KR101865737B1 - 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따라서 제1 설정온도 범위로 가열된 블랭크를 핫스탬핑하고, 급냉시키는 핫스탬핑 장치는 상기 블랭크의 하면과 상면에 가압되어 성형제품을 성형하고, 성형과 동시에 이를 급냉시키는 하형과 상형을 포함하고, 상기 하형 또는 상기 상형의 성형면에는 상기 상형과 상기 하형에 로딩되는 상기 블랭크의 일부에 에어를 분사하여 에어 냉각부를 형성하는 에어 분사구가 형성될 수 있다.

Description

블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치{HOT STAMPING DEVICE THAT PRE COOLES BLANK BEFOR FORMING}

본 발명은 블랭크를 전체적으로 가열하고, 가열된 블랭크에 부분적으로 에어를 분사한 후 핫스탬핑을 수행하여 크랙이나 네킹을 방지하는 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치에 관한 것이다.

차량에는 다양한 강도를 갖는 부품들이 사용된다. 예를 들어 차량 충돌 또는 전복 시 에너지를 흡수해야 하는 부분들은 비교적 약한 강도가 요구되며, 탑승자의 생존공간 확보를 위해 형상유지가 필요한 부분은 강한 강도가 요구된다.

충돌 시 에너지를 흡수해야 하는 부분이 강도가 지나치게 높으면 충격에너지를 적절하게 흡수하지 못하고 다른 부분으로 그대로 전달하게 되어, 오히려 탑승객과 차량의 다른 부품들에 과도한 충격을 전달할 수 있다.

이러한 부품에는 대표적으로 승용차의 B 필러 및 충돌부재와 관련된 차체 부품들을 예로 들 수 있다.

차량의 B 필러는 승용차량의 프런트 도어(front door)와 리어 도어(rear door) 사이에서 차체의 바닥면과 루프(roof)를 연결하는 부분을 말한다.

저강도의 소재로 부품을 형성한 후, 고강도가 요구되는 부분에 별도의 보강재를 부착하는 방식을 사용하기도 하였으나, 하나의 부품이 구간적으로 다른 강도가 요구되는 경우 상부는 강도가 높은 소재를 사용하고, 하부는 강도가 낮은 소재를 사용하여 두 소재를 용접하여 블랭크를 만들고 핫스탬핑 공정을 거쳐 최종 제품을 제작하고 있었다.

그런데, 이렇게 이종의 소재를 용접하여 사용하는 것은 용접공정 추가에 의한 제조비용 상승이 불가피하며, 핫스탬핑 후 용접부에서 강도가 저하되거나 터짐이 발생하는 등의 심각한 문제발생 우려가 잔존하게 된다.

핫스탬핑 방법은 보론이 함유된 강판을 오스테나이트화 온도로 가열한 후 프레스로 성형, 냉각하는 공정으로 제품 강도가 2.5배가량 향상(600→1500MPa)됨으로써 차체 경량화에 기여하고 있다.

또한 최근에는 충돌에너지 흡수를 증대시킬 목적으로 국부 연화 핫스탬핑 부품을 제조하고 있다. 핫스탬핑 부품의 강도 향상은 마르텐사이트 변태에 기인한 것이므로 부분적으로 금형의 온도를 증가시켜 냉각속도를 감소시키거나, 소재 가열 시, 연성이 요구되는 부분을 핫스탬핑 하면 마르텐사이트 변태가 억제되어 연화된다.

여기서 금형 온도를 제어하는 기술과 관련하여 특허출원번호 제10-2012-0081126호 "국부 핫스탬핑 성형 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 성형방법", 특허출원번호 제10-2009-0132258호 "국부적으로 이종 강도를 갖는 열간 프레스 성형체 제조용 금형 시스템 및 이를 이용한 성형체 제조방법" 등이 안출되어 있다.

