KR101933928B1 - 핫 스탬핑 금형 - Google Patents

Abstract

본 명세서가 공개하는 내용은, 피성형품이 성형될 형상을 지닌 형상부 및 내부에 냉각수가 유입되어 통과하는 유동공간을 포함하는 금형본체 및 유동공간은 일면이 개방되고, 개방된 일면을 폐쇄하는 금형베이스를 포함하는 핫 스탬핑 금형에 관한 것이다.

Description

핫 스탬핑 금형{HOT STAMPING MOLD}

본 명세서에 개시된 내용은, 핫 스탬핑 금형에 관한 것이다.

일반적으로, 금형은 플라스틱 제품을 생산하는 사출 금형, 철판을 이용하여 제품을 만들어 내는 프레스 금형, 금속을 녹여 플라스틱과 같이 만들어 내는 다이캐스팅 금형 등 여러 가지로 나눌 수 있으며, 이러한 금형은 제품의 원활한 생산을 위하여 통상 가동형과 고정형으로 나뉘어 제작하고 있다. 특히, 차량에 사용되는 제품을 제조하기 위해 금형이 많이 사용됨에 따라, 제품 설계와 함께 금형에 대한 설계도 이루어지게 된다.

한편, 최근 자동차 산업은 연비 성능의 향상책 중 하나로서 '차체의 경량화'를 추진하고 있으며, 동시에 충돌 안전 향상의 요구도 높아져 골격 부품의 고강도화가 요구되고 있다.

따라서, 완성차 제조사 들은 '차체 경량화' 및 '고강도화'를 실현하기 위해 트립(Trip)강, DP강, 알루미늄 및 마그네슘합금강판 등의 소재를 사용하거나 재단용접블랭크(TWB), 하이드로포밍, 핫 스탬핑 등의 신기술을 이용하여 차체를 제작하기 위해 다양한 연구를 수행하고 있다.

여기서, 핫 스탬핑 성형이란, 차량의 제작 시, 강성은 유지하면서 경량화 차체를 이루도록 강판을 고온 상태에서 성형하는 방법으로서, 소재를 고온으로 가열한 후, 프레스로 성형 후 금형 자체를 냉각하여 고강도의 부품을 생산하는 공법을 말한다.

핫스탬핑에 의해 제조되는 차체부품은 인장강도 1500MPa 이상의 높은 강성을 유지하여 자동차 충돌성능 향상에 의한 승객의 높은 안전성을 실현할 수 있다.

공개특허 제10-2015-0015928호는 종래의 핫 스탬핑 금형을 공개한다. 상기 문헌에 공개된 핫 스탬핑 금형을 본 명세서의 도 1a에 도시한다. 종래의 핫 스탬핑 금형은 상부금형(미도시) 및 하부금형(20) 중 적어도 하나에는 냉각수가 이동하는 냉각수관로(30)가 형성되며, 냉각수관로(30)는 성형하려는 제품의 형상에 대응하도록, 상부금형(미도시) 또는 하부금형(20) 냉각표면에 인접하여 일정 이격거리로 형성된 곡선유로의 곡관 형상(31)을 포함한다.

종래는 시뮬레이션 상에서 요구되는 부분에만 냉각수 라인을 설치하였으며, 금형의 형상에 따라서 냉각수 라인을 설치하기 위해 스틸 재질의 금형을 부분적으로 가공하여 냉각수라인을 확보한 후 조립한다. 이에 따라 도 1b와 같이 금형 외부에 냉각수라인이 노출되게 되고, 냉각 채널의 연결 구간이 완전하게 밀폐되지 않아 냉각 유체가 외부로 흐르는 조건이 된다. 또한, 상기의 문제와 더불어서 금형 내부에서 유동하는 냉각수 유동 라인의 설계와 제작 및 검증이 실제 모델링을 통해 이루어지기 때문에 초기 투자비용과 소요시간이 증가되는 문제가 있다.

선행기술문헌 1: 한국공개특허 제10-2015-0015928호

공개하는 본 명세서를 통해서 첫째, 부자재가 적게 들며, 구조가 단순하여 금형 제작 공정에서 적용되는 조립 공정을 줄일 수 있고, 둘째, 종래기술과는 달리 부분적 냉각 효과가 아닌 금형 전체를 냉각하여 냉각효과를 극대화 할 수 있는 핫 스탬핑 금형을 제공하고자 한다.

