KR101837317B1 - 열간 프레스 성형의 냉각 방법 및 열간 프레스 성형 장치 - Google Patents

Abstract

박판 강판(K)을 열간 프레스 성형할 때에, 하측 금형(12) 내부의 공급로(28)로부터 연통된 분출 구멍(27)에 냉매를 공급함으로써 박판 강판(K)을 냉각할 때에, 분출 구멍(27)으로부터의 냉매의 단위 시간당 분출량을 억제한 예비 냉각을 행한 후에, 단위 시간당 분출량을 증가시켜 본 냉각을 행한다.

Description

열간 프레스 성형의 냉각 방법 및 열간 프레스 성형 장치 {HOT-PRESS STAMPING COOLING METHOD AND HOT-PRESS STAMPING DEVICE}

본 발명은 박판 강판의 열간 프레스 성형의 냉각 방법 및 열간 프레스 성형 장치에 관한 것이다.

최근, 고장력 강판을 사용한 자동차 부품재 등의 강판 성형 수단으로서 열간 프레스 성형이 채용되고 있다. 열간 프레스 성형은, 강판을 고온에서 프레스 성형함으로써, 변형 저항이 낮은 단계에서 성형하고, 급냉에 의한 켄칭 경화시키므로, 성형 후의 변형 등의 성형 문제를 발생시키는 일 없이 고강도이며 형상 정밀도가 높은 부품 등을 얻을 수 있다.

열간 프레스 성형에서는, 미리 가열로에 의해 소정 온도로 가열된 강판을 금형에 공급하고, 다이스 상에 적재 또는 금형에 내장한 리프터 등의 지그에 의해 부상한 상태에서 펀치를 하사점까지 강하하고, 강판과 금형 사이에, 예를 들어 물 등의 냉매를 공급하여 급속하게 냉각한다. 그로 인해, 금형의 표면에 일정한 높이의 복수의 독립된 볼록부를 형성함과 함께, 금형의 표면의 복수 개소에 형성된 냉매의 분출 구멍에 연통되는 물의 유로와, 공급한 물을 흡인하기 위한 유로가, 금형의 내부에 형성되어 있다. 종래의 박판 강판의 열간 프레스 성형의 냉각 방법에서는, 냉각수를 흘려 냉각하는 동안에는 동일한 유량을 유지하므로, 냉각 시간 중, 각 분출 구멍으로부터 동일한 분출량이 분출된다.

이러한 구성의 금형을 사용하여 열간 프레스 성형을 행하는 경우에, 생산성을 더욱 향상시키기 위해, 냉각수의 유량을 증가시키고, 냉각 시간을 단축하는 것이 고려된다. 그러나, 성형 형상(휨)이나 켄칭 특성과 같은 품질의 편차가, 부위에 따라 발생해 버리는 것이 판명되었다. 이것은, 분출 구멍 부근과 그 주변의 냉매의 흐름에 의한 냉각 속도의 차에 의한 냉각의 불균일이 원인이다. 즉, 냉각 속도의 차에 의해 열응력이 발생하여 품질이 변동되어 버린다. 또한, 발명자들이 더 조사한 바, 분출 구멍을 중심으로 하여, 원환상으로 냉각 불균일이 있는 것이 판명되었다. 이것은, 냉각 당초부터 소정 분출량으로 냉각수를 분출하면, 돌비나 공기의 말려 들어감이 분출 구멍을 중심으로 한 동심원 형상으로 발생하고, 그에 의해 냉각 불균일이 발생한다고 생각되어진다. 그로 인해, 냉매의 공급량에 관해, 어떠한 고안이 필요하다.

또한, 열간 프레스 성형 방법에 있어서의 냉매의 공급 제어에 관해, 우선 출원인은 특허문헌 1의 열간 프레스 성형 방법을 제안하고 있다. 이 열간 프레스 성형 방법에서는, 가열된 후판 강판을 급냉 금형에 적재하고, 급냉 금형을 하사점에서 유지하면서 후판 강판에 냉매를 공급하여 급냉하고, 그 후, 급냉 금형을 하사점에서 유지한 상태에서 냉매의 공급을 제어하는 것이다. 구체적으로는, 냉매의 공급을 정지하고, 소정 시간 경과 후에 다시 냉매의 공급을 행하는 것을 적어도 1회 이상 반복하거나, 냉매의 소정 공급 유량을 도중에 일단 저감시키고, 소정의 시간 경과 후에 냉매의 공급 유량을 다시 증가시킨다고 하는 것이다.

그러나, 특허문헌 1의 열간 프레스 성형 방법은, 대상이 되는 강판이 소위 후판이며, 그 목적도, 강판의 두께 방향으로 강도를 변화시킨 성형 부품을 형성하는 것이다. 따라서, 그 상태에서는, 박판 강판의 열간 프레스 성형에 있어서, 분출 구멍 부근과 그 주변에 발생하는 상술한 냉각 속도의 차에 의한 냉각의 불균일에 기인하는 강판의 형상의 변형이나 품질 불균일을 개선할 수 없다.

일본 특허 출원 공개 제2011-143437호 공보

본 발명은 이러한 점에 비추어 이루어진 것이며, 박판 강판을 열간 프레스 성형할 때에, 냉각의 불균일에 기인하는, 형상의 변형이나 품질의 편차를 억제하는 것을 목적으로 한다.

