KR101783600B1 - 핫스탬핑 방법 - Google Patents

Abstract

프레스 장치내에서 블랭크를 가열 및 성형이 수행되는 프레스 성형 장치 및 방법이 소개된다. 그 방법은 블랭크를 로딩하는 제1 단계; 상형과 하형의 지그로 블랭크의 양단부가 그립된 상태에서 각 지그의 바깥쪽에서 블랭크 양단에 접촉된 전극을 통해 블랭크에 폭방향으로 가로지르는 전류를 공급하는 제2 단계; 및 상형과 하형의 다이를 합형하여 블랭크를 성형하는 제3 단계;를 포함한다.

Description

핫스탬핑 방법{HOT STAMPING METHOD}

본 발명은 핫스탬핑 방법, 특히 통전에 의한 저항열을 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 핫스탬핑 방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.

위 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 통전에 의한 저항열을 이용하는 핫스탬핑 방법을 제안한다.

또한 본 발명은 프레스 성형 장치 내에서 블랭크의 가열 및 성형이 수행될 수 있도록 구성함을 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 레이저 트리밍 되는 부위가 되도록 설계되었다. 제품면이 아니기 때문에 전극으로 그립하거나 타 부위에 비해 가열이 미흡하더라도 문제 없다는 판단이었다.

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

위와 같은 전극 그립부의 가열 미흡으로 인한 성형 불량은 첫 번째로 블랭크의 전극 그립부가 타 부위와 마찬가지로 균일하게 가열될 수 있도록 하거나, 두 번째로 전극 그립부를 프레스 성형 전에 미리 절단함에 의해 해결될 수 있을 것이다.

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

본 발명의 실시예에 의하면 핫스탬핑 방법은 블랭크를 하형에 로딩하는 제1 단계; 상형과 하형의 지그로 블랭크의 양단부가 그립된 상태에서 각 지그의 바깥쪽에서 블랭크 양단에 접촉된 전극을 통해 블랭크에 폭방향으로 가로지르는 전류를 공급하는 제2 단계; 및 상형과 하형의 다이를 합형하여 블랭크를 성형하는 제3 단계;를 포함한다.

실시예에 의하면 블랭크와 접촉하는 지그 부위에 히팅부재가 마련되어, 전극 접촉 부위에서의 가열 미흡으로 인한 성형 불량이 방지될 수 있다.

또한 실시예에 의하면, 프레스 성형 장치는 함께 이동하여 합형될 수 있도록 구성된 상부 및 하부 다이; 제공된 블랭크의 양단부를 그립할 수 있도록 각 다이의 바깥쪽에 배치된 상부 및 하부 지그; 및 각 지그의 바깥쪽에 배치되어 블랭크의 양단에 선택적으로 접촉 가능한 전극쌍;을 포함한다.

실시예에 의하면 적어도 상부 지그는 상부 다이와 독립적으로 구동 가능하며, 블랭크와 접촉되는 각 지그의 선단에는 히팅부재가 마련된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 전기로나 하이브리드 가열로 없이도 블랭크를 통전 가열하여 핫스탬핑할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 프레스 성형 장치는 구성이 단순하고 비용 절감적이며, 이를 적용할 경우 국내 프레스 성형, 특히 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 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프레스 성형장치를 이용한 블랭크 성형 과정을 개략적으로 보인 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫스탬핑 방법 공정의 블럭도,
도 9 내지 도 11은 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 프레스 성형장치를 이용한 블랭크 성형 과정을 개략적으로 보인 도면이다.

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 3을 참조하여 실시예에 따른 프레스 성형공정에 대하여 살펴본다.

도 3에서 보듯이, 실시예에 따른 프레스 성형공정은 블랭크를 프레스 성형장치에 로딩(S1)하여 블랭크의 양단부를 지그로 그립(S2)한 다음, 전극을 이동(S3)하여 블랭크의 양단에 전극을 접촉(S4)시킨 후, 통전(S5) 및 성형(S6)하는 방식으로 진행된다.

실시예에 의하면 블랭크는 지그에 의해 그립된 상태에서 전극과 접촉 및 통전이 이루어진다. 그리고 블랭크가 접촉하는 각 지그의 선단에는 히팅부재가 마련되고, 이에 따라 블랭크와 접촉이 있는 부위에서 발생되는 성형 불량이 방지될 수 있다.