실시 예로서 개시된 내용은, 피성형품이 성형 될 형상을 지닌 형상부 및 내부에 냉각수가 유입되어 통과하는 유동공간을 포함하는 금형본체 및 유동공간은 일면이 개방되고, 개방된 일면을 폐쇄하는 금형베이스를 포함하는 핫 스탬핑 금형이다.

여기서 금형본체의 유동공간을 이루는 내부 벽면 중 형상부와 인접한 면의 형상은 상기 형상부의 형상에 대응될 수 있다. 그리고 금형베이스는 유동공간으로 삽입되는 삽입부를 포함하고, 유동공간과 접촉하는 삽입부의 면의 형상은 형상부의 형상에 대응되는 내부 벽면의 형상에 대응될 수 있다. 그리고 내부 벽면과 삽입부가 이루는 이격거리는 전 구간에 걸쳐 유사하다. 상기 이격거리는, 냉각수 흐름을 시뮬레이션한 결과에 따른 특성계수 또는 인접한 상기 금형본체의 두께에 따라 결정되는 특성계수에 의해 재정의되는 될 수 있다.

또한, 금형본체는 형상부의 면으로부터 측방향으로 연장되어, 피성형품의 위치를 규제하는 하나 이상의 위치규제편을 더 포함할 수 있으며, 상기 위치규제편은 금형연장부 및 스토퍼를 포함하여, 피성형품의 크기에 대응하여 가변될 수 있다.

상기 위치규제편을 대신하여 금형본체는 상기 형상부로부터 상부로 연장된 하나 이상의 위치규제돌기를 포함하여, 상기 위치규제돌기에 대응하도록 재단된 피성형부재의 위치가 규제될 수 있다.

상기와 같은 실시 예에 따른 핫 스탬핑 금형은 하기와 같은 효과가 있다.

첫째, 부자재가 적게 들며, 구조가 단순하여 금형 제작 공정에서 적용되는 조립 공정이 줄어든다.

둘째, 부분적 냉각 효과가 아닌 금형 전체를 냉각하여 냉각효과를 극대화 할 수 있다.

셋째, 금형의 크기가 줄어들어 금형이 경량화 되며, 금형 제조 원가를 절감할 수 있다.

도 1a는 선행기술문헌 1에 개시된 종래기술의 도면,
도 1b는 종래기술에서 금형 외부에 냉각수라인이 노출된 모습을 나타낸 사진,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 핫 스탬핑 금형의 사시도,
도 3은 도 2의 I-I'단면도,
도 4는 도 2의 II-II'단면도,
도 5는 본 발명이 제2 실시예에 따른 사시도,
도 6은 도 5의 III-IIII'단면도,
도 7은 도 5의 IV-IV'단면도,
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 사시도,
도 9는 도 8의 V-V'단면도,
도 10은 도 8의 VI-VI'단면도,
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 사시도,
도 12는 도 11의 VII-VII'단면도,
도 13은 도 11의 VIII-VIII'단면도,
도 14는 본 발명의 제5 실시예에 따른 사시도 및 위치규제편의 부분확대도,
도 15는 제5 실시예의 설명을 돕기 위한 참고도,
도 16은 제5 실시예의 사용상태도,
도 17은 제6 실시예의 사시도 및 위치규제돌기의 부분확대도,
도 18은 제6 실시예의 사용상태도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2, 3, 4는 제1 실시 예를 도시한다. 도 2는 사시도, 도 3은 도 2의 I-I'단면도, 도 4는 도 2의 II-II '단면도이다. 도 2 내지 4를 참조하여 제1 실시예에 따른 핫 스탬핑 금형(100)을 상세하게 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 실시예는 금형본체(110)와 금형베이스(130)를 포함한다.

금형본체(110)는 피성형품이 성형될 형상이 구비된 형상부를 지닌다. 금형본체(110)는 금형의 상형 또는 하형이 될 수 있다. 하형에 해당하는 금형본체(110)의 형상부의 상면에는 블랭크 등의 피성형품이 착좌되며, 상형에 해당하는 금형본체(110)가 피성형품을 가압하여 성형한다.

금형본체(110)의 내부는 냉각수가 통과하는 유동공간(120)을 포함한다. 유동공간(120)은 도 2와 도 3의 단면도에 도시된다. 유동공간(120)은 형상부의 형상에 대응하여 설정된다. 보다 구체적으로 유동공간(120)을 이루는 금형본체(110)의 내부 벽면 중 형상부에 인접한 면은 형상부의 형상에 대응하게 형성된다.