발명자들이 예의 연구, 실험한 바, 냉각의 불균일에 기인하는 형상의 변형 등은, 냉매의 분출 구멍 부근에서는 즉시 냉각되지만, 당해 분출 구멍으로부터 이격된 위치에서는, 냉각 속도가 느려지고, 그 결과 온도의 편차가 발생하는 것이 원인인 것을 알 수 있었다. 그리고, 공급하는 냉매의 유량의 변화에 의해, 당해 편차가 변화하는 것이 새롭게 알아내어졌다.

이러한 지견으로부터, 본 발명은, 가열된 박판 강판을 열간 프레스 성형할 때에, 금형 내부의 공급로로부터 연통된 당해 금형 표면의 분출 구멍에 냉매를 공급함으로써 당해 박판 강판을 냉각하는 열간 프레스 성형의 냉각 방법이며, 상기 가열된 박판 강판을 금형에 적재하여 하사점에서 유지한 상태에서, 상기 냉매를 상기 분출 구멍에 공급하여 냉각할 때에, 상기 분출 구멍으로부터의 냉매의 단위 시간당 분출량을 억제한 예비 냉각을 행한 후에, 단위 시간당 분출량을 증가시켜 본 냉각을 행하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명은, 가열된 박판 강판을 열간 프레스 성형할 때에, 금형 내부의 공급로로부터 연통된 당해 금형 표면의 분출 구멍에 냉매를 공급함으로써 당해 박판 강판을 냉각하는 열간 프레스 성형 장치이며, 상기 열간 프레스 성형 장치는, 상기 가열된 박판 강판을 금형에 적재하여 하사점에서 유지한 상태에서, 상기 냉매를 상기 분출 구멍에 공급하여 냉각할 때에, 단위 시간당 분출량을 억제한 예비 냉각을 행한 후에, 상기 분출 구멍으로부터의 냉매의 단위 시간당 분출량을 증가시켜 본 냉각을 행하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 단위 시간당 분출량을 억제시킨 예비 냉각을 행함으로써 분출 구멍 부근에서의 과도한 냉각을 억제시킬 수 있다. 또한, 단위 시간당 분출량을 억제시킨 예비 냉각을 행함으로써 냉각 당초의 돌비나 공기의 말려 들어감을 억제할 수 있다. 따라서, 그 후의 본 냉각에 의해, 박판 강판 전체에 대해 균일한 냉각을 실현할 수 있다.

본 발명에 따르면, 박판 강판을 열간 프레스 성형할 때에, 냉각의 불균일에 기인하는, 형상의 변형이나 품질의 편차를 억제할 수 있다.

도 1은 열간 프레스 성형 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 분출 구멍 및 흡인 구멍의 배치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 유량 조정 밸브를 갖는 열간 프레스 성형 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1의 열간 프레스 성형 장치의 상측 금형이 하사점에 있을 때의 상태를 도시하는 도면이다.
도 5는 냉각수의 유량 제어의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은 유량 조정 밸브의 개방도가 완전 폐쇄인 상태를 도시하는 도면이다.
도 7은 유량 조정 밸브의 개방도가 중간인 상태를 도시하는 도면이다.
도 8은 유량 조정 밸브의 개방도가 완전 개방인 상태를 도시하는 도면이다.
도 9는 공급관을 복수 설치한 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 10은 유량 조정 밸브의 개방도가 45도인 상태를 도시하는 도면이다.
도 11은 유량 조정 밸브의 개방도가 22.5도인 상태를 도시하는 도면이다.
도 12는 유량 조정 가능한 공급 펌프를 갖는 열간 프레스 성형 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 13은 성형품의 형상의 일례를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

도 1은 본 실시 형태의 열간 프레스 성형 장치(1)의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 열간 프레스 성형 장치(1)는, 강판(박판 강판)(K)을 프레스 성형하기 위한 프레스 성형 금형(10)을 구성하는 상측 금형(11)(제1 금형), 하측 금형(12)(제2 금형)을 갖고 있다. 또한, 박판 강판이라 함은 판 두께 3㎜ 미만의 강판을 말한다.

본 실시 형태에서는, 하측 금형(12)의 표면에 일정한 높이의 복수의 독립된 볼록부(도시하지 않음)가 형성되고, 하사점에 있어서 강판(K)과 하측 금형(12) 사이에 간극이 형성된다. 냉매인 냉각수는 당해 간극에 공급된다. 상측 금형(11)은, 승강 기구(도시하지 않음)에 의해, 소정의 압력으로 연직 방향으로 승강 가능하다. 또한 강판(K)은, 가열 장치(도시하지 않음)에 의해 미리 소정의 온도, 예를 들어 700℃ 이상 1000℃ 이하의 온도로 가열되어, 열간 프레스 성형 장치(1)로 반송된다. 반송된 강판은, 예를 들어 하측 금형(12)의 소정 위치에 설정된 위치 결정 핀(도시하지 않음)에 기초하여, 하측 금형(12)의 소정 위치에 적재된다.

