KR101759082B1 - 통전 가열 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 방법 - Google Patents

Abstract

전기 저항열을 이용하는 통전 가열 장치와 이를 이용한 핫스탬핑 방법이 소개된다. 핫스탬핑 방법은 블랭크의 양단을 통전 가열 장치의 전극으로 그립하고 블랭크에 폭방향으로 가로지르는 전류를 공급하는 제1 단계; 전극들과 접촉된 블랭크의 양단을 절단하는 제2 단계; 양단이 절단된 블랭크를 이송하여 핫스탬핑 하는 제3 단계; 및 핫스탬핑된 블랭크를 레이저 트리밍하는 제4 단계;를 포함한다.

Description

통전 가열 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 방법{ELECTRICAL RESISTANCE HEATING APPARATUS AND HOT STAMPING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 강판의 통전 가열 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 방법에 관한 것이다.

연비 규제나 안전법규의 강화 등으로 차량 부품의 경량화 및 고강도화에 대한 요구가 매우 높다. 그 결과 1 기가 파스칼(GPa)급의 초고강도강 부품이 상용화되어 있고 최근에는 2 기가급 강의 개발까지 추진되고 있다.

일반적으로 강판의 강도가 증가하면 연신율이 저하되어 가공성이 떨어진다. 이 문제의 해결을 위해 제안된 신기술이 핫스탬핑(hot stamping)이다. 핫스탬핑은 고강도 소재 강판을 900℃ 정도로 가열한 후 프레스 성형 및 냉각을 하므로 성형성이 매우 우수하다.

핫스탬핑을 위한 강판 가열에는 전기로가 사용되어 왔다. 전기로는 공간을 많이 차지하며 공정속도가 느리고 유지비용도 높다. 때문에 본 출원인은 한국등록특허 제1045839호의 하이브리드 가열로를 개발 및 양산에 적용하여 국내 자동차 산업의 경쟁력을 제고시킨 바 있다.

한국등록특허 제1045839호의 하이브리드 가열로는 고주파 유도가열로와 전기로를 결합한 것이다. 고주파 유도가열를 이용하여 강판을 신속하게 가열할 수 있어 전기로에 비해 공정시간의 단축, 설비 공간의 축소, 유지비용의 절감 등이 가능하다.

그러나 이러한 하이브리드 가열로도 한계는 있다. 비약적인 공정개선 및 비용절감에도 불구하고, 2차 가열로로 전기로를 사용하므로 기존 전기로 가열방식의 한계를 어느 정도는 안고 있다고 볼 수 있다. 유도가열로도 비교적 설비가 크고 세심한 유지 관리가 필요하다.

본 발명은 위와 같은 종래기술의 인식에 기초한 것으로, 보다 단순하며 비용 절감적인 핫스탬핑을 위한 강판 가열장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 방법을 제공함을 목적으로 한다.

위 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 전기 저항열을 이용하는 통전 가열 장치와 이를 이용한 핫스탬핑 방법을 제안한다. 특히 본 발명은 통전 가열 후 통전을 위해 전극이 접촉되었던 블랭크 단부를 절단하는 것을 특징으로 한다.

통전 가열은 종래에 강판의 국부 가열이나 열처리 용도로 사용되었으나, 핫스탬핑 용도로는 적용되지 못하고 있다. 희망적인 것은 통전 가열은 자동차 강판을 3~4초 이내 700~800℃로 상승시킬 수 있으며 장치의 구성이 매우 간단할 수 있다는 것이다.

핫스탬핑에 적용하기 위해서는 전기 저항열로 강판을 전체적으로 균일하게 가열할 수 있어야 한다. 본 발명자들이 적용 실험을 진행해 온 바로는 직접적인 통전에 의해 강판을 비교적 균일하게 가열할 수 있으며 양산에 적용 가능하다는 결론에 이르렀다.

문제는 통전을 위해 전극에 의해 그립되었던 블랭크 부위이다. 이 부분은 전극이 직접 접촉되기도 하고 전류의 흐름면에서 최단거리에 해당하는 부위이기에 타 부위보다 가열이 미흡하게 이루어진다.

도 1에는 본 발명자들이 실험을 진행했던 통전 가열 장치의 예가 도시되어 있다. 블랭크(1)의 좌우 양단(2a,2b)을 전극으로 그립한 후 통전 가열을 하는데, 이 부위(2a,2b)가 타 부위보다 온도가 낮게 나타난다.

위와 같은 이유로 전극에 의해 그립되는 블랭크(1)의 좌우 양단(2a,2b)은 제품면이 아닌 핫스탬핑 후 트리밍 되는 부위가 되도록 설계되었다. 제품면이 아니기 때문에 전극으로 그립하거나 타 부위에 비해 가열이 미흡하더라도 문제가 없다는 판단이었다.

