도록 서로 연결되게 형성된 격자형의 오목한 홈 형상의 표면 냉각채널을 포함할 수 있다.

한편, 냉각수 공급 단속부는 냉각수 공급통로에 구비되어 외부로부터 입력되는 냉각수 단속 제어신호에 의해 구동되며, 성형소재의 표면으로 공급되는 제2 냉각수의 공급을 단속하는 냉각수 제어밸브, 그리고 성형소재가 제1 금형과 제2 금형의 사이에서 성형되는 시점과 동시에 냉각수 제어밸브로 냉각수 공급 제어신호를 공급하여 제2 냉각수의 공급량을 제어하는 냉각수 제어부를 포함할 수 있다. 여기서, 냉각수 제어부는 미리 설정된 시간 동안 냉각수 제어밸브로 냉각수 공급 제어신호를 공급하여 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 제2 냉각수의 흐름을 유지할 수 있다. 그리고 냉각수 제어부는 성형소재가 제1 금형과 제2 금형의 사이에서 성형 완료된 시점과 동시에 냉각수 제어밸브로 냉각수 차단 제어신호를 공급하여 제2 냉각수의 공급을 차단할 수 있다.

한편, 성형소재와 면접촉하는 제1 성형부를 갖는 제1 금형과 제1 성형부에 대응하는 제2 성형부를 갖는 제2 금형으로 성형소재를 가압하는 단계, 제1 금형과 제2 금형 중 적어도 어느 하나의 금형 내부에 형성된 제1 냉각유로를 통해 금형을 냉각하도록 제1 냉각수의 흐름을 안내하는 제1 냉각단계, 그리고 제1 성형부의 표면과 제2 성형부의 표면 중 적어도 어느 하나의 성형부를 통해 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 형성된 제2 냉각유로로 공급되는 제2 냉각수의 흐름을 단속하는 제2 냉각단계를 포함하며, 제2 냉각단계는 성형소재가 제1 금형과 제2 금형의 사이에서 성형되는 시점에서 제2 냉각수의 공급을 시작하는 단계, 그리고 미리 설정된 시간 동안 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 제2 냉각수의 흐름을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

그리고 성형소재가 제1 금형과 제2 금형의 사이에서 성형 완료된 시점에서 제2 냉각수의 공급을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예는 복수의 냉각유로가 형성된 열간 프레스 성형 금형을 이용하여 가열된 성형소재의 표면에 접촉되는 냉각수를 균일하게 공급하여 성형소재의 급속 냉각으로 고강도강을 형성할 수 있다.

또한, 기존의 열간 프레스 성형 냉각유로와 별개의 냉각유로를 구성하고 성형소재의 표면에 직접 냉각수가 접촉하도록 개선하여 가열된 성형소재를 더 빠르게 급랭함으로써 냉각시간을 단축할 수 있다.

또한, 성형소재의 가압시기에 맞게 성형소재의 표면으로 공급되는 냉각수의 흐름을 자동 제어하여 열간 프레스 성형의 작업성이 용이하고 성형시간 단축에 의한 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 성형부 표면에 형성된 냉각유로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치의 성형부 표면에 형성된 냉각유로를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형된 성형제품의 인장강도를 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형된 성형제품의 조직을 촬영한 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치(10)는 제1 금형(100), 제2 금형(200), 제1 냉각유로(102, 104, 106), 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510), 냉각수 공급 단속부(300, 400)를 포함한다.

제1 금형(100)은 성형소재(20)와 면접촉하여 가압 성형하는 제1 성형부를 갖는다.

제2 금형(200)은 제1 성형부에 대응하는 제2 성형부를 갖고 제1 금형(100)과의 사이에 개재된 성형소재(20)를 가압한다.

제1 냉각유로(102, 104, 106)는 제1 금형(100)과 제2 금형(200) 중 적어도 어느 하나의 금형 내부에 형성되어 금형을 냉각하도록 제1 냉각수의 흐름을 안내한다. 제1 냉각유로(102, 104, 106)는 제1 냉각수가 제1 금형(100)의 내부로 유입되도록 안내하는 유입구(102), 제1 금형(100)을 냉각시킨 제1 냉각수가 배출되도록 안내하는 배출구(104), 제1 금형(100)의 내부에서 유입구(102)와 배출구(104)를 연결하여 제1 금형(100)을 냉각시키는 제1 냉각수의 흐름을 안내하는 냉각통로(106)를 포함한다.