하측 금형(12)에는, 냉매가 되는 냉각수의 공급관(21)과, 잉여의 냉각수를 흡인하는 흡인관(31)이 접속 배관되어 있다. 공급관(21)은, 공급 펌프(22)에 의해, 냉각수를 하측 금형(12) 내에 소정 압력으로 공급하기 위한 것이다. 흡인관(31)은, 하측 금형(12)과 강판(K) 사이에 공급된 냉각수를, 흡인 펌프(32)에 의해, 장치 외부로 배출하기 위한 것이다.

공급 펌프(22)는, 냉각수 공급원(23)으로부터의 냉각수를, 취수관(24)을 통해 취수한다. 취수관(24)은, 공급 펌프(22)의 하류측에서, 공급관(21)과 접속되어 있다. 공급관(21)은, 취수관(24)과의 접속부 하류측에서, 제1 분기 배관(21a)과 제2 분기 배관(21b)으로 분기되어 있다. 제1 분기 배관(21a)과 제2 분기 배관(21b)은 공급관(21)에의 복수의 냉매의 공급 계통이 된다. 제1 분기 배관(21a)과 제2 분기 배관(21b)에는, 응답성이 양호한, 공급측의 개폐 밸브(25, 26)가 각각에 대응하여 설치되어 있다. 개폐 밸브(25, 26)의 하류측에서, 제1 분기 배관(21a)과 제2 분기 배관(21b)은 다시 합류되어 있다. 공급관(21)은, 하측 금형(12) 내에 형성된 공급로(28)를 통해, 하측 금형(12)의 표면에 복수 형성된 분출 구멍(27)에 연통되어 있다.

또한, 하측 금형(12)의 표면에는, 흡인 구멍(33)이 복수 형성되어 있다. 흡인 구멍(33)은, 하측 금형(12) 내에 형성된 흡인로(34)를 통해, 흡인관(31)에 연통되어 있다. 흡인 펌프(32)에 의해 흡인된 냉각수는, 흡인관(31)으로부터 배출관(35)을 통해, 배출부(36)로 배출된다. 흡인관(31)에는, 흡인측의 개폐 밸브(37)가 설치되어 있다.

공급측의 개폐 밸브(25, 26)의 개폐, 및, 흡인측의 개폐 밸브(37)의 개폐는, 상측 금형(11)의 동작과 함께, 제어 장치(C)에 의해 제어된다.

도 2는 하측 금형(12)에 형성되는 분출 구멍(27) 및 흡인 구멍(33)의 배치의 일례를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2에는 볼록부를 생략하고 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 하측 금형(12)의 표면에는, 직경 Ds의 분출 구멍(27)이 간격 I로 복수 형성된다. 또한, 직사각 형상으로 위치하는 4개의 분출 구멍(27)의 중앙에는 직경 Da의 흡인 구멍(33)이 형성된다. 따라서, 하측 금형(12)에는 대략 동일 수의 분출 구멍(27)과 흡인 구멍(33)이 형성된다.

본 실시 형태에서는, 흡인 구멍(33)의 직경 Da는, 분출 구멍(27)의 직경 Ds보다도 크게 형성된다. 흡인 구멍(33)의 직경 Da를 크게 함으로써, 분출 구멍(27)으로부터의 분출량이 증가한 경우라도, 냉각 후의 냉각수가 모이는 일 없이 흡인 구멍(33)으로부터 흡인할 수 있다. 또한, 흡인 구멍(33)의 직경 Da를 크게 함으로써, 복수의 분출 구멍(27)으로부터 분사된 냉각수가, 하나의 흡인 구멍(33)에 집중해도 모이는 일 없이 흡인 구멍(33)으로부터 흡인된다.

또한, 상술한 실시 형태의 열간 프레스 성형 장치(1)에서는, 공급관(21)을 도중에 제1 분기 배관(21a)과 제2 분기 배관(21b)으로 분기시키고, 제1 분기 배관(21a)에 개폐 밸브(25)를 설치하고, 제2 분기 배관(21b)에 개폐 밸브(26)를 설치하고, 또한 흡인관(31)에도 개폐 밸브(37)를 설치하였지만, 이 구성에 한정되지 않는다.

도 3은 열간 프레스 성형 장치(41)의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 열간 프레스 성형 장치(41)는, 공급관(21)을 분기시키지 않고, 또한 공급관(21)에, 밸브의 개방도에 따라 유량을 조정할 수 있는 볼 밸브 등의 유량 조정 밸브(42)를 설치하고, 흡인관(31)에도 마찬가지로 유량 조정 밸브(43)를 설치하였다. 이와 같이, 개폐 밸브 대신에 유량 조정 밸브를 사용해도 된다.

다음으로, 도 1에 도시한 열간 프레스 성형 장치(1)의 운전예에 대해 설명한다.

우선, 미리 예를 들어 900℃로 가열된 강판(K)이, 수수 장치(도시하지 않음)에 의해 하측 금형(12)의 소정 위치에 적재된다. 다음으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 상측 금형(11)이 강판(K)을 연직 하방으로 압하하면서 하사점까지 하강하고, 강판(K)의 성형이 행해진다. 이때, 공급 펌프(22), 흡인 펌프(32)는 이미 작동하고 있다.

