KR102174489B1 - 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법에 관한 것으로, 핫스탬핑 부품을 안착시키는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 다이 베이스부를 형성한 후, 날끝이 핫스탬핑 부품의 전단 예정부위에 위치하도록 다이 베이스부에 다이 베이스부의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 다이 날부를 형성하는 단계; 및 다이 베이스부와 상측에서 대응되는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 펀치 베이스부를 성형한 후, 펀치 베이스부의 하강 동작시 다이 날부와 교차함에 따라 핫스탬핑 부품의 전단 예정부위를 전단하도록 펀치 베이스부에 펀치 베이스부의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 펀치 날부를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법{Method of manufacturing sheering mold for hot stamping parts}
본 발명은 핫스탬핑 부품을 전단 가공하는데 사용되는 전단 금형을 제조하는 기술에 관한 것이다.
최근 차량 업계에서는 차량 경량화와 안정성 향상에 부합되는 중량 대비 강도가 높은 고강도 강판과 같은 소재가 확대 적용되고 있다. 하지만, 고강도 강판은 낮은 성형성을 지니고 과도한 스프링백을 일으키기 때문에, 고강도 강판을 성형하기 위한 금형을 제조하는데 어려움이 있다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 핫스탬핑 성형 기술이 차체 부품에 적용되고 있다.
그런데, 핫스탬핑 기술이 적용된 핫스탬핑 부품은 성형 후 1500MPa 이상의 높은 인장강도를 갖기 때문에, 핫스탬핑 부품에 대한 전단 가공시 전단 금형에 높은 면압이 작용하게 된다. 그에 따라, 전단 금형에 마멸, 치핑(chipping), 소성 변형 등이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 불량 때문에 5,000타수 이내에 전단 금형을 교체해야 하며 양산성이 저하될 뿐만 아니라 전단 금형 제조 단가도 증가하게 된다.
따라서, 현재 핫스탬핑 부품에는 레이저 전단 가공이 이용되고 있는데, 레이저 전단 가공은 생산성이 대폭 감소한다는 단점이 있고, 고가의 레이저 전단 가공 장비의 도입 및 유지 보수를 수입에 전적으로 의존하고 있는 문제가 있다.
본 발명의 과제는 핫스탬핑 부품에 대한 전단 가공을 가능하게 할 뿐 아니라, 소재 비용을 절감할 수 있고, 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법은 핫스탬핑 부품을 안착시키는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 다이 베이스부를 형성한 후, 날끝이 핫스탬핑 부품의 전단 예정부위에 위치하도록 다이 베이스부에 다이 베이스부의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 다이 날부를 형성하는 단계; 및 다이 베이스부와 상측에서 대응되는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 펀치 베이스부를 성형한 후, 펀치 베이스부의 하강 동작시 다이 날부와 교차함에 따라 핫스탬핑 부품의 전단 예정부위를 전단하도록 펀치 베이스부에 펀치 베이스부의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 펀치 날부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 핫스탬핑 부품과 접촉하여 직접적인 전단 기능을 수행하는 다이와 펀치의 각 일부분에만 고가의 소재를 사용하고 나머지 부분에 저가인 소재를 사용하므로, 소재 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다이 날부와 펀치 날부는 각각 적어도 일부가 적층 방식으로 형성되므로, 다이 날부와 펀치 날부에 크랙 또는 마모 등에 의해 손상이 생긴 경우, 다이 날부와 펀치 날부를 메탈 3D 프린터 등을 이용하여 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법에 대한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 방법에 의해 제조된 전단 금형을 나타낸 단면 구성도이다.
도 3은 다른 예에 따른 다이 날부와 펀치 날부의 제조방법에 대한 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 방법에 의해 제조된 전단 금형을 나타낸 단면 구성도이다.
도 5는 전단 면의 형상 데이터에 대한 비교 요소를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법에 대한 순서도이다. 도 2는 도 1에 도시된 방법에 의해 제조된 전단 금형을 나타낸 단면 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
핫스탬핑 부품(10)을 안착시키는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 다이 베이스부(111)를 형성한다. 여기서, 금속소재는 단조 가능하고 비교적 저가인 소재, 예컨대 S45C 소재 등으로 이루어질 수 있다.
이후, 날끝이 핫스탬핑 부품(10)의 전단 예정부위에 위치하도록 다이 베이스부(111)에 다이 베이스부(111)의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 다이 날부(112)를 형성한다. 여기서, 금속분말은 다이 날부(112)에 적용시 1500MPa 이상의 높은 인장강도를 갖는 핫스탬핑 부품(10)을 전단할 수 있는 고강도 특성과 적층이 용이한 특성을 갖춘 소재로 이루어진다. 예컨대, 금속분말은 고속강 분말 등의 소재로 이루어질 수 있다.
다이 날부(112)의 적층시, 메탈 3D 프린터의 PBF(Powder Bed Fusion) 방식 또는 DED(Directed Energy Deposition) 방식 등이 이용될 수 있다. PBF 방식은 분말 베드에 수십 ㎛의 금속분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계 도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한층 한층씩 용융시켜 적층하는 방식이다. DED 방식은 보호가스 분위기에서 금속분말을 실시간으로 공급하고 고출력의 레이저를 사용하여 금속분말을 공급하는 즉시 용융시켜 적층하는 방식이다.