그러나 결과는 반드시 그렇지는 않았다. 여러 방법으로 블랭크를 전체적(전극 그립 부위 제외)으로 균일하게 가열하더라도, 핫스탬핑 시 제품면에서 미세 크랙이나 터짐이 발생하는 문제가 있음을 발견되었다. 온도가 낮은 전극 그립 부위와 가열부 간의 신율 차이가 프레스 성형과정에 문제를 발생시켰던 것으로 판단된다.

위와 같은 전극 그립부로 인한 성형 불량은 첫 번째로 전극 그립부를 핫스탬핑 전에 미리 절단하거나, 두 번째로 블랭크의 전극 그립부가 타 부위와 마찬가지로 균일하게 가열될 수 있도록 함에 의해 해결될 수 있을 것이다.

본 발명은 위의 첫 번째 해결 방안에 기초한 것이다. 두 번째 해결 방안은 별도로 출원될 것이다.

본 발명의 실시예에 의하면 강판 가열장치는 제공된 블랭크의 양단에 맞물려 블랭크에 폭방향으로 가로지르는 전류를 공급할 수 있도록 좌우에 한 쌍씩 배치된 상하부 전극; 전극들을 각각 지지하는 서포트들; 및 전극들과 접촉된 블랭크의 양단을 절단할 수 있도록 각각의 좌우 서포트들에 설치된 커터;를 포함한다.

실시예에 의하면 좌우 각각의 상부 또는 하부 서포트 중 적어도 어느 하나는 상하방향 이동 가능하다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 방법은 블랭크의 양단을 통전 가열 장치의 전극으로 그립하고 블랭크에 폭방향으로 가로지르는 전류를 공급하는 제1 단계; 전극들과 접촉된 블랭크의 양단을 절단하는 제2 단계; 양단이 절단된 블랭크를 이송하여 핫스탬핑 하는 제3 단계; 및 핫스탬핑된 블랭크를 레이저 트리밍하는 제4 단계;를 포함한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 통전 가열을 전기로나 하이브리드 가열로를 대체하여 핫스탬핑에 적용 가능하다.

또한 본 발명에 의한 통전 가열 장치는 구성이 단순하고 비용 절감적이며, 이를 적용할 경우 국내 핫스탬핑 기술의 경쟁력을 더욱 강화할 수 있다.

도 1은 통전 가열 장치를 이용한 블랭크 가열의 실험 예를 보인 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 공정의 블럭도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통전 가열 장치의 모식도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통전 가열 장치의 모식도이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.

도 2에는 실시예에 따른 통전 가열을 이용한 핫스탬핑 공정도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 실시예에 따른 핫스탬핑 공정은 블랭크를 통전 가열 장치에 로딩(S1)하여 통전 가열(S2) 후, 통전을 위해 전극에 의해 그립된 부위를 절단(S3)하여 성형(스탬핑) 공정으로 이송(S4)한다.

종래 핫스탬핑 공정에서는 전기로나 가스로 등을 이용하여 블랭크를 가열 후 가열된 블랭크를 그대로 성형(스탬핑) 공정으로 이송하였으며, 또 전기 저항 가열을 핫스탬핑에 적용한 사례가 없었다.

블랭크를 통전 저항 가열하고자 하는 경우, 전극과 블랭크 간의 배치, 접촉 관계가 하나의 관심사가 될 수 있다. 본 발명자들은 양산 공정에 손쉽게 적용할 수 있는 방식을 채택하고자 하였고, 그 결과 블랭크의 양단을 전극으로 직접 그립 후 통전을 수행하였다.

통전 가열 후 전극 그립부는 후 공정에서 절단되므로 크게 문제가 되지 않을 것이었다. 그러나 전기 저항열에 의해 블랭크를 균일하게 가열하여도 여전히 성형 불량 문제가 발생하는 경우가 있었고, 그 원인 중 하나는 전극 그립부에서의 미흡한 가열에 기인한 것으로 판단되었다. 따라서 블랭크의 전극 그립부는 성형(스탬핑) 공정으로 이송(S4)되기 전, 미리 절단(S3)된다.

가열 및 절단된 블랭크는 이송되어 프레스 장치에서 핫스탬핑, 즉 성형 및 급속 냉각(S5)된다. 이후 핫스탬핑된 블랭크는 제품의 형상에 맞도록 가장자리가 레이저 트리링된다.

종래의 핫스탬핑 공정과 비교하여, 실시예에 따른 핫스탬핑 공정은 블랭크를 통전 가열 후에 전극 그립부를 절단하는 공정이 추가된다. 이러한 추가 공정은 별도의 장치에서 수행되는 것보다 통전 가열 장치에서 직접 수행되도록 하는 것이 바람직하다.

이하 도 3 및 도 4를 참조하여 실시예에 따른 통전 가열 장치를 살펴본다.

도 3에서 보듯이, 통전 가열 장치(100)는 기본적으로 블랭크(10)에 전류를 공급하기 위한 상하부 전극(130)과 이들 전극(130)을 지지하는 서포트들(110a,120a,110b,120b)을 구비한다.