상측 금형(11)이 강판(K)을 연직 하방으로 압하하면서 하사점까지 하강한 시점에서 유지되고, 우선, 개폐 밸브(25)가 개방되고, 제1 분기 배관(21a), 공급관(21)으로부터, 소정 유량의 냉각수가 하측 금형(12) 내의 공급로(28)에 공급된다. 따라서, 냉각수가 분출 구멍(27)으로부터 강판(K)과 하측 금형(12) 표면 사이의 간극에 분출 공급된다(예비 냉각). 그리고 흡인측의 개폐 밸브(37)도 개방된다. 여기서, 예비 냉각 시에서는, 개폐 밸브(26)가 폐지된 상태이므로, 분출 구멍(27)으로부터의 단위 시간당 분출량은, 후술하는 본 냉각 시에 비해 억제된다. 강판(K)과 하측 금형(12) 사이의 간극에 공급된 냉각수는, 강판(K)으로부터 열을 빼앗고, 일부 증기가 되어 상측 금형(11)과 하측 금형(12)의 간극으로부터 확산된다. 잔여의 냉각수는, 흡인 구멍(33)으로부터 흡인로(34)를 통해 흡인관(31)을 거쳐, 장치 외부로 배출된다.

다음으로, 소정 시간 경과 후, 개폐 밸브(25)가 개방 상태 그대로, 공급측의 개폐 밸브(26)가 개방된다. 따라서, 제1 분기 배관(21a)으로부터의 냉각수에 더하여, 제2 분기 배관(21b)으로부터의 냉각수도 공급되고, 공급로(28)에 공급되는 냉각수의 유량이 증가한다. 따라서, 그만큼, 분출 구멍(27)으로부터의 분출되는 냉각수의 단위 시간당 분출량이 증가한다(본 냉각).

다음으로, 소정 시간 경과하여 강판(K)이 소정의 온도로까지 냉각된 후, 개폐 밸브(25, 26)는 폐지되고, 또한 개폐 밸브(37)도 폐지된다.

또한, 이상과 같은 냉각 프로세스에 있어서는, 예비 냉각의 분사량은 1.0mL/초·각 분출 구멍∼3.0mL/초·각 분출 구멍인 것이 바람직하다. 또한, 예비 냉각 시의 개폐 밸브(25)만이 개방 상태일 때에 제1 분기 배관(21a)만으로부터 흐르게 하는 유량과, 그 후의 본 냉각 시에, 개폐 밸브(25, 26)의 양쪽을 개방하여 제1 분기 배관(21a)과 제2 배관(21b)의 양쪽으로부터 흐르게 하는 유량의 비는 1:5∼2:5인 것이 바람직하다. 따라서, 예비 냉각 시에 분출 구멍(27)으로부터 분출시키는 냉각수의 단위 시간당 분출량과, 본 냉각 시에 분출 구멍(27)으로부터 분출시키는 냉각수의 단위 시간당 분출량의 비는 1:5∼2:5인 것이 바람직하다.

또한, 예비 냉각 시, 즉, 제1 분기 배관(21a)만으로부터 흐르게 하는 시간과, 본 냉각 시, 즉, 제1 분기 배관(21a)과 제2 배관(21b)의 양쪽으로부터 흐르게 하는 시간의 비율은, 1:4∼4:1인 것이 바람직하다. 따라서, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비는, 1:4∼4:1인 것이 바람직하다. 여기서, 냉각 개시로부터 냉각 정지까지의 합계 시간을 T로 하면, 본 냉각 시간은, 개시로부터 T/5∼4T/5인 것이 바람직하다. 또한, 본 냉각 시간은, 1초∼4초인 것이 바람직하다.

이러한 냉각수의 유량 제어에 의해, 냉각 당초에 분출 구멍(27)으로부터의 냉각수의 공급량을, 제1 분기 배관(21a)만으로부터의 유량으로 한 예비 냉각과, 이어서 제1 분기 배관(21a)과 제2 배관(21b)의 양쪽으로부터 냉각수를 공급하는 본 냉각이 가능해진다. 따라서, 단위 시간당 분출량을 억제시킨 예비 냉각을 행할 수 있다. 예비 냉각을 행함으로써, 냉각 당초의 분출 구멍 부근에서는 급격한 냉각이 억제되고, 서서히 냉각됨으로써, 분출 구멍 부근과 분출 구멍으로부터 이격된 위치 사이의 온도차를 적게 할 수 있다. 또한, 서서히 냉각됨으로써, 냉각 당초의 돌비나 공기의 말려 들어감을 억제할 수 있다.

따라서, 온도 불균일이 원인이 되는, 강판의 형상의 변형, 품질 불균일을 억제할 수 있다.

다음으로, 본 실시 형태의 열간 프레스 성형 장치(1, 41)의 냉각수의 분출량 제어예에 대해 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 종래 방식, 스텝 방식 및 연속 방식에서의 각 분출량의 변동을 나타내고 있다.