한편, 보론강을 오스테나이트 온도로 가열한 후, 핫스탬핑을 실시하고, 급냉시키는데, 핫스탬핑을 수행하는 과정에서 굴곡부가 심한 부분에 네킹이나 크랙이 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위한 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

대한민국 출원번호 10-2013-0150246 대한민국 출원번호 10-2013-0169448

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 가열로를 통해서 블랭크를 전체적으로 설정온도로 가열하고, 이를 핫스탬핑 장치를 통해서 전체적으로 성형하면서 급냉시키되, 핫스탬핑 과정에서 성형제품에 네킹이나 크랙의 형성을 방지하는 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치를 제공하는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라서 제1 설정온도 범위로 가열된 블랭크를 핫스탬핑하고, 급냉시키는 핫스탬핑 장치는 상기 블랭크의 하면과 상면에 가압되어 성형제품을 성형하고, 성형과 동시에 이를 급냉시키는 하형과 상형을 포함하고, 상기 하형 또는 상기 상형의 성형면에는 상기 상형과 상기 하형에 로딩되는 상기 블랭크의 일부에 에어를 분사하여 에어 냉각부를 형성하는 에어 분사구가 형성될 수 있다.

상기 제1 설정온도 범위는 상기 블랭크가 풀오스테나이트로 상변태되도록 설정될 수 있다.

상기 에어 분사구에서 분사된 에어에 의해서 상기 블랭크의 상기 에어 냉각부는 오스테나이트와 페라이트로 상변태되도록 제2 설정온도 범위로 냉각될 수 있다.

상기 상형 또는 상기 하형에는 상기 에어 분사구로 에어를 공급하는 에어 공급통로가 내부에 형성될 수 있다.

압축공기를 공급받아 저온공기와 고온공기를 분리하고, 저온공기는 상기 에어 공급통로로 공급하고, 고온공기는 외부로 배출하는 볼텍스 튜브(VORTEX TUBE)를 포함할 수 있다.

상기 상형과 상기 하형의 성형면 내부에는 냉각매체가 흐르는 냉각 채널이 형성될 수 있다.

상기 상형 또는 상기 하형이 성형된 제품의 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 상변태되도록 제3 설정온도 범위로 급냉시킬 수 있다.

상기 냉각 채널을 흐르는 냉각매체의 온도는 설정온도로 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 방법은 제1 설정온도 범위로 블랭크를 가열하는 단계, 가열된 상기 블랭크를 핫스탬핑금형에 로딩시키는 단계, 성형하기 전에 상기 핫스탬핑금형의 에어분사구에서 상기 블랭크의 성형 깊이가 깊은 부분에 에어를 분사하여 부분적으로 제2 설정온도범위를 갖는 에어냉각부를 형성하는 단계, 및 상기 블랭크를 전체적으로 핫스탬핑 성형하고, 상기 핫스탬핑금형의 성형면의 내부에 형성된 냉각채널을 지나는 냉각매체에 의해서 성형제품을 제3설정온도범위로 급냉시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 설정온도 범위는 상기 블랭크가 풀오스테나이트로 상변태되도록 설정될 수 있다.

상기 제2 설정온도 범위는 상기 블랭크의 오스테나이트 중 일부가 페라이트로 상변태되도록 설정될 수 있다.

상기 제3 설정온도 범위는 상기 블랭크의 오스테나이트가 마르텐사이트로 상변태되도록 설정될 수 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 가열로를 통해서 블랭크를 전체적으로 설정온도로 가열하고, 핫스탬핑 장치를 통해서 상기 블랭크의 일부분을 에어로 설정온도로 냉각시킨 후에, 이를 핫스탬핑 장치를 통해서 전체적으로 성형하면서 급냉시켜 성형제품에 네킹이나 크랙의 형성을 용이하게 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에서 블랭크가 로딩된 상태를 보여주는 전체적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에서 블랭크에 에어를 분사하고 성형을 시작하는 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치의 일부 상세 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에서 에어 분사구를 보여주는 일부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에 적용되는 볼텍스 튜브(VORTEX TUBE)의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.

하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 방법을 보여주는 플로우차트이다.

도 1을 참조하면, 핫스탬핑방법은 S100에서 블랭크(105)를 로딩하고, S110에서 히팅장치를 이용하여 블랭크(105)를 제1 설정온도 범위로 가열한다. 여기서, 상기 제1 설정온도 범위는 보론강이 풀오스테나이트로 상변태되는 온도로써, 섭씨 900도 내지 950도를 포함할 수 있다.

S120에서 핫스탬핑장치는 가열된 블랭크(105)를 핫스탬핑하고, 성형된 제품을 성형과 동시에 급냉시킨다. 그리고, S130에서 성형된 성형제품의 가장자리를 트리밍한다.