다만, 냉각수의 흐름을 원활히 하기 위해 형상부의 모퉁이에 비해 대응되는 내부 벽면 모퉁이(110a)의 R값이 클 수 있다.

냉각수는 금형본체(110)의 장축방향으로 이동하는 것이 효율적이며, 도 3은 냉각수의 이동방향을 표시한다. 금형본체(110)의 장축 방향의 양측면에는 냉각수가 유입되는 유입구와, 유입된 냉각수가 배출되는 유출구가 구비된다. 유동공간(120)은 냉각수가 유입구에서 유출구에 도달하기까지 흐름을 방해하는 요소를 포함하지 않고 개방된다.

금형본체(110)의 하면은 개방되고, 개방된 하면은 금형베이스(130)에 의해 폐쇄된다.

도 5, 6, 7은 제2 실시예를 도시한다. 도 5는 사시도, 도 6은 도 5의 III-III'단면도, 도 7은 도 5의 IV-IV'단면도이다. 도 5 내지 7을 참조하여 제2 실시예에 따른 핫 스탬핑 금형(200)을 상세하게 설명한다. 본 도면들에서 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

제2 실시예에 따른 금형본체(210)는 금형의 상형 또는 하형이 될 수 있다. 제1 실시예와 유사하게 유동공간(220)을 이루는 금형본체(210)의 내부 벽면 중 형상부에 인접한 면은 형상부의 형상에 대응하게 형성된다. 그러나 금형본체를 제조하는 기술적 수준에 따라 설계상의 이유로 금형본체를 이루는 벽면의 두께가 전 구간에서 동일하지는 않을 수 있고, 금형본체의 내부 벽면이 형상부의 형상에 완전하게 대응하지 않을 수 있다(도 7 참조).

도 8, 9, 10은 제3 실시예를 도시한다. 도 8은 사시도, 도 9는 도 8의 V-V'단면도, 도 10은 도 8의 VI-VI'단면도이다. 도 8 내지 10을 참조하여 제3 실시예에 따른 핫 스탬핑 금형(300)을 상세하게 설명한다. 본 도면들에서 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

도 8 및 9를 참조하면, 금형베이스(330)는 유동공간(120)으로 삽입되는 삽입부(331)를 포함한다. 유동공간(120)과 접촉하는 삽입부(331)의 면은 인접한 금형본체(110)의 내부 벽면과 대응하는 형상으로 구비된다(그러나 설계상의 이유로 삽입부(331)의 면이 금형본체(110)의 내부 벽면과 완벽하게 대응하지 않는 것을 권리범위에서 제외하는 것은 아님을 밝혀둔다). 그리하여 금형본체(110)와 금형베이스(330)가 형성한 유동공간(120)에 있어서, 금형본체(110) 내부 벽면과 가장 인접한 삽입부(331)의 면의 이격거리(d_s)는 거의 유사하다. 상기 유사하다는 의미는 동일하다는 것을 뜻하지 않으며, 금형본체(110)와 금형베이스(330)를 제조하는 기술적 수준에 따라 설계상의 이유로 이격거리(d_s)는, 도 9에 도시된 대로, 각 구간마다 d_s'와 d_s''의 차이와 같이 차이가 있을 수 있다. 즉, 이격거리(d_s)가 거의 유사하도록 구성되는 것은, 발명을 실시하는데 있어서, 이격거리(d_s)를 유사하게 하려고 의도하는 것을 의미하는 것이지 각 구간마다 이격거리(d_s)가 완전히 동일하다는 것을 의미하는 것은 아니다.