종래 방식에서는, 냉각수의 공급 당초부터 정지까지의 동안은, 동일한 분출량을 유지하는 것이다. 스텝 방식이라 함은, 도 1의 열간 프레스 성형 장치(1)의 운전예를 말한다. 연속 방식이라 함은, 도 3의 열간 프레스 성형 장치(41)의 운전예를 말한다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 스텝 방식[도 1의 열간 프레스 성형 장치(1)]에서는, 하사점(도 5의 그래프 중, 횡축의 0.0의 위치)에서의 냉각 개시 시로부터 1초까지의 동안은 개폐 밸브(25)만을 개방하여, 2mL/초·각 분출 구멍의 분출량으로 공급하고 있다(예비 냉각). 그 후 2초까지의 동안은, 개폐 밸브(26)에 대해서도 개방하고, 합계 7mL/초·각 분출 구멍의 분출량으로 공급하고 있다(본 냉각).

또한, 연속 방식[도 3의 열간 프레스 성형 장치(41)]에서는, 유량 조정 밸브(42)를 제어하여, 냉각 개시 시로부터 0.8초까지의 동안은 1.5mL/초·각 분출 구멍의 분출량으로 공급한다(예비 냉각). 그 후 0.8초 경과 시점으로부터 점차 유량 조정 밸브(42)의 개방도를 크게 하여 유량을 증대시키고, 1.4초까지의 사이에서 서서히 개방도를 크게 한다. 이후 1.8초까지는, 최대 개방도로 8.0mL/초·각 분출 구멍의 분출량으로 공급한다(본 냉각). 이후 서서히 유량 조정 밸브(42)를 폐쇄하여, 2.0초의 시점에서, 유량 조정 밸브(42)를 폐쇄하고 있다.

또한, 연속 방식의 분사량 제어를 실현할 수 있는 유량 조정 밸브(42)로서, 도 6∼도 8에 도시하는 바와 같은 밸브체(44)의 개방도를 자유롭게 조정할 수 있는 것을 사용할 수 있다.

도 6은 밸브체(44)가 완전 폐쇄의 상태이다. 도 7은 밸브체(44)가 완전 폐쇄와 완전 개방의 중간의 상태이다. 도 8은 밸브체(44)가 완전 개방의 상태이다. 유량 조정 밸브(42)는 제어 장치(C)에 의해 제어된다. 제어 장치(C)는, 각도 검출 센서(도시하지 않음) 등을 통해 밸브체(44)의 개방도를 검출한다. 도 6∼도 8에 도시하는 바와 같이, 제어 장치(C)는, 검출한 개방도를 예를 들어 화살표(45) 등으로 표시할 수 있다. 또한, 제어 장치(C)는, 전동 모터 등의 밸브 개폐 구동 기구(도시하지 않음)를 통해 밸브체(44)를 개폐한다. 구체적으로는, 제어 장치(C)는, 냉각 시간과 밸브체(44)의 개방도가 관련지어져 기억된 프로그램에 기초하여 밸브체(44)를 개폐함으로써, 도 5의 연속 방식의 분출량 제어를 실현할 수 있다.

이와 같이, 연속적으로 유량 조정 가능한 유량 조정 밸브(42)를 사용함으로써, 예비 냉각 개시 시의 냉각수의 분출 및 예비 냉각으로부터 본 냉각으로의 분출량의 이행을 완만하게 할 수 있다. 또한, 제어 장치(C)가 프로그램에 기초하여 분출량 제어를 행함으로써, 프로그램을 변경하는 것만으로 도 5의 연속 방식의 분출량 패턴을 임의의 패턴으로 설정할 수 있다. 따라서, 강판의 형상의 변형, 품질 불균일을 정밀하게 조정할 수 있다.

또한, 유량 조정 밸브(42)는 1개 설치하는 경우에 한정되지 않고, 도 9에 도시하는 바와 같이, 금형에의 공급관(21)을 병렬하여 복수 설치하고, 공급관(21)마다 유량 조정 밸브(42a, 42b)를 설치해도 된다. 이 경우에는, 공급관(21)마다 유량 조정을 행할 수 있고, 특히 대형의 금형에 대해 금형의 부위마다 연속 방식의 분출량 패턴을 임의의 패턴으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시하는 바와 같이 유량 조정 밸브(42a)에서는 밸브체(44)를 개방도 45도로 하여, 도 11에 도시하는 바와 같이 유량 조정 밸브(42b)에서는 밸브체(44)를 개방도 22.5도로 하여, 공급관(21)마다 냉각수의 분출량을 변화시킬 수 있다. 따라서, 대형의 금형으로 프레스 성형하는 경우라도, 금형의 부위마다 형상이 다름으로써 발생하는 냉각(켄칭) 특성의 차를 억제시킬 수 있다. 또한, 의도적으로 냉각수의 분출량에 차를 발생시켜 금형의 부위마다 다른 냉각(켄칭) 특성으로 할 수 있다.

또한, 금형 내부의 공급로에 통하는 냉각수의 공급관에 설치한 복수의 유량 조정 밸브의 개폐 속도를 동조시키거나, 또는 의도적으로 차동시킴으로써, 금형 전체의 냉각수의 분출량을 균일하게 하도록 해도 된다. 이 경우, 제어 장치(C)가 복수의 유량 조정 밸브를 제어한다.