위와 같은 프레스 성형공정은 도 3 내지 도 7을 참조하면 보다 명확하게 이해될 수 있는데, 이를 위해 먼저 도 3을 참조하여 실시예에 따른 성형장치를 설명한다.

도 3에서 보듯이 성형장치는 상하부 금형(10,20)과 전극쌍(30)을 포함한다. 금형(10,20)에 설치될 수 있는 냉각채널 등의 구체적인 구성은 생략되어 있다는 점이 이해될 필요가 있다.

금형(10,20)은 성형면을 갖는 상하부 다이(11,21), 각 다이(11,21)의 바깥쪽에 배치된 상부 및 하부 지그(12,22)를 구비한다. 블랭크(1)와 접촉하는 상부 및 하부 지그(12,22)의 각 선단에는 히팅부재(13)가 마련된다.

상하부 다이(11,21)는 각각 성형 스트로크를 독립적으로 수행할 수 있다. 즉 각각 독립적으로 구동될 수 있다. 물론 상하부 다이(11,21)의 움직임이 기구적으로 연동되도록 구성될 수도 있을 것이다. 성형 시 상하부 다이(11,21)는 함께 이동하여 합형된다.

상하부 지그(12,22)는 제공된 블랭크(1)의 양단부를 그립할 수 있도록 각 다이(11,12)의 바깥쪽에 배치된다. 지그들(12,22) 또한 각각 구동될 수 있는데, 특히, 적어도, 상부 지그(12)는 상부 다이(11)와 독립적으로 구동될 수 있다.

상하부 지그(12,22)의 각 선단에 마련된 히팅부재(13)는 내열성을 갖는 세라믹 소재 내부에 발열코일이 매설된 것일 수 있다. 히팅부재(13)는 통전 가열 성형과정에 상하부 지그(12,22)에 의해 그립된 블랭크(1) 양단부의 온도가 타 부위와 크게 차이나지 않도록 한다.

전극쌍(13)은 각 지그(12,22)의 일측에 수평방향으로 이동 가능하게 제공되어 블랭크(1)의 양단에 선택적으로 접촉 가능하다. 이러한 전극(13)의 움직임을 위해 공지기술에 따른 프레임이나 액츄에이터가 더 구비될 수 있을 것이다.

도 3 내지 도 7을 참조하여 실시예에 따른 핫스탬핑 공정 및 장치에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

도 3은 성형을 위해 성형장치의 하부 지그(22)에 블랭크(1)가 로딩된 것을 도시한 것이다. 블랭크(1)는 그 양단부가 하부 지그(22), 더 정확히는 히팅부재(13)에 로딩되며, 이 때 블랭크(1)는 하부 다이(21)와 접촉되지 않는다.

도 4는 상하부 지그(12,22)로 블랭크(1)의 양단부를 그립한 것을 도시한 것이다. 상부 지그(11)가 하강하여 하부 지그(22)에 올려진 블랭크(1)의 양단부를 가압, 고정한다. 상부 다이(11)는 움직이지 않거나 일정 높이까지 함께 이동할 수 있다.

지그들(12,22)에 의해 그립된 상태에서 블랭크(1)의 양단은 바깥쪽으로 노출되며, 이 부위에 전극(13)이 연결된다.

도 5는 그립된 블랭크(1)의 양단에 전극(13)이 접촉된 것을 도시한 것이다. 전극(13)을 이동시켜 각 지그(12,22)의 바깥쪽에서 블랭크(1)의 양단에 전극(13)을 접촉시킨 다음, 블랭크(1)에 폭방향으로 가로지르는 전류를 공급한다.

도 4 및 도 6에서 보듯이, 블랭크(1)와 접촉되는 전극(13) 부위에는 접촉이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하기 위한 슬릿(31)이 마련될 수 있다. 그리고 슬릿(31) 선단은 라운드 가공되어 블랭크(1)와 간섭되지 않도로 할 수 있을 것이다.

도 7은 상하부 다이(11,21)를 합형하여 가열된 블랭크(1)를 성형하는 것을 도시한 것이다. 합형 과정에 상부 다이(11)는 하강하고 하부 다이(21)는 상승한다. 최종 성형 스트로크에서 상부 다이(11)상부 다이(11) 거리가 하부 다이(21)의 거리보다 길 수 있다. 충분한 성형력을 얻기 위함이나 여러 변형이 가능할 것이다.

