KR101868402B1 - 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법 - Google Patents

국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법은 블랭크가 오스테나이트로 상변태되도록 제1 설정온도 범위로 가열하는 단계, 핫스탬핑 금형을 이용하여 가열된 상기 블랭크를 성형하고, 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 상변태되도록 제2 설정온도 범위로 급냉시키되, 트리밍 라인을 포함하는 가장자리부에는 급냉되는 급냉부와 공기 중에 노출되어 서냉되는 서냉부를 교대로 형성하는 단계, 및 성형제품에서 상기 급냉부와 상기 서냉부가 교대로 형성된 트리밍 라인을 따라서 트리밍하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법{PARTIAL SOFTENING HOT STAMPING AND TRIMMING METHOD}
본 발명은 가열된 블랭크를 핫스탬핑하고, 트리밍될 부분에 급냉부와 서냉부를 형성하고, 급냉부와 서냉부가 형성된 부분을 트리밍하는 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법에 관한 것이다.
핫스탬핑은 보론이 함유된 강판을 오스테나이트화 온도(900~950℃)로 가열한 후 프레스로 성형, 급냉하는 공정으로 제품 강도가 2.5배가량 향상(600→1500MPa)된다.
또한 최근에는 충돌에 에너지 흡수를 증대시킬 목적으로 국부 연화 핫스탬핑 공법이 도입되고 있다. 핫스탬핑 부품의 강도 증가는 마르텐사이트 변태에 의한 것이므로 부분적으로 금형의 온도를 제어하여 냉각속도를 감소시키거나, 연성이 요구되는 부분을 오스테나이트화 하지 않고 핫스탬핑 하면 마르텐사이트 변태가 억제된다.
부분적으로 금형 온도를 높여 국부 연화하는 방법(이하 Partial quenching)은 제품 사양에 따라서 450℃ 이상으로 가열해야 하고, 연화될 부분은 450℃ 상태에서 취출되고 이를 상온에서 서서히 냉각한다. 여기서, 급냉부위와 서냉부위의 온도 차에 의한 잔류응력 및 열변형으로 뒤틀림이 발생한다.
열간프레스 성형의 금형 구조는 제품의 트리밍부와 제품으로 이루어지고, 전체적으로 금형에 접촉한 상태로 냉각이 되기 때문에 제품의 전체면이 임계냉각속도로 냉각이 된다. 따라서, 전체면이 1500MPa 이상의 마르텐사이트로 변태되며 후공정(외주 트리밍)에서 전단 금형의 수명을 크게 저하시킨다.
따라서, 이러한 전단 금형의 손상 때문에 대량 생산이 불가능하며 부득이하게 시간과 비용이 많이 드는 레이저절단방식을 택하고 있으나, 비용이 증가하고 트리밍 시간이 증가한다.
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 공개번호 10/2015/0124793 대한민국 공개번호 10/2013/0015633
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 핫스탬핑 금형에 의해서 프레스 성형되고 급냉된 성형제품의 가장자리를 트리밍 할 때, 트리밍날의 마모를 줄여서 작동 수명을 늘릴 수 있고, 레이저 트리밍 방법과 비교하여 비용을 줄일 수 있는 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법은 블랭크가 오스테나이트로 상변태되도록 제1 설정온도 범위로 가열하는 단계, 핫스탬핑 금형을 이용하여 가열된 상기 블랭크를 성형하고, 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 상변태되도록 제2 설정온도 범위로 급냉시키되, 트리밍 라인을 포함하는 가장자리부에는 급냉되는 급냉부와 공기 중에 노출되어 서냉되는 서냉부를 교대로 형성하는 단계, 및 성형제품에서 상기 급냉부와 상기 서냉부가 교대로 형성된 트리밍 라인을 따라서 트리밍하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 설정온도 범위는 섭씨 900도 내지 950도일 수 있다.