또한, 소형의 금형의 경우, 도 12에 도시하는 바와 같이 공급 유량이 조정 가능한 유량 조정형 공급 펌프(46) 및 흡인 유량이 조정 가능한 유량 조정형 흡인 펌프(47)를 사용할 수 있다. 유량 조정형 공급 펌프(46)를 사용함으로써 유량 조정 밸브와 마찬가지의 유량 조정이 가능하다. 유량 조정형 공급 펌프(46) 및 유량 조정형 흡인 펌프(47)에는, 예를 들어 인버터 제어에 의해 펌프의 회전수가 가변인 것을 사용할 수 있다. 이 경우, 제어 장치(C)가 펌프의 회전수를 제어한다.

이상 서술한 바와 같이, 스텝 방식[도 1의 열간 프레스 성형 장치(1)], 연속 방식[도 3의 열간 프레스 성형 장치(41)]의 어느 것이라도, 냉각 당초의 분출 구멍 부근의 급격한 냉각에 기인하는 온도 불균일이 원인인, 강판의 형상의 변형, 품질 불균일을 억제하는 것이 가능하다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 냉매로서, 물 등의 냉각수를 사용하는 경우에 대해 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 냉매에는 기체, 증기, 기체에 물을 무상으로 혼합한 기액 혼합체를 사용해도 된다.

이하, 도 1의 열간 프레스 성형 장치(1)를 사용한 실험예에 대해 설명한다.

여기서, 실험 조건으로서, 강판은, 화학 성분이 질량％로 C:0.22％, Mn:1.2％, Cr:0.2％, B:0.002％, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는, 판 두께 1.4㎜의 알루미늄 도금 강판을 사용하였다. 또한, 강판을 900℃로 가열하고, 목표 온도 250℃로 되도록 냉각하였다.

냉매는, 온도가 5℃∼25℃인 냉각수(수돗물 또는 공업용수)를 사용하였다.

프레스 성형에 의한 성형품의 형상은, 자동차의 골격 부품 중 단면 강성이 낮은 부품을 대상으로 하였다. 구체적으로는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 외향 플랜지를 갖는 단면 햇형의 성형품(51)이며, 길이 L을 400㎜, 폭 WL을 140㎜, 높이 H를 30㎜, 햇형의 폭 Wh를 70㎜로 하였다.

또한, 하측 금형(12)은, 분출 구멍(27)의 간격 I를 30㎜로 하고, 분출 구멍(27)의 직경 Ds를 1㎜로 하고, 흡인 구멍(33)의 직경 Da를 4㎜로 하였다. 또한, 볼록부의 높이(금형 표면으로부터 볼록부의 정상면까지의 거리)를 0.5㎜로 하였다.

냉각수의 단위 시간당 분출량은, 예비 냉각과 본 냉각으로 2단계로 변경하도록 하였다. 즉, 냉각 당초부터 소정 시간 경과 전까지는, 개폐 밸브(25)만을 개방하여 단위 시간당 분출량을 억제한 예비 냉각을 행하였다. 그 후, 개폐 밸브(26)도 개방하여 단위 시간당 분출량을 증가하여 본 냉각을 행하였다.

실험예에서는, 예비 냉각의 분출량과 본 냉각의 분출량의 비율을 7패턴으로 냉각하였다. 구체적으로는, 표 1에 나타내는 바와 같이, 「예비 냉각:본 냉각 0.4:2」, 「예비 냉각:본 냉각 1:5」, 「예비 냉각:본 냉각 2:5」, 「예비 냉각:본 냉각 2:10」, 「예비 냉각:본 냉각 3:10」, 「예비 냉각:본 냉각 3:15」, 「예비 냉각:본 냉각 4:10」으로 하였다. 여기서, 예를 들어 「예비 냉각:본 냉각 0.4:2」라 함은, 예비 냉각의 분출량이 0.4mL/초·각 분출 구멍이며, 본 냉각의 분출량이 2mL/초·각 분출 구멍인 것을 나타내고 있다.

또한, 분출 시간, 즉, 냉각수에 의한 냉각 시간을, 고생산성의 효과가 얻어지는 5초 이하의 범위에서 2초∼5초로 하였다.

실험예에서는, 분출 시간을 5초로 하고, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비율을 1초 단위로 변경하고, 6패턴으로 냉각하였다. 구체적으로는, 표 1에 나타내는 바와 같이, 「예비 냉각 시간 0초, 본 냉각 시간 5초」, 「예비 냉각 시간 1초, 본 냉각 시간 4초」, 「예비 냉각 시간 2초, 본 냉각 시간 3초」, 「예비 냉각 시간 3초, 본 냉각 시간 2초」, 「예비 냉각 시간 4초, 본 냉각 시간 1초」, 「예비 냉각 시간 5초, 본 냉각 시간 0초」로 하였다. 여기서, 「예비 냉각 시간 0초, 본 냉각 시간 5초」라 함은, 예비 냉각 없이, 냉각 개시 시점으로부터 종료 시점까지 본 냉각만을 행한 것을 나타내고 있다. 즉, 도 5의 종래 방식으로 냉각하였다. 또한, 「예비 냉각 시간 1초, 본 냉각 시간 4초」라 함은, 예비 냉각 시간이 1초이며, 본 냉각 시간이 4초의 냉각을 행한 것을 나타내고 있다. 또한, 「예비 냉각 시간 5초, 본 냉각 시간 0초」라 함은, 예비 냉각의 상태에서 5초간 냉각한 것을 나타내고 있다. 즉, 도 5의 종래 방식으로 단순히 분출량을 저감시킨 것이다.