본 발명의 실시예에서, S120에서 블랭크(105)에서 성형 깊이가 깊은 부분에 에어를 분사하여 제2 설정온도 범위로 냉각시킨다. 상기 제2 설정온도 범위는 오스테나이트의 일부가 페라이트 조직으로 상변태되는 온도를 포함할 수 있다.

그리고, 급냉단계에서는 성형제품을 제3 설정온도 범위로 급냉시키는데, 급냉과정에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 상변태된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에서 블랭크가 로딩된 상태를 보여주는 전체적인 단면도이다.

도 2를 참조하면, 핫스탬핑장치는 구성요소로써 상형(100), 냉각 채널(130), 블랭크(105), 홀더(115), 하형(110), 에어 공급통로(125), 및 에어 분사구(120)를 포함한다.

상기 하형(110)의 상부측에 상기 상형(100)이 배치되고, 상기 상형(100)과 상기 하형(110) 사이에 제1 설정온도 범위로 가열된 상기 블랭크(105)가 배치된다. 여기서, 상기 홀더(115)는 상기 블랭크(105)의 양단를 지지하여, 상기 블랭크(105)가 상기 상형(100)과 상기 하형(110) 사이에 배치된다.

상기 상형(100)과 상기 하형(110)의 각 성형면에는 성형제품의 형태를 따르는 성형면이 형성되고, 성형면의 내부에는 냉각 채널(130)이 설정된 간격을 두고 형성된다. 상기 냉각 채널(130)로는 섭씨 약 14도의 냉각수와 같은 냉각매체가 흐른다.

상기 하형(110)의 성형면에는 에어 분사구(120)가 형성되고, 상기 에어 분사구(120)에서 분사되는 에어는 상기 블랭크(105)의 하면에서 성형 깊이가 깊은 부분에 분사된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에서 블랭크에 에어를 분사하고 성형을 시작하는 상태를 보여주는 단면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 상형(100)이 하강하고, 상기 상형(100)은 상기 홀더(115)를 누르면서, 상기 블랭크(105)를 성형한다. 이때, 상기 블랭크(105)는 섭씨 약 800도인 상태에서 성형될 수 있다.

그리고, 상기 블랭크(105)에는 상기 에어 분사구(120)에서 분사된 에어에 의해서 부분적으로 냉각된 에어 냉각부(140)가 형성된다. 여기서, 상기 에어 냉각부(140)는 제2 설정온도 범위로 냉각되고, 성형된다.

본 발명의 실시예에서, 성형전에는 상기 에어 냉각부(140)는 오스테나이트와 페라이트 조직을 가지며, 상기 에어 냉각부(140)를 제외한 나머지는 오스테나이트조직을 갖는다. 따라서, 급냉시 오스테나이트의 일부는 마르텐사이트로 변형되고, 상기 에어 냉각부(140)의 강도는 낮고 나머지 부분보다 연한다.

따라서, 성형된 제품에서 상기 에어 냉각부(140)에 해당하는 부분에는 크랙이나 네킹이 발생하지 않는다. 상기 성형제품이 급냉되는 제3 설정온도 범위는 섭씨 25도 내지 150도에 포함된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 에어 냉각부(140)는 성형 깊이가 깊은 부분에 형성되며, 한 실험데이터에서는 에어가 미분사된 상태에서는 두께 감소율이 30%이고, 에어가 분사된 상태에서는 두께 감소율이 11%에 불과하다. 따라서, 성형 깊이가 깊은 부분에 에어를 냉각함으로써 크랙이나 네킹현상을 용이하게 줄이거나 제거할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치의 일부 상세 단면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 하형(110)에서 성형 깊이가 깊은 곳에 상기 에어 분사구(120)가 형성되고, 상기 하형(110)의 내부에는 상기 에어 분사구(120)로 에어를 공급하는 에어 공급통로(125)가 형성된다. 상기 에어 공급통로(125)는 하형의 측면에 배치되는 에어 조절부(300)에 연결되고, 상기 에어 조절부(300)는 외부로부터 압축공기를 공급받는다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에서 에어 분사구를 보여주는 일부 사시도이다.