상기 제2 설정온도 범위는 섭씨 150도 내지 25도이고, 상기 급냉부는 마르텐사이트 조직을 가지고, 상기 서냉부는 마르텐사이트, 페라이트, 및 펄라이트 조직을 동시에 가질 수 있다.
상기 핫스탬핑 금형은, 상기 블랭크의 상면을 성형하는 상부 성형면이 형성된 상형, 및 상기 블랭크의 하면을 성형하는 하부 성형면이 형성된 하형을 포함하고, 상기 상부 성형면 또는 상기 하부 성형면에는 상기 서냉부에 대응하여 서냉용 홈이 형성될 수 있다.
상기 서냉용 홈은 상기 상부 성형면 또는 상기 하부 성형면의 가장자리부를 따라서 설정된 간격을 두고 형성될 수 있다.
상기 서냉용 홈은 상기 상형 및 상기 하형의 각 외측면으로 개방되어 상기 상형과 상기 하형이 합형된 상태에서 상기 서냉부의 상면과 하면이 외부에 노출될 수 있다.
상기 상형에 형성된 서냉용 홈과 상기 하형에 형성된 서냉용 홈은 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
상기 상형 및 상기 하형의 내부에는 각 성형면을 따라서 성형된 제품을 급냉시키는 냉각수단이 배치될 수 있다.
상기 성형제품은 상기 급냉부의 양면이 상기 상부 성형면과 상기 하부 성형면에 압착되어 상기 냉각수단에 의해서 급냉되며, 상기 서냉부의 양면이 외부공기 중에 노출되어 서냉될 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 핫스탬핑 금형에 의해서 성형제품의 가장자리부에 서냉부와 급냉부를 교대로 형성하고, 이 부분을 트리밍함으로써, 트리밍날에 가해지는 트리밍 하중이 줄일 수 있다.
아울러, 트리밍 하중이 줄어듦에 따라서 트리밍날의 마모가 줄고, 전체적인 작동수명이 향상되며, 레이져 트리밍 방식과 비교하여 트리밍 시간을 대폭 축소시킬 수 있으며, 레이저 트리밍 방법에 비교하여 투자비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 국부연화 핫스탬핑 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 국부연화 핫스탬핑 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트리밍 방법을 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트리밍 방법을 보여주는 상세 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블랭크에서 급냉부와 서냉부의 특성을 보여주는 그래프 및 표이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 국부연화 핫스탬핑 트리밍 방법을 보여주는 개략적인 순서도이다.
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 국부연화 핫스탬핑 장치의 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 국부연화 핫스탬핑 장치는 상형(200a), 하형(200b), 냉각채널(210), 및 서냉용 홈(220)을 포함한다.
상기 상형(200a)의 성형면에서 일측 가장자리에는 서냉용 홈(220)이 설정된 간격을 두고 형성되고, 상기 하형(200b)의 성형면에서 일측 가장자리에도 서냉용 홈(220)이 설정된 간격을 두고 형성되며, 상기 상형(200a)에 형성된 서냉용 홈(220)과 상기 하형(200b)에 형성된 서냉용 홈(220)은 서로 대응하는 위치에 형성된다.
상기 상형(200a)과 상기 하형(200b)에서 성형면을 따라서 냉각채널(210)이 설정 깊이에 형성되고, 상기 냉각채널(210)은 상기 상형(200a)과 상기 하형(200b) 사이에서 프레스 성형된 제품을 급냉시킬 수 있다.
먼저, 블랭크(300)가 제1 설정온도 범위(섭씨 900도 내지 950)로 가열되어 풀오스테나이트 조직으로 상변태되고, 이와 같이 가열된 상기 블랭크(300)가 상기 상형(200a)과 상기 하형(200b) 사이로 투입된다.
상기 상형(200a)과 상기 하형(200b)이 설정온도(약 섭씨 800도)를 갖는 블랭크(300)를 프레스 성형하고, 상기 냉각채널(210)을 지나는 냉각매체가 프레스 성형된 제품을 제2설정온도 범위(섭씨 150도 내지 25도)급냉시켜 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 상변태시킨다.