제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제1 냉각유로(102, 104, 106)와는 별도로 구비된다. 즉, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제1 금형(100)의 내부를 냉각시키는 제1 냉각유로(102, 104, 106)와 별개로 구비된다. 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제1 성형부의 표면과 제2 성형부의 표면 중 적어도 어느 하나의 성형부에 형성되어 성형소재(20)에 제2 냉각수가 직접 접하도록 제2 냉각수의 흐름을 안내한다. 도 1을 참조하면, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제1 금형(100)에만 형성될 수 있다. 필요한 경우, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제2 금형(200)에도 형성될 수 있다. 그리고 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제2 냉각수가 저장되는 물탱크를 포함할 수 있다. 그리고 도 1에 도시한 바와 같이 물탱크 내부 또는 외부에서 제2 냉각수가 공급되는 공급라인에 설치되어 제2 냉각수 온도를 조절하는 칠러(chiller, 500)를 더 포함할 수도 있다. 칠러(500)는 산업전반에 걸쳐서 다양하게 활용되는 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 한편, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 냉각수 공급통로(510)로 유입된 제2 냉각수가 표면 냉각채널(110)로 공급되기 전에 일시적으로 제2 냉각수를 저장하는 공급 완충부를 포함할 수 있다. 공급 완충부는 냉각수 공급통로(510)와 표면 냉각채널(110)의 사이에 구비되어 제2 냉각수를 표면 냉각채널(110)로 보다 균일하게 공급하는 구조이면 바람직하다.

냉각수 공급 단속부(300, 400)는 성형소재(20)의 열간 성형 중에 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)를 통해 공급되는 제2 냉각수의 흐름을 단속한다. 냉각수 공급 단속부(300, 400)는 냉각수 제어밸브(300), 냉각수 제어부(400)를 포함한다. 냉각수 제어밸브(300)는 냉각수 공급통로(510)에 구비되어 외부로부터 입력되는 냉각수 단속 제어신호에 의해 구동되며, 성형소재(20)의 표면으로 공급되는 제2 냉각수의 공급을 단속한다. 냉각수 제어밸브(300)는 서보모터의 구동에 연동되어 냉각수 공급통로(510)를 개폐하는 유량 제어밸브로 형성될 수 있다.

냉각수 제어부(400)는 성형소재(20)가 제1 금형(100)과 제2 금형(200)의 사이에서 성형되는 시점과 동시에 냉각수 제어밸브(300)로 냉각수 공급 제어신호를 공급하여 제2 냉각수의 공급량을 제어한다. 냉각수 제어부(400)는 미리 설정된 시간 동안 냉각수 제어밸브(300)로 냉각수 공급 제어신호를 공급하여 성형소재(20)에 제2 냉각수가 직접 접하도록 제2 냉각수의 흐름을 유지할 수 있다. 그리고 냉각수 제어부(400)는 성형소재(20)가 제1 금형(100)과 제2 금형(200)의 사이에서 성형 완료된 시점과 동시에 냉각수 제어밸브(300)로 냉각수 차단 제어신호를 공급하여 제2 냉각수의 공급을 차단할 수 있다.

상기한 바와 같이 고온의 성형소재(20)를 열간 프레스 성형하기 위해 제1 금형(100)과 제2 금형(200) 사이에 배치하고, 제1 금형(100)의 제1 성형부와 제2 금형(200)의 제2 성형부의 표면이 성형소재(20)를 가압해 열간 프레스 성형하는 동안에만 제2 냉각수를 공급하여 성형소재(20)의 표면으로 분출함으로써 성형소재(20)를 강제 냉각할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치(10)의 성형부 표면에 형성된 냉각유로를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형장치(10)의 성형부 표면에 형성된 냉각유로를 도시한 사시도이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 성형소재(20)의 형상에 대응하여 제1 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 제2 냉각수가 흐르도록 서로 연결되게 형성된 격자형의 오목한 홈 형상의 표면 냉각채널(110)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 표면 냉각채널(110)의 바닥면을 따라 서로 간격을 두고 복수 개로 구비되어 제2 냉각수가 분출되는 분출구(112)를 더 포함할 수 있다. 분출구(112)를 통해 제2 냉각수가 분출되어 표면 냉각채널(110)의 오목한 홈의 바닥면을 따라 흐르게 된다. 표면 냉각채널(110)은 제1 성형부의 표면에서 성형소재(20)의 형상에 대응하여 격자형으로 형성됨에 따라 제2 냉각수는 제1 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 공급될 수 있다. 그리고 표면 냉각채널(110)을 따라 공급되는 제2 냉각수는 성형소재(20)에 직접 접촉하게 됨으로써 보다 빠르게 성형소재(20)를 고르게 냉각시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 성형소재(20)의 형상에 대응하여 제1 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 제2 냉각수가 흐르도록 표면 냉각채널(110)을 구비함으로써 열간 프레스 성형시 성형소재(20)의 표면에 냉각수를 직접 접촉하도록 하고, 성형소재(20)의 표면에 공급되는 냉각수의 흐름을 균일하게 유지하도록 하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