예비 냉각의 분출량과 본 냉각의 분출량의 비율을 바꾼 7패턴과, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비율을 바꾼 6패턴에서, 각각에 대해 성형품의 형상 정밀도를 측정하고, 결과를 표 1에 나타냈다.

여기서, 표 1에 나타내는 「▲」은 냉각 부족에 의한 형상 정밀도 불량을 나타내고 있다. 또한, 「▼」은 급냉각에 의한 형상 정밀도 불량을 나타내고 있다. 「△」은 냉각 부족이지만 형성 정밀도의 양부가 나누어지는 것을 나타내고 있다. 「▽」은 급냉각이지만 형상 정밀도의 양부가 나뉘는 것을 나타내고 있다. 「○」은 냉각 양호에 의한 형상 정밀도 양호를 나타내고 있다. 「◎」은 냉각 양호에 의해 형상 정밀도가 안정적으로 양호를 나타내고 있다. 여기서, 형상 정밀도 양호라 함은 성형품의 모든 위치에서 목표 치수 정밀도가 ±0.5㎜ 이하인 것을 말한다. 또한, 형상 정밀도가 안정적으로 양호라 함은 성형품의 모든 위치에서 목표 치수 정밀도가 ±0.4㎜ 이하인 것을 말한다. 한편, 형상 정밀도 불량이라 함은 성형품의 적어도 일부에서 목표 치수 정밀도가 ±0.5㎜를 초과하는 것을 말한다. 또한, 형상 정밀도의 양부가 나뉜다고 하는 것은, 성형품의 적어도 일부에서 목표 치수 정밀도가 ±0.5㎜를 초과하지만, 초과하는 부위가 명확하며 성형품의 용도에 따라 사용할 수 있는 것을 말한다.

표 1에 나타내는 결과로부터, 단면 강성이 낮은 부품에서는, 예비 냉각의 분사량이 0.4mL/초·각 분출 구멍 및 4mL/초·각 분출 구멍에서는 안정 영역이 얻어지지 않았다. 즉, 형상 정밀도 불량이 되지 않도록 하기 위해서는, 예비 냉각의 단위 시간당 분출량을 1mL/초·각 분출 구멍∼3mL/초·각 분출 구멍으로 하는 것이 바람직하다. 이때, 예비 냉각의 단위 시간당 분출량과, 본 냉각의 단위 시간당 분출량의 비율을, 1:5∼2:5로 하는 것이 바람직하다.

또한, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비율을 변동시킨 경우에 있어서, 예비 냉각 시간이 0초 및 본 냉각 시간이 0초에서는 안정 영역이 얻어지지 않았다. 즉, 형상 정밀도 불량이 되지 않도록 하기 위해서는, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비율을 1:4∼4:1로 하는 것이 바람직하다. 즉, 냉각 개시 후, 냉각수의 공급을 정지할 때까지의 합계 시간을 T로 하면, 개시로부터 T/5∼4T/5까지의 사이에서, 예비 냉각을 행하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 바람직한 냉각 조건에 더하여, 또한 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비율을 2:3∼3:2로 하면, 얻어지는 성형품의 형상 정밀도를 모두 양호하게 할 수 있다. 즉, 형상 정밀도 양호로 하기 위해서는, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비율을 2:3∼3:2로 하는 것이 바람직하다.

상술한 적합한 냉각 조건을 적용하기 위해서는, 또한 이하의 조건인 것이 바람직하다. 즉, 강판은, 가열하였을 때에 스케일이 발생하지 않도록 도금이 실시된, 알루미늄계 도금 박판 강판이나 아연 도금 박판 강판인 것이 바람직하다. 판 두께는, 자동차의 부품에 사용되는 1㎜∼2㎜의 박판 강판인 것이 바람직하다. 또한, 강판의 온도는, 켄칭(급냉하여 마르텐사이트 조직을 생성함)을 위해 페라이트 조직이 석출되지 않는 온도(예를 들어 700℃) 이상이며, 1000℃ 이하로 가열시켜 두는 것이 바람직하다. 또한, 냉매는 비교적으로 용이하게 입수할 수 있으므로 물인 것이 바람직하고, 온도는 상온인 5℃∼25℃인 것이 바람직하다. 또한, 분출 시간, 즉, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간을 합한 냉각 시간은, 분출시킨 냉각수를 확산시키기 위해 2초 이상인 것이 바람직하고, 고생산성의 효과를 얻기 위해 5초 이하인 것이 바람직하다. 또한, 예비 냉각의 단위 시간당 분출량을 1mL/초∼3mL/초로 하기 위해, 분출 구멍(27)의 직경 Ds는 1㎜∼4㎜로 하는 것이 바람직하다.

또한, 단면 강성이 높은 부품에 대해서는, 「▲」, 「▼」, 「△」 또는 「▽」이, 「○」 또는 「◎」으로 바뀌고, 안정 영역이 확장되는 것이 예상된다. 또한 단면 강성이 높은 부품에서는, 표 1에는 기재하고 있지 않지만, 분출 시간을 2초까지 단축할 수 있는 것을 실험으로 확인하고 있다.