아울러, 상기 서냉용 홈(220)에 대응하는 부분은 가열된 상태에서 급냉되지 않고, 외부공기에 의해서 서서히 냉각되어 페라이트와 펄라이트 구조를 갖는다. 따라서, 상기 서냉용 홈에 대응하는 서냉부는 급냉된 부분과 비교하여 강도가 약하고, 연하다.
즉, 상기 서냉용 홈(220)은 상기 상형(200a)과 상기 하형(200b)의 각 성형면의 가장자리부에 형성되며, 상기 상형(200a)과 상기 하형(200b)이 합형된 상태에서, 외측으로 개방되어 외부공기가 설정온도로 가열된 성형된 제품을 서서히 냉각시키는 구조를 갖는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 국부연화 핫스탬핑 방법을 보여주는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 국부연화 핫스탬핑 방법은 가열단계(S300), 투입단계(S310), 핫스탬핑 및 급냉단계(S320), 및 취출단계(S330)를 포함한다.
상기 가열단계(S300)에서, 가열로(250)는 블랭크(300)를 제1 설정온도 버위(섭씨 900도 내지 950도 사이(예를 들어, 930도))로 가열하여, 보론강을 풀오스테나이트 조직으로 상변태시킨다.
상기 투입단계(S310)에서, 가열된 블랭크(300)가 상기 핫스탬핑 금형(200)의 상형(200a)과 하형(200b) 사이로 투입되고, 상기 핫스탬핑 및 급냉단계(S320)에서, 약 800도를 갖는 상기 블랭크(300)가 상기 핫스탬핑 금형(200)에 의해서 프레스 성형되고, 상기 냉각채널(210)을 통과하는 냉각매체에 의해서 제2 설정온도 범위(섭씨 150도 내지 25도)로 급냉된다.
여기서, 상기 상형(200a)과 상기 하형(200b)에 형성된 상기 서냉용 홈(220)에 대응하는 부분은 급냉되지 않고, 서냉된다. 즉, 상기 서냉용 홈(220)에 대응하는 부분은 외부 공기에 의해서 서서히 냉각되어 급냉된 부분과 비교하여 강도는 낮고, 연하다.
상기 취출단계(S330)에서, 프레스 성형되고, 부분적으로 급냉 또는 서냉된 성형제품(100)이 핫스탬핑 금형에서 취출된다. 여기서, 성형제품(100)의 가장자리에는 성형면에 접촉하는 급냉부(310a)와 상기 서냉용 홈(220)에 대응하는 상기 서냉부(310b)가 교대로 형성된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트리밍 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 로딩단계(S400), 트리밍단계(S410), 및 취출단계(S420)를 포함한다.
상기 로딩단계(S400)에서, 이송장치(미도시)는 상기 핫스탬핑 금형에 의해서 프레스 성형되고, 부분적으로 급냉된 성형제품을 트리밍장치로 로딩한다.
상기 트리밍장치는 트리밍 상형(400a), 트리밍 하형(400b), 및 트리밍날(115)을 포함하고, 상기 트리밍 하형(400b) 위에 상기 트리밍 상형(400a)이 배치되고, 이들 사이에 성형제품이 고정되며, 상기 트리밍날(115)은 상기 트리밍장치의 양측면에 상하로 이동 가능하게 배치된다.
상기 트리밍단계(S410)에서, 상기 트리밍날(115)이 하강하면서 고정된 상기 성형제품(100)의 가장자리부에 전단응력을 가해서 트리밍하고, 상기 취출단계(S420)에서 트리밍된 완성품(120)이 취출된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트리밍 방법을 보여주는 상세 순서도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 성형제품(100)의 가장자리에는 트리밍 영역(452)이 형성된다. 상기 트리밍 영역(452)은 서냉부(310b)와 급냉부(310a)를 포함하고, 상기 서냉부(310b)는 상기 핫스탬핑 금형의 상기 서냉용 홈(220)에 의해서 형성되고, 상기 급냉부(310a)는 상기 핫스탬핑 금형의 성형면에 접촉하여 형성된다.