제2 냉각수가 분출되는 분출구(112)는 표면 냉각채널(110)에서 오목한 홈의 바닥면에 설치한 것을 예시로 설명하였지만, 바닥면뿐만 아니라 세로벽면의 양쪽에 설치할 수도 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제1 냉각유로(102, 104, 106)와는 별도로 형성된다. 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제1 금형(100)의 측면에 유입구(114)가 형성되며, 제1 냉각유로(102, 104, 106)와는 달리 별도의 배출구는 없다. 다만, 유입구(114)와 냉각수 공급통로(510)로 연결되는 분출구를 통해 제2 냉각수가 성형소재(20)의 표면에 직접 접촉하는 구조이다.

유입구(114)는 복수 개로 형성되어 외부로부터 제1 금형(100)의 내부로 제2 냉각수의 유입을 각각 안내한다.

냉각수 공급통로(510)는 제1 금형(100)의 내부에서 복수 개의 유입구(114)와 복수 개의 분출구를 각각 연결하여 제2 냉각수의 흐름이 성형소재(20)의 표면으로 골고루 분출되도록 안내한다.

한편, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 제2 금형(200)에도 형성될 수 있다. 제2 금형(200)에도 제2 냉각유로를 형성함에 따라 성형소재(20)의 냉각효율을 더 향상시킬 수 있다. 제2 금형(200)에 형성되는 제2 냉각유로는 성형소재(20)의 형상에 대응하여 제2 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 제2 냉각수가 흐르도록 격자형의 오목한 홈 형상으로 형성되는 표면 냉각채널(110)을 포함할 수 있다. 제2 금형(200)에 형성되는 제2 냉각유로는 제1 금형(100)에 형성되는 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)와 동일하게 형성될 수 있다. 따라서, 제2 금형(200)에 형성될 수 있는 제2 냉각유로에 대한 상세 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형방법은 전술한 열간 프레스 성형장치(10)를 이용하여 가열된 성형소재(20)를 가압해 열간 프레스 성형하는 동안에만 제2 냉각수를 공급하여 성형소재(20)의 표면으로 분출함으로써 성형소재(20)를 강제 냉각할 수 있다.