이격거리(d_s)는 공정에서 냉각수 흐름을 시뮬레이션한 결과에 따라 결정되는 특성계수(k₁)에 의해 구간별로 달리 설정될 수 있다. 특성계수(k₁)에 의해 삽입부(331)의 면이 내부 벽면의 형상에 대응하지 않는 결과를 가져올 수 있으나, 내부 벽면의 형상에 대응하는 것을 기초로 특성계수(k₁)를 적용하여 도출한 결과이므로, 특성계수(k₁)를 적용한 결과 삽입부(331)의 면이 내부 벽면과 완전히 대응하지 않는다고 하더라도 본 발명의 권리범위에서 제외되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

또한 이격거리(d_s)는 접촉하는 금형본체(110)의 두께에 따라 결정되는 특성계수(k₂)에 의해 구간별로 달리 설정될 수 있다. 예로서 금형본체(110)가 두껍거나, 열이 집중되는 곳은 냉각수의 교체가 빠르게 일어나야 하므로, 유동속도를 늘리기 위해 이격거리(d_s)를 감소시킬 수 있다. 이처럼 특성계수(k₂)에 의해 삽입부(331)의 면이 내부 벽면의 형상에 대응하지 않는 결과를 가져올 수 있으나, 이는 특성계수(k₁)를 적용한 결과와 마찬가지로 삽입부(331)의 면이 내부 벽면과 완전히 대응하지 않는다고 하더라도 본 발명의 권리범위에서 제외되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

핫 스탬핑 금형(300)은 유동공간(120)의 이격거리를 균일하게 형성함으로써 냉각수의 흐름이 원활해져 냉각 효율을 증대시킨다. 한편, 제3 실시예는 제1 실시예보다 적은 유량으로 충분한 냉각 효과를 나타낸다.

도 11, 12, 13은 제4 실시예를 도시한다. 도 11은 사시도, 도 12는 도 11의 VII-VII'단면도, 도 13은 도 11의 VIII-VIII'단면도이다. 도 11 내지 13을 참조하여 제4 실시예에 따른 핫 스탬핑 금형(400)을 상세하게 설명한다. 본 도면들에서 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

제4 실시예에 따른 금형베이스(430)의 삽입부(431)의 상면이 같이 인접한 금형본체(210)의 내부 벽면과 대응하는 형상으로 구비된다. 도 12에 도시된 바와 같이 삽입부(431)의 상면과 인접한 금형본체(210)에 볼록부가 구비되면, 상기 볼록부에 대응하여 삽입부(431)의 상면도 볼록하게 구비되고, 금형본체(210)에 오목부가 구비되면 상기 오목부에 대응하여 오목하게 구비되면 족하고, 삽입부(431)에 변형부(431a)가 일부 구간 형성된 것을 권리범위에서 제외하는 것은 아니다.

도 14, 15, 16은 제5 실시예를 도시한다. 도 14는 사시도 및 부분확대도, 도 15는 제5 실시예의 설명을 돕기 위한 참고도, 도 16은 제5 실시예의 사용상태도이다. 본 도면들에서 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

도 14를 참조하면, 제5 실시예에 따른 핫 스탬핑 금형(500)은 금형본체(510)에 위치규제편(540)을 포함한다. 위치규제편(540)은 피성형품(PNL)이 금형본체(510)의 형상부에 정확히 대응하여 착좌하도록 유도하는 부재이다. 위치규제편(540)은 금형연장부(541)와 스토퍼(542)를 포함한다.

금형연장부(541)는 금형본체(510)의 형상부로부터 측방향으로 연장되며, 형상부의 면으로부터 단턱을 형성하며 인접한 형상부보다 소정 높이 아래에 형성된다. 금형연장부(541)는 스토퍼(542)를 지지한다.

스토퍼(542)는 가로부(543)과 세로부(544)를 포함한다. 가로부(543)는 세로부(544)를 지지하고, 세로부(544)는 피성형품(PNL)이 설정된 위치에 고정되도록 피성형품(PNL)의 위치를 규제한다.

도 15를 참조하면, PNL'에 해당하는 성형품을 제조하기 위해서는 성형품의 폭(L)보다 더 긴 폭(L+α)의 피성형품(PNL)이 요구된다. 이에 따라, 금형본체(510)의 상면도 피성형품(PNL)의 폭(L+α)을 수용할 수 있는 공간이 요구되어 금형의 크기가 증가하게 된다.

그러나 도 16을 참조하여 제5 실시예를 설명하면, 위치규제편(540)을 통해 피성형품(PNL)을 수용하면서도 지지하는 공간이 추가적으로 확보됨에 따라 금형본체(510)의 폭(W₂)이 기존에 비해 좁아질 수 있어서 전체 금형본체(510)의 크기를 줄일 수 있다.

위치규제편(540)은 복수개로 구비되는 것이 효과가 좋으며, 피성형품의 면적, 금형의 크기, 금형의 형상 등 설계의 변경에 따른 요구사항에 따라 구비 개수가 가감 설정된다.