도 4의 (b)를 참조하면, 상기 트리밍 상형(400a)과 상기 트리밍 하형(400b) 사이에 상기 성형제품(100)이 개재되고, 상기 트리밍 상형(400a)과 상기 트리밍 하형(400b)이 서로 상기 성형제품(100)을 설정된 힘으로 누른 상태에서, 측면에 배치된 상기 트리밍날(115)이 하강하여, 상기 성형제품(100)을 트리밍 라인(500)을 따라서 절단한다.
도 4의 (c)를 참조하면, 상기 성형제품(100)의 가장자리가 트리밍 라인(500)을 따라서 트리밍되고, 상기 트리밍 라인(500)은 상기 트리밍 영역(452) 안에 형성된다. 따라서, 상기 트리밍 라인(500)과 상기 트리밍 영역(452)의 내측단부 사이에는 설정된 거리(L)이 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 트리밍날(115)은 상기 서냉부(310b)와 상기 급냉부(310a)가 서로 교대로 형성된 상기 트리밍 영역(452)을 절단하는데, 상기 서냉부(310b)는 강도가 낮고, 연해서 상기 트리밍날(115)의 마모를 줄일 수 있으며, 상기 서냉부(310b)와 상기 급냉부(310a)가 교대로 형성되고, 핫스탬핑 후 판재의 뒤틀림을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블랭크에서 급냉부와 서냉부의 특성을 보여주는 그래프 및 표이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 가로축은 시간을 나태나고, 세로축은 온도를 나타낸다. 상기 급냉부(310a)는 급냉라인을 따라서 약 900도(가변될 수 있음)에서 급냉되어 마르텐사이트 조직을 가지며, 상기 서냉부(310b)는 서냉라인을 따라서 서서히 냉각되어 페라이트, 및 펄라이트 조직을 가질 수 있다.
아울러, Ms는 마르텐사이트가 생성되는 시점이고, Mf는 마르텐사이트 생성이 종료되는 지점이다. 상기 급냉라인과 급냉라인은 냉각속도와 외부 환경에 따라서 경사도가 가변될 수 있다. 아울러, A1은 공석변태점을 나타내고, A3는 동소변태점을 나타낸다.
도 5의 (b)를 참조하면, 금형밀착부는 성형면과 밀착되어 냉각부(냉각채널)에 의해서 급냉되는 부분으로, 주로 마르텐사이트 조직을 가지며, 항복강도(yield strength)는 1100MPa이고, 인장강도(tensile strength)는 1500MPa이며, 연신율은 8%에 달한다.
상기 핫스탬핑 금형(200)의 상기 서냉용 홈(220)에 대응하는 서냉용홈 대응부는 외부 공기에 의해서 서냉되는 부분으로, 마르텐사이트, 페라이트, 및 펄라이트 등을 갖는 조직을 가지며, 항복강도(yield strength)는 700MPa이고, 인장강도(tensile strength)는 800MPa이상이며, 연신율은 16%에 달한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 국부연화 핫스탬핑 트리밍 방법을 보여주는 개략적인 순서도이다.
도 6을 참조하면, 국부연화 핫스탬핑 트리밍 방법은 블랭크가열단계(S700), 핫스탬핑 및 국부 급냉단계(S710), 트리밍단계(S720), 및 취출단계(S730)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 상기 블랭크가열단계(S700)에서는 상기 블랭크(300)가 오스테나이트 조직으로 변화되도록 제1 설정온도 범위(섭씨 900도 내지 950도)로 가열하고, 상기 핫스탬핑 및 국부 급냉단계(S710)에서는 가열된 블랭크(300)를 핫스탬핑하면서 급냉시켜 급냉부(310a)가 형성되고, 상기 서냉용 홈(220)에 대응하는 부분은 외부 공기에 의해서 서서히 냉각되어 서냉부(310b)가 형성된다.