먼저, 성형소재(20)가 가열된 상태를 가정한다(S10). 이후 고온의 성형소재(20)를 열간 프레스 성형하기 위해 제1 금형(100)과 제2 금형(200) 사이에 배치한다(S20). 그리고 제1 금형(100)의 제1 성형부와 제2 금형(200)의 제2 성형부의 표면이 성형소재(20)를 가압한다(S30). 그러면, 냉각수 제어부(400)는 성형소재(20)가 제1 금형(100)과 제2 금형(200)의 사이에서 성형되는 시점과 동시에 냉각수 제어밸브(300)로 냉각수 공급 제어신호를 공급하여 제2 냉각수의 공급량을 제어한다. 냉각수 제어밸브(300)는 냉각수 제어부(400)로부터 입력되는 냉각수 공급 제어신호에 의해 구동되며, 냉각수 공급통로(510)를 개방하여 성형소재(20)의 표면으로 제2 냉각수를 공급한다. 냉각수 제어부(400)는 미리 설정된 시간 동안 성형소재(20)에 제2 냉각수가 직접 접하도록 제2 냉각수의 흐름을 제어할 수 있다(S40). 이때, 제2 냉각수가 공급되는 시간은 8초로 설정할 수 있다. 본 발명의 실시예와 같이 직분사 냉각방식을 적용하여 성형소재(20)의 표면에 직분사하는 성형시간을 2초, 4초, 6초로 하는 경우에도 높은 인장강도 값을 가질 수 있다. 다만, 이때는 냉각 시점의 금형 온도가 50도 이상이 된다. 따라서, 냉각 시점의 금형 온도를 50도 이하의 냉각온도로 유지하는 조건으로 설정할 경우 성형소재(20)의 표면에 냉각수를 직분사하는 성형시간은 8초가 가장 바람직하다. 냉각수 공급통로(510)를 통해 공급되는 제2 냉각수의 공급시간은 타이머에 의해 측정되어 자동으로 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 성형소재(20)의 성형시점과 동시에 제2 냉각수가 흐르는 동작은 열간 프레스의 가압시점을 측정하는 타이머와 제2 냉각수가 공급되는 시간을 측정하는 타이머를 이용하여 제어할 수 있다. 그리고 서보모터의 구동으로 개폐되는 냉각수 제어밸브(300)의 열림과 닫힘이 자동으로 이루어져 제2 냉각수의 투입량과 시간을 조절 가능하도록 할 수 있다. 즉, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)는 기존 열간 프레스 성형시 구비된 금형의 제1 냉각유로(102, 104, 106)와 별개의 유로이며, 열간 프레스 작동에 의해 성형소재(20)가 성형되는 시간에만 제2 냉각수가 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)를 통해 공급되도록 자동으로 제어될 수 있다.

한편, 냉각수 제어부(400)는 성형소재(20)가 제1 금형(100)과 제2 금형(200)의 사이에서 성형 완료된 시점과 동시에 냉각수 제어밸브(300)로 냉각수 차단 제어신호를 공급하여 제2 냉각수의 공급을 차단할 수 있다(S50). 제1 금형(100)의 제1 성형부와 제2 금형(200)의 제2 성형부의 사이에서 가압 성형이 완료되어 성형소재(20)가 성형제품으로 완성되면 다음 공정으로 이송된다(S60).

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 열간 프레스 성형장치(10)와 방법을 이용하여 고강도강을 형성하는 성형제품을 제작할 수 있다. 즉, 성형소재(20)의 표면에 직접 냉각수를 공급하여 성형소재(20)를 급랭시킴으로 고강도강을 형성할 수 있다. 이를 위해 열간 성형중에 성형소재(20)와 맞닿는 금형의 표면에 직접 냉각수가 흐를 수 있도록 기존의 제1 냉각유로(102, 104, 106)와 구분되는 별도의 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)를 구비한다. 그리고 금형의 표면에는 제2 냉각수가 골고루 공급되도록 격자형의 오목한 홈으로 형성된 표면 냉각채널(110)을 구비하여 성형소재(20)의 냉각효율을 더 향상시킬 수 있다. 또한, 가열된 성형소재(20)가 금형 안에서 성형 시작되는 시점과 동시에 별도의 라인으로 형성된 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)를 통해 성형소재(20)의 표면으로 제2 냉각수가 빠르게 공급되도록 안내하여 기존의 열간 프레스 성형 공정의 냉각 속도보다 더 빠른 급속 냉각을 이루게 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 성형제품의 인장강도 데이터이며, 직분사 냉각방식의 열간 프레스 성형장치(10)를 이용하여 성형되는 시간을 8초로 유지했을 때의 인장강도를 나타낸 자료이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형된 성형제품의 조직을 촬영한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형으로 제조된 성형제품은 경도와 형상이 양호하다. 도 5를 참조하면, 열간 프레스 성형 공정에서의 성형시간을 약 8초로 유지했을 때 인장강도는 약 1540~1565 N/mm2를 나타내었다. 한편, 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)가 형성되지 않은 상태의 금형을 이용하여 열간 프레스 성형으로 제조된 성형제품을 비교해보면, 일반적인 열간 프레스 성형 공정에서의 성형시간을 약 14초~16초로 유지했을 때 인장강도는 약 1450~1550 N/mm2를 나타내었다. 본 발명의 실시예와 일반적인 열간 프레스 성형 공정의 비교시 인장강도만을 비교해보면 차이가 적을 수 있다고 볼 수 있다. 그러나 유사하거나 동일한 인장강도를 얻기 위해 성형되는 시간을 비교해보면 본 발명의 실시예에 따른 열간 프레스 성형시간이 일반적인 열간 프레스 성형 공정의 성형시간 보다 대폭 단축됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예와 같이 성형제품 표면에 냉각수를 직분사하는 냉각방식으로 열간 프레스 성형시에는 8초의 성형시간이 필요하다. 본 발명의 실시예는 일반적인 열간 프레스 성형 공정의 성형방식과 비교하여 동일하거나 유사한 인장강도 값을 가지면서 기존 14~16초의 성형시간을 8초로 단축할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예는 전체적인 열간 프레스 성형시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