한편 전극(13)을 통해 블랭크(1)를 가열하는 동안, 또는 그 전부터 히팅부재(13)도 가열된다. 상하부 지그(12,22)에 의해 그립된 블랭크(1)의 양단부의 온도가 타 성형부위와 크게 차이가 나지 않도록 한다.

도 8에는 다른 실시예에 따른 프레스 성형공정이 도시되어 있으며, 그 예가 도 9 내지 도 11에 도시되어 있다. 도면부호는 앞서 실시예에서와 동일하게 사용한다.

도 8을 참조하면, 다른 실시예에 따른 성형공정은 블랭크(1)를 프레스 성형장치에 로딩(S10) 후, 전극을 이동(S20)하여 블랭크(1)의 양단에 전극을 접촉(S30)시키고, 그 다음 혹은 동시에 블랭크(1)의 양단부를 지그들(12,22)로 그립(S40)한 다음, 통전(S50) 및 성형(S60)하는 방식으로 진행된다.

도 9 내지 도 11를 참조하여 성형공정에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다. 참고로 블랭크(1)의 로딩은 도 3에 도시된 것과 동일하다.

도 9는 전극(13)을 이동하여 블랭크(1)의 양단에 전극(13)을 접촉 후 약간 가압한 것을 도시한 것이다. 가압된 블랭크(1)는 상방향으로 휘는 힘을 받게 되며, 전극(13)과 블랭크(1) 간의 접촉이 확실하게 이루어질 수 있다. 도 9는 상당히 과장되게 도시된 것임이 이해될 필요가 있다.

도 10은 전극(13)에 의해 블랭크(1)가 가압됨과 동시에 혹은 가압 직후에 상부 지그(12)가 하강하여 블랭크(1)의 양단부를 가압 고정한 것을 도시한 것이다. 그리고 지그들(12,22)에 의해 그립된 블랭크(1)에 전극(13)으로부터 전류가 공급된다. 히팅부재(13)도 가열된다.

도 11은 도 7에서와 같이 하부 다이(11,21)를 합형하여 가열된 블랭크(1)를 성형하는 것을 도시한 것이다. 상하부 다이(11,12)의 성형 스트로크는 함께 이루어진다.

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: 상형 11: 상부 다이
12: 상부 지그 13: 히팅부재
20: 하형 21: 하부 다이
22: 하부 지그 30: 전극

Claims (8)

1. 성형면을 갖는 상부 및 하부 다이; 제공된 블랭크의 양단부를 그립할 수 있도록 각 다이의 바깥쪽에 배치된 상부 및 하부 지그; 및 각 지그의 바깥쪽에 배치되어 블랭크의 양단에 선택적으로 접촉 가능하게 마련된 전극;을 포함하며, 적어도 상부 지그는 상부 다이와 독립적으로 구동 가능하며, 블랭크와 접촉되는 각 지그의 선단에는 히팅부재가 마련된 프레스 성형장치를 이용한 핫스탬핑 방법으로서,
   블랭크를 하형에 로딩하는 제1 단계;
   상형과 하형의 지그로 블랭크의 양단부가 그립된 상태에서 각 지그의 바깥쪽에서 블랭크 양단에 접촉된 전극을 통해 블랭크에 폭방향으로 가로지르는 전류를 공급하여 블랭크를 핫스탬핑에 필요한 온도로 가열하는 제2 단계; 및
   상형과 하형의 다이를 합형하여 블랭크를 성형 및 냉각 제3 단계;를 포함하며,
   제1 단계에서 블랭크는 하부 지그에 로딩되며 이때 블랭크는 하부 다이와 접촉되지 않으며,
   제2 단계의 블랭크 가열과정 중 히팅부재를 이용하여 히팅부재와 접촉되는 블랭크 부위를 가열하며,
   제3 단계에서 상하부 다이가 함께 움직여 합형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 제2 단계는,
   상형과 하형의 지그로 블랭크의 양단부를 그립하는 과정; 및
   전극을 이동시켜 각 지그의 바깥쪽에서 블랭크의 양단에 전극을 접촉시키는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 제2 단계는,
   전극을 이동시켜 블랭크의 양단에 접촉시키는 과정; 및
   전극의 안쪽에서 상형과 하형의 지그로 블랭크의 양단부를 그립하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
4. 청구항 3에 있어서, 제2 단계에서,
   전극을 이동시켜 블랭크의 양단에 접촉시킨 후 블랭크를 폭방향으로 가압하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.
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