도 5를 참조하면, 상기 하형(110)의 성형면에는 성형 깊이가 깊은 부분에 대응하여 설정된 방향으로 설정된 간격을 두고 상기 에어 분사구(120)가 배열된다. 상기 에어 분사구(120)는 일렬로 배열되거나 이열 이상으로 배열될 수 있으며, 크랙이나 네킹에 형성되는 부분에 추가적으로 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 장치에 적용되는 볼텍스 튜브(VORTEX TUBE)의 사시도이다.

도 6을 참조하면, 볼텍스 튜브(600)의 길이방향 가운데에서 내부로 압축공기가 공급되고, 일측으로는 고온에어가 분사되고, 타측으로는 저온에어가 분사된다. 상기 볼텍스 튜브(600)의 원리 및 구조에 대해서는 공지기술을 참조한다.

저온에어는 상기 에어 공급통로(125)와 상기 에어 분사구(120)를 통해서 상기 블랭크(105)의 일측으로 분사되어, 상기 블랭크(105)의 에어 냉각부(140)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

100: 상형 105: 블랭크
110: 하형 115: 홀더
120: 에어 분사구 125: 에어 공급통로
130: 냉각 채널 140: 에어 냉각부
300: 에어 조절부 600: 볼텍스 튜브

Claims (12)

1. 제1 설정온도 범위로 가열된 블랭크(105)를 금형에 배치하고, 상기 블랭크(105)를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치에 있어서,
   상기 블랭크(105)의 하면과 상면에 가압되어 성형제품을 성형하고, 성형과 동시에 이를 급냉시키는 하형(110)과 상형(100)을 포함하고,
   상기 하형(110) 또는 상기 상형(100)의 성형면에는 상기 상형(100)과 상기 하형(110)에 로딩되는 상기 블랭크(105)에서 성형깊이가 설정치보다 깊은 부분에 에어를 분사하여 상기 블랭크(105)에 에어 냉각부(140)를 형성하는 에어 분사구(120)가 형성되고,
   상기 제1 설정온도 범위는 상기 블랭크(105)가 풀오스테나이트로 상변태되도록 설정되며,
   상기 에어 분사구(120)에서 분사된 에어에 의해서 상기 블랭크(105)의 상기 에어 냉각부(140)는 오스테나이트와 페라이트로 상변태되도록 제2 설정온도 범위로 냉각되며,
   상기 상형(100) 또는 상기 하형(110)에는 상기 에어 분사구(120)로 에어를 공급하는 에어 공급통로가 내부에 형성되고,
   압축공기를 공급받아 저온공기와 고온공기를 분리하고, 저온공기는 상기 에어 공급통로(125)로 공급하고, 고온공기는 외부로 배출하는 볼텍스 튜브(VORTEX TUBE)를 포함하는 것을 특징으로 하는 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치.
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6. 제1항에 있어서,
   상기 상형과 상기 하형의 성형면 내부에는 냉각매체가 흐르는 냉각 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 상형 또는 상기 하형이 성형된 제품의 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 상변태되도록 제3 설정온도 범위로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 냉각 채널을 흐르는 냉각매체의 온도는 설정된 온도로 냉각된 것을 특징으로 하는 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 장치.
9. 제1 설정온도 범위로 블랭크를 가열하는 단계;
   가열된 상기 블랭크를 핫스탬핑금형에 로딩시키는 단계;
   성형하기 전에 상기 핫스탬핑금형의 에어분사구에서 상기 블랭크의 성형 깊이가 설정치 보다 깊은 부분에 에어를 분사하여 부분적으로 제2 설정온도범위를 갖는 에어냉각부를 형성하는 단계; 및
   상기 블랭크를 전체적으로 핫스탬핑 성형하고, 상기 핫스탬핑금형의 성형면의 내부에 형성된 냉각채널을 지나는 냉각매체에 의해서 성형제품을 제3설정온도범위로 급냉시키는 단계를 포함하고,
   상기 제1 설정온도 범위는 상기 블랭크가 풀오스테나이트로 상변태되도록 설정되며,
   상기 제2 설정온도 범위는 상기 블랭크의 오스테나이트 중 일부가 페라이트로 상변태되도록 설정되고,
   상기 제3 설정온도 범위는 상기 블랭크의 오스테나이트가 마르텐사이트로 상변태되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 블랭크를 성형 전에 미리 에어 냉각시키는 핫스탬핑 방법.
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