최근 들어, 자동차 차체에 사용되는 고강도강의 수요가 급증하고 열간 프레스 성형 공정의 활용도가 높아지며 보다 빠른 급속 냉각이 필요하다. 열간 프레스 성형의 최대 단점인 시간 소요적인 면에서 보다 빠른 급랭은 고강도강을 성형함과 동시에 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는 기존의 열간 프레스 성형 공정 성형시간과 비교시 성형시간을 단축할 수 있어 단시간 내에 고강도강의 형성이 가능하다. 그리고 성형시간 단축으로 인해 생산성 향상이 극대화되고 공정 비용 감소 효과를 크게 할 수 있다. 또한, 기존의 성형소재(20) 가열온도를 880도~950도의 범위로 조정 가능하므로 비교적 낮은 온도인 880도에서 고강도강을 형성할 때 전력비용을 절감할 수 있다. 또한, 자동제어에 의한 냉각수 제어밸브(300)의 기능으로 제2 냉각수 공급 조절이 가능하므로 성형제품의 품질 균일성을 유지할 수 있다. 예를 들어, 가압 성형과 동시에 냉각수 제어밸브(300)를 열리게 하고, 가압 성형이 완료되면 냉각수 제어밸브(300)를 자동적으로 닫히도록 제어할 수 있다. 이와 같이 냉각수 제어밸브(300)의 자동 조절기능에 의해 제2 냉각수의 유량 및 유속을 조절할 수 있으므로 기존 열간 프레스 성형 금형보다 급랭 효과가 우수하다. 따라서, 기존 열간 프레스 성형 금형 제품보다 성형후의 스프링백 현상을 방지할 수 있다. 그리고 성형소재(20)와 접하는 금형 표면에 격자형상의 오목한 홈 형상의 표면 냉각채널(110)을 구비함으로써 제2 냉각수가 성형소재(20)의 표면에 균일하게 흘러 완성된 성형제품의 품질 균일성을 높게 유지할 수 있다. 그리고 복수의 분출구를 통해 제2 냉각수가 제2 냉각유로(110, 112, 114, 510)를 따라 금형 전체를 단시간 내에 흐를 수 있게 하여 전체적인 성형시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이 보다 빠른 시간 내에 성형소재(20) 조직을 마르텐사이트(Martensite)화된 고강도강의 성형제품(20a)으로 형성할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10 ; 열간 프레스 성형장치 20 ; 성형소재
100 ; 제1 금형 110 ; 표면 냉각채널
112 ; 분출구 114 ; 유입구
200 ; 제2 금형 300 ; 냉각수 제어밸브
400 ; 냉각수 제어부 510 ; 냉각수 공급통로

Claims (10)