상하부 전극(130)은 블랭크(10)의 길이방향 양단(좌우 양단)을 그립하고 여기로부터 블랭크(10)에 길이방향(가로 폭방향)으로 전류를 공급할 수 있도록 구성된다. 전극(130)에 연결된 전기회로나 절연체 등의 구성은 도면에서는 생략되어 있다.

상하부 전극(130)을 지지하는 서포트들(110a,120a)은 상하방향 이동 가능하도록 구성된다. 상부 서포트(110a,110b)만 이동 가능하거나, 상하부 서포트(110a,120a,110b,120b) 모두가 이동 가능할 수 있다. 당연하게도 서포트(110a,110b)에 의해 전극(130)이 상하 이동한다.

각 서포트(110a,120a,110b,120b)는 전극(130) 전방 측(블랭크 중앙 측)으로 연장되는 연장부(111,121)를 갖는다.

실시예에 따르면 상부 서포트(110a)는 전극(130)의 상단에 배치되며 이 전극(130)의 상단을 둘러싸는 형태로 수직하게 하향 연장된다. 하부 서포트(120a)는 전극의 하단에 배치되며 이 전극(130)의 하단을 둘러싸는 형태로 수직하게 상향 연장된다.

또한 실시예에 의하면 서포트(120a,120b)에 커터(140)가 설치된다. 커터(140)는 하부 서포트(120a, 120b)의 연장부(121)에 마련된 슬릿(122)에 배치되며, 상부 서포트(110a,110b)의 연장부(121)에도 커터(140)의 출몰을 허용하는 슬릿(112)이 마련된다.

커터(140)는 하부 서포트(120a, 120b)에 설치된 액츄에이터(150)에 의해 상하방향 이동 가능하다. 통전 저항 가열이 완료되면, 액츄에이터(150)에 의해 커터(140)가 상방향 이동하여 블랭크(10)의 전극 그립부를 절단 후, 다음 가열 공정을 위해 하강 한다.

도 4를 참조하면, 커터(140)가 블랭크(10)의 양단을 절단하기 전에, 로봇의 연장아암(160)이 절단되고 남게 될 블랭크(10)의 성형부를 잡는다. 연장 아암(160)은 절단 완료 후 블랭크를 성형공정 측으로 이송한다. 이러한 연장 아암(160)은 블랭크(10)를 통전 가열 장치(100)에 로딩할 때에도 사용될 수 있다.

도 5에는 다른 실시예에 따른 통전 가열 장치가 개략적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 통전 가열 장치(200)는 상하부 전극(230)과 이를 지지하는 서포트들(210a.220a)을 구비한다. 앞서 예에서와 마찬가지로 블랭크(10)의 좌우 양단이 상하부 전극(230)에 의해 그립된다.

본 실시예에 의하면 커터(240)는 상부 서포트(210a)에 설치된다. 이 커터(240)는 수평방향으로 이동하면서 축회전하는 칼날에 의해 블랭크(10)를 절단할 수 있도록 구성된다.

블랭크(10)가 장치(200)에 로딩되어 통전되는 과정 동안에는 블랭크(10)와 간섭되지 않도록 커터(240)는 외측으로 빠져 있다가, 절단이 필요할 때 수평방향 이동하여 블랭크(10)를 절단한다.

커터(240)의 회전 및 수평방향 이동을 위한 모터 및 기어조립체(예: 랙&피니언 등의 구성은 상부 서포트(210a)에 수평방향으로 형성된 홈부(211) 내에 설치된다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

10: 블랭크 100,200: 통전 가열 장치
110a,110b,120a,120b,210a,220a: 서포트
111,121: 연장부 130,230: 전극
140,240: 커터 150: 액츄에이터

Claims (5)

1. a) 통전 가열 장치의 상하부 전극으로 블랭크의 양단을 그립하고 블랭크에 전류를 공급하여 가열하는 단계;
   b) 상하부 전극으로 블랭크를 그립한 상태에서, 통전 가열 장치에 마련된 커터를 이용하여 전극들과 접촉된 블랭크의 양단을 절단하는 단계;
   c) 전극들과 접촉된 양단이 절단된 블랭크를 이송하여 프레스 성형장치에서 성형 및 냉각하는 단계; 및
   d) 성형 및 냉각된 블랭크를 레이저 트리밍하는 단계;를 포함하며,
   상하부 전극은 제공된 블랭크의 양단에 맞물려 블랭크에 일단에서 타단방향으로 전류를 공급할 수 있도록 블랭크의 양단 측에 한 쌍씩 마련되며,
   커터는 전극들과 접촉된 블랭크의 양단을 전극 전방에서 절단할 수 있도록 블랭크 양단 측에 각각 마련된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 커터는,
   수직한 방향으로 출몰하면서 전단력에 의해 블랭크를 절단할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 커터는,
   수평방향으로 이동하면서 회전하는 칼날에 의해 블랭크를 절단할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 b) 단계에서,
   블랭크 양단의 절단이 완료되기 전에 로봇의 연장아암으로 블랭크를 그립하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
5. 삭제

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