이상, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않는다. 당업자라면, 청구범위에 기재된 사상의 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하며, 그에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속한다.

예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, 하측 금형(12)에 분출 구멍(27)과 흡인 구멍(33)을 형성하는 경우에 대해 설명하였지만, 이 경우에 한정되지 않고, 상측 금형(11) 및 하측 금형(12) 중 적어도 어느 한쪽에 분출 구멍(27)과 흡인 구멍(33)을 형성하는 구성이어도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 분출 구멍(27)을 복수 형성하는 경우에 대해 설명하였지만, 이 경우에 한정되지 않고, 성형품의 크기에 따라서는 하나의 분출 구멍(27)이어도 된다.

본 발명은 박판 강판을 열간 프레스 성형할 때에 유용하다.

Claims (12)

1. 가열된 박판 강판을 열간 프레스 성형할 때에, 금형 내부의 공급로로부터 연통된 금형 표면의 분출 구멍에 냉각수를 공급함으로써 당해 박판 강판을 냉각하는 열간 프레스 성형의 냉각 방법이며,
   상기 가열된 박판 강판을 금형에 적재하여 하사점에서 유지한 상태에서, 상기 냉각수를 상기 분출 구멍에 공급하여 냉각할 때에, 냉각 개시 시에 상기 분출 구멍으로부터 단위 시간당 1mL∼3mL의 분출량의 냉각수를 공급하고, 상기 냉각수와 상기 가열된 박판 강판의 열에 의해 발생하여 확산된 증기에 의한 예비 냉각을 행한 후에, 이어서, 단위 시간당 분출량을 증가시켜 본 냉각을 행한 후, 냉각을 정지하고,
   예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비는, 1:4∼4:1이고,
   상기 예비 냉각과 상기 본 냉각의 분출 구멍으로부터의 상기 냉각수의 단위 시간당 분출량의 비는, 1:5∼2:5인 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형의 냉각 방법.
2. 제1항에 있어서, 또한, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비는, 2:3∼3:2인 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형의 냉각 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또한, 상기 박판 강판은, 판 두께가 1㎜∼2㎜인 알루미늄계 도금 박판 강판 또는 아연 도금 박판 강판이며, 예비 냉각 전에 700℃∼1000℃로 가열되고,
   상기 냉각수는, 5℃∼25℃의 물이며,
   상기 예비 냉각 시간과 상기 본 냉각 시간을 합한 냉각 시간은, 2초∼5초인 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형의 냉각 방법.
4. 열간 프레스 성형하기 위한 금형과, 가열된 박판 강판을 냉각하기 위한 분출 구멍을 구비하고, 가열된 박판 강판을 열간 프레스 성형할 때에, 금형 내부의 공급로로부터 연통된 금형 표면의 분출 구멍에 냉각수를 공급함으로써 당해 박판 강판을 냉각하는 열간 프레스 성형 장치이며,
   상기 열간 프레스 성형 장치는,
   상기 가열된 박판 강판을 금형에 적재하여 하사점에서 유지한 상태에서, 상기 냉각수를 상기 분출 구멍에 공급하여 냉각할 때에, 냉각 개시 시에 단위 시간당 1mL∼3mL의 분출량의 냉각수를 공급하고, 상기 냉각수와 상기 가열된 박판 강판의 열에 의해 발생하여 확산된 증기에 의한 예비 냉각을 행한 후에, 이어서, 상기 분출 구멍으로부터의 상기 냉각수의 단위 시간당 분출량을 증가시켜 본 냉각을 행한 후, 냉각을 정지하고,
   예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비는, 1:4∼4:1이고,
   상기 예비 냉각과 상기 본 냉각의 분출 구멍으로부터의 상기 냉각수의 단위 시간당 분출량의 비를, 1:5∼2:5로 하는 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형 장치.
5. 제4항에 있어서, 또한, 예비 냉각 시간과 본 냉각 시간의 비를, 2:3∼3:2로 하는 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형 장치.
6. 제4항에 있어서, 또한, 상기 박판 강판은, 판 두께가 1㎜∼2㎜인 알루미늄계 도금 박판 강판 또는 아연 도금 박판 강판이며, 예비 냉각 전에 700℃∼1000℃로 가열되고,
   상기 냉각수는, 5℃∼25℃의 물이며,
   상기 예비 냉각 시간과 상기 본 냉각 시간을 합한 냉각 시간은, 2초∼5초인 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형 장치.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금형 표면에는, 직사각 형상으로 위치하는 4개의 상기 분출 구멍의 중앙에 흡인 구멍이 형성되고,
   상기 흡인 구멍의 직경은, 상기 분출 구멍의 직경보다도 큰 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형 장치.
8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금형 내부의 공급로에 통하는 상기 냉각수의 공급관에는, 복수의 상기 냉각수의 공급 계통을 접속하고, 각 공급 계통에, 개폐 밸브를 설치한 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형 장치.
9. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금형 내부의 공급로에 통하는 상기 냉각수의 공급관에는, 유량 조정 밸브를 설치한 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형 장치.
10. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금형 내부의 공급로에 통하는 상기 냉각수의 공급관에는, 유량 조정 가능한 공급 펌프를 설치한 것을 특징으로 하는, 박판 강판의 열간 프레스 성형 장치.
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