1. 성형소재와 면접촉하여 가압 성형하는 제1 성형부를 갖는 제1 금형,
   상기 제1 성형부에 대응하는 제2 성형부를 갖고 상기 제1 금형과의 사이에 개재된 상기 성형소재를 가압하는 제2 금형,
   상기 제1 금형과 상기 제2 금형 중 적어도 어느 하나의 금형 내부에 형성되어 상기 금형을 냉각하도록 제1 냉각수의 흐름을 안내하는 제1 냉각유로,
   상기 제1 냉각유로와는 별도로 상기 제1 성형부의 표면과 상기 제2 성형부의 표면 중 적어도 어느 하나의 성형부를 통해 상기 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 형성되어 상기 제2 냉각수의 흐름을 안내하는 제2 냉각유로, 그리고
   상기 성형소재의 열간 성형중에 상기 제2 냉각유로를 통해 공급되는 상기 제2 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 공급 단속부
   를 포함하며,
   상기 제2 냉각유로는
   상기 성형소재의 형상에 대응하여 상기 제1 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 상기 제2 냉각수가 흐르도록 서로 연결되게 형성된 격자형의 오목한 홈 형상의 표면 냉각채널을 포함하는 열간 프레스 성형장치.
2. 제1항에서,
   상기 제2 냉각유로는
   상기 제1 금형에만 형성되는 열간 프레스 성형장치.
3. 삭제
4. 제1항에서,
   상기 제2 냉각유로는
   상기 표면 냉각채널의 바닥면을 따라 서로 간격을 두고 복수 개로 구비되어 상기 제2 냉각수가 분출되는 분출구를 더 포함하는 열간 프레스 성형장치.
5. 제4항에서,
   상기 제2 냉각유로는
   상기 제1 금형의 측면에 복수 개로 형성되어 외부로부터 상기 제1 금형의 내부로 상기 제2 냉각수의 유입을 각각 안내하는 유입구, 그리고
   상기 제1 금형의 내부에서 상기 복수 개의 유입구와 상기 복수 개의 분출구를 각각 연결하여 상기 제2 냉각수의 흐름이 상기 성형소재의 표면으로 골고루 분출되도록 안내하는 냉각수 공급통로를 더 포함하는 열간 프레스 성형장치.
6. 제5항에서,
   냉각수 공급 단속부는
   상기 냉각수 공급통로에 구비되어 외부로부터 입력되는 냉각수 단속 제어신호에 의해 구동되며, 상기 성형소재의 표면으로 공급되는 상기 제2 냉각수의 공급을 단속하는 냉각수 제어밸브, 그리고
   상기 성형소재가 상기 제1 금형과 상기 제2 금형의 사이에서 성형되는 시점과 동시에 상기 냉각수 제어밸브로 냉각수 공급 제어신호를 공급하여 상기 제2 냉각수의 공급량을 제어하는 냉각수 제어부를 포함하는 열간 프레스 성형장치.
7. 제6항에서,
   상기 냉각수 제어부는
   미리 설정된 시간 동안 상기 냉각수 제어밸브로 냉각수 공급 제어신호를 공급하여 상기 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 상기 제2 냉각수의 흐름을 유지하는 열간 프레스 성형장치.
8. 제7항에서,
   상기 냉각수 제어부는
   상기 성형소재가 상기 제1 금형과 상기 제2 금형의 사이에서 성형 완료된 시점과 동시에 상기 냉각수 제어밸브로 냉각수 차단 제어신호를 공급하여 상기 제2 냉각수의 공급을 차단하는 열간 프레스 성형장치.
9. 성형소재와 면접촉하는 제1 성형부를 갖는 제1 금형과 상기 제1 성형부에 대응하는 제2 성형부를 갖는 제2 금형으로 상기 성형소재를 가압하는 단계,
   상기 제1 금형과 상기 제2 금형 중 적어도 어느 하나의 금형 내부에 형성된 제1 냉각유로를 통해 상기 금형을 냉각하도록 제1 냉각수의 흐름을 안내하는 제1 냉각단계, 그리고
   상기 제1 성형부의 표면과 상기 제2 성형부의 표면 중 적어도 어느 하나의 성형부를 통해 상기 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 형성된 제2 냉각유로로 공급되는 상기 제2 냉각수의 흐름을 단속하는 제2 냉각단계
   를 포함하며,
   상기 제2 냉각단계는
   상기 성형소재가 상기 제1 금형과 상기 제2 금형의 사이에서 성형되는 시점에서 상기 제2 냉각수의 공급을 시작하는 단계, 그리고
   미리 설정된 시간 동안 상기 성형소재에 제2 냉각수가 직접 접하도록 상기 제2 냉각수의 흐름을 유지하는 단계
   를 포함하고,
   상기 제2 냉각유로는
   상기 성형소재의 형상에 대응하여 상기 제1 성형부의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 상기 제2 냉각수가 흐르도록 서로 연결되게 형성된 격자형의 오목한 홈 형상의 표면 냉각채널을 포함하는 열간 프레스 성형방법.
10. 제9항에서,
    상기 제2 냉각단계는
    상기 성형소재가 상기 제1 금형과 상기 제2 금형의 사이에서 성형 완료된 시점에서 상기 제2 냉각수의 공급을 차단하는 단계를 더 포함하는 열간 프레스 성형방법.

Images