상기 트리밍단계(S720)에서는 성형제품(100)에서 서냉부(310b)와 급냉부(310a)가 교대로 형성된 가장자리부를 트리밍하고, 상기 취출단계(S730)에서는 가장자리부가 트리밍된 완성품(120)이 취출된다.
본 발명의 실시예에서, 서냉부(310b)와 급냉부(310a)가 교대로 형성된 부분을 트리밍함으로써, 트리밍날(115)에 가해지는 하중이 줄어들어 트리밍날(115)의 수명이 향상되고, 레이져 트리밍 방식과 비교하여 트리밍 시간을 대폭 축소시킬 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: 성형제품 120: 완성품
400a: 트리밍 상형 400b: 트리밍 하형
200: 핫스탬핑 금형 200a: 상형
200b: 하형 210: 냉각채널
220: 서냉용 홈 300: 블랭크
310a: 급냉부 310b: 서냉부
115: 트리밍날 452: 트리밍 영역
500: 트리밍 라인

Claims (9)

  1. 블랭크(300)가 오스테나이트 조직으로 상변태되도록 제1 설정온도 범위로 가열하고, 핫스탬핑 금형(200)을 이용하여 가열된 상기 블랭크(300)를 성형하고, 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 상변태되도록 제2 설정온도 범위로 급냉시키되, 트리밍 라인을 포함하는 가장자리부에는 급냉되는 급냉부(310a)와 공기중에 노출되어 서냉되는 서냉부(310b)를 교대로 형성하되, 성형제품()에서 상기 급냉부(310a)와 상기 서냉부(310b)가 교대로 형성된 트리밍 라인을 따라서 트리밍하는 것으로,
    상기 핫스탬핑 금형(200)은,
    상기 블랭크(300)의 상면을 성형하는 상부 성형면이 형성된 상형(200a); 및
    상기 블랭크(300)의 하면을 성형하는 하부 성형면이 형성된 하형(200b)을 포함하고,
    상기 상부 성형면 또는 상기 하부 성형면에는 상기 서냉부(310b)에 대응하여 서냉용 홈(220)이 형성되며,
    상기 서냉용 홈(220)은 상기 상부 성형면 또는 상기 하부 성형면의 가장자리부를 따라서 설정된 간격을 두고 형성되고, 상기 상형(200a) 및 상기 하형(200b)의 각 외측면으로 개방되어 상기 상형(200a)과 상기 하형(200b)이 합형된 상태에서 상기 서냉부(310b)의 상면과 하면이 외부에 노출되며, 상기 상형(200a)에 형성된 서냉용 홈(220)과 상기 하형(200b)에 형성된 서냉용 홈(220)은 서로 대응하는 위치에 형성되고,
    상기 상형(200a) 및 상기 하형(200b)의 내부에는 각 성형면을 따라서 성형된 제품을 급냉시키는 냉각수단(210)이 배치된 것을 특징으로 하는 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 설정온도 범위는 섭씨 900도 내지 950도인 것을 특징으로 하는 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 설정온도 범위는 섭씨 150도 내지 25도이고,
    상기 급냉부는 마르텐사이트 조직을 가지고, 상기 서냉부는 마르텐사이트, 페라이트, 및 펄라이트 조직을 동시에 갖는 것을 특징으로 하는 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 성형제품은
    상기 급냉부의 양면이 상기 상부 성형면과 상기 하부 성형면에 압착되어 상기 냉각수단에 의해서 급냉되며,
    상기 서냉부의 양면이 외부공기 중에 노출되어 서냉되는 것을 특징으로 하는 국부연화 핫스탬핑-트리밍 방법.
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