스토퍼(542)는 금형연장부(541)의 길이방향을 따라 이동 가능하며, 이동된 위치에서 고정될 수 있다. 피성형품(PNL)의 면적에 따라서 스토퍼(542)를 이동시켜 다양한 사이즈의 피성형품을 성형할 수 있다.

도 17, 18은 제6 실시예를 도시한다. 도 17은 사시도 및 부분확대도, 도 18은 제6 실시예의 사용상태도이다. 본 도면들에서 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

도 14를 참조하면, 제6 실시예에 따른 핫 스탬핑 금형(600)은 금형본체(610)에 위치규제돌기(640)을 포함한다. 위치규제돌기(640)은 피성형품(PNL_c)이 금형본체(610)의 형상부에 정확히 대응하여 착좌하도록 유도하는 부재이다.

위치규제돌기(640)는 형상부에 구비될 수 있다. 위치규제돌기(640)는 형상부의 모퉁이 부근에서 상부로 돌출될 수 있다. 위치규제돌기(640)에 의해 위치가 규제되는 것은 위체규제돌기(640)에 대응하도록 모퉁이가 재단된 피성형품(PNL_c)이다. 즉, 위체규제돌기(640)에 의해 위치가 규제되기 위해서는 먼저 피성형품(PNL)의 모퉁이가 위치규제돌기(640)에 걸칠 수 있도록 재단 되어야 한다. 제6 실시예에서는 피성형품(PNL)의 모퉁이 중 선택된 두개의 모퉁이가 사각형으로 절삭 재단된 것이다.

제6 실시예에 재단된 피성형품(PNL_c)이 사용된다고 해서, 재단된 피성형품(PNL_c)을 포함하여 제조, 판매하는 것만으로 본 발명의 권리범위로 한정하여 해석되어서는 안 된다. 피성형품(PNL_c)는 제6 실시예를 사용할 때 필요한 구성요소로서, 권리범위는 위치규제돌기(640)가 의미를 갖기 위해 피성형품(PNL_c)이 사용되는 것으로 생산, 판매 등에 있어서는 피성형품(PNL_c)을 포함하지 않아도 권리범위에 속하는 것으로 해석해야 한다. 이를 명확하게 하기 위해 도 17은 피성형품(PNL_c)를 점선으로 도시한다.

위치규제돌기(640)는 복수개 구비될 수 있으며, 피성형품의 면적, 금형의 크기, 금형의 모양 등 설계의 변경에 따라 개수는 가감될 수 있지만, 가장 효과적으로는 두 개인 것이 좋다.

위치규제돌기(640)에 의해 피성형품(PNL_c)이 설정된 위치에 착좌 가능함에 따라 피성형품(PNL_c)이 금형 밖으로 돌출된 영역(β)이 형성되어도 무방하고, 금형본체의 폭(W₃)을 좁게 설정 가능함에 따라 금형의 크기를 줄일 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술적 수준에 따라서 실현 수준이 달라질 수 있다. 그러한 것들을 권리범위에서 제외하는 것은 아니다.

110, 210, 510, 610: 금형본체 130, 330, 430: 금형베이스
120, 220: 유동공간
540: 위치규제편 640: 위치규제돌기

Claims (8)

1. 피성형품이 성형될 형상을 지닌 형상부 및 내부에 냉각수가 유입되어 통과하는 유동공간을 포함하는 금형본체; 및
   상기 유동공간은 일면이 개방되고, 상기 개방된 일면을 폐쇄하는 금형베이스;를 포함하고,
   상기 금형본체는 형상부의 면으로부터 측방향으로 연장되어, 피성형품의 위치를 규제하는 하나 이상의 위치규제편을 더 포함하되,
   상기 위치규제편은 금형연장부 및 상기 금형연장부에 의해 지지되며 상기 금형연장부의 길이방향을 따라 이동가능한 스토퍼를 포함하여, 피성형품의 크기에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 금형.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 금형본체의 유동공간을 이루는 내부 벽면 중 상기 형상부와 인접한 면의 형상은 상기 형상부의 형상에 대응되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 금형.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 금형베이스는 상기 유동공간으로 삽입되는 삽입부를 포함하고,
   상기 유동공간과 접촉하는 상기 삽입부의 면의 형상은 상기 형상부의 형상에 대응되는 내부 벽면의 형상에 대응되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 금형.
   
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