다이 날부(112)는 적층 후 필요에 따라 후가공 처리될 수 있다. 다이 날부(112)는 다이 베이스부(111)와 함께 다이(110)를 구성하며, 다이 베이스부(111)가 다이 홀더(116)의 상측에 장착됨으로써, 다이(110)가 다이 홀더(116)에 지지될 수 있다.
다이 날부(112)에 사용되는 금속분말은 비교적 고가일 수 있는데, 전술한 바와 같이, 다이(110)는 전단 가공시 핫스탬핑 부품(10)과 접촉하여 직접적인 전단 기능을 수행하는 다이 날부(112)에만 고가의 소재를 사용하고 다이 베이스부(111)에 저가인 소재를 사용하므로, 다이 날부(112)와 다이 베이스부(111) 모두에 고가의 소재를 사용하는 것보다, 소재 비용을 절감할 수 있다.
또한, 다이 날부(112)는 적층 방식으로 형성되므로, 전단 가공이 반복 수행되는 과정에서, 다이 날부(112)에 크랙 또는 마모 등에 의해 손상이 생긴 경우, 다이 날부(112)를 메탈 3D 프린터 등을 이용하여 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.
다이 베이스부(111)와 상측에서 대응되는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 펀치 베이스부(121)를 성형한다. 여기서, 금속소재는 다이 베이스부(111)와 마찬가지로, 단조 가능하고 비교적 저가인 소재, 예컨대 S45C 소재 등으로 이루어질 수 있다.
이후, 펀치 베이스부(121)의 하강 동작시 다이 날부(112)와 교차함에 따라 핫스탬핑 부품(10)의 전단 예정부위를 전단하도록 펀치 베이스부(121)에 펀치 베이스부(121)의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 펀치 날부(122)를 형성한다. 여기서, 금속분말은 펀치 날부(122)에 적용시 1500MPa 이상의 높은 인장강도를 갖는 핫스탬핑 부품(10)을 전단할 수 있는 고강도 특성과 적층이 용이한 특성을 갖춘 소재로 이루어진다. 금속분말은 고속강 분말 등의 소재로 이루어질 수 있다.
펀치 날부(122)의 적층시, 다이 날부(112)의 적층 방식처럼, 메탈 3D 프린터의 PBF 방식 또는 DED 방식이 이용될 수 있다. 펀치 날부(122)는 적층 후 필요에 따라 후가공 처리될 수 있다. 펀치 날부(122)는 펀치 베이스부(121)와 함께 펀치(120)를 구성하며, 펀치 베이스부(121)가 펀치 홀더(126)의 상측에 장착됨으로써, 펀치(120)가 펀치 홀더(126)에 지지될 수 있다.
펀치 날부(122)에 사용되는 금속분말은 비교적 고가일 수 있는데, 전술한 바와 같이, 펀치(120)는 전단 가공시 핫스탬핑 부품(10)과 접촉하여 직접적인 전단 기능을 수행하는 펀치 날부(122)에만 고가의 소재를 사용하고 펀치 베이스부(121)에 저가인 소재를 사용하므로, 펀치 날부(122)와 펀치 베이스부(121) 모두에 고가의 소재를 사용하는 것보다, 소재 비용을 절감할 수 있다.
또한, 펀치 날부(122)는 적층 방식으로 형성되므로, 전단 가공이 반복 수행되는 과정에서, 펀치 날부(122)에 크랙 또는 마모 등에 의해 손상이 생긴 경우, 펀치 날부(122)를 메탈 3D 프린터 등을 이용하여 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 다이 날부(112)의 형성시, 다이 베이스부(111)에 상대적으로 낮은 강도의 금속분말을 1차적으로 적층해서 1차 다이 날부(112a)를 형성한 후, 1차 다이 날부(112a)에 상대적으로 높은 강도의 금속분말을 최종적으로 적층해서 최종 다이 날부(112b)를 형성할 수 있다. 1차 다이 날부(112a) 및 최종 다이 날부(112b)의 적층시, 전술한 다이 날부(112)의 적층 방식처럼, 메탈 3D 프린터의 PBF 방식 또는 DED 방식이 이용될 수 있다.
여기서, 1차 다이 날부(112a)의 형성에 사용되는 금속분말은 비교적 저가인 ferro55 또는 grindur6 등의 소재로 이루어질 수 있다. 최종 다이 날부(112b)의 형성에 사용되는 금속분말은 전술한 예와 같이, 고속강 분말 등의 소재로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 다이 날부(112)는 전단 가공시 핫스탬핑 부품(10)과 접촉하여 직접적인 전단 기능을 수행하는 최종 다이 날부(112b)에만 고가의 소재를 사용하고 1차 다이 날부(112a)에 저가인 소재를 사용하므로, 다이 날부(112) 전체에 고가의 소재를 사용하는 것보다, 소재 비용을 절감할 수 있다.
또한, 펀치 날부(122)의 형성시, 펀치 베이스부(121)에 상대적으로 낮은 강도의 금속분말을 1차적으로 적층해서 1차 펀치 날부(122a)를 형성한 후, 1차 펀치 날부(122a)에 상대적으로 높은 강도의 금속분말을 최종적으로 적층해서 최종 펀치 날부(122b)를 형성하는 과정을 포함할 수 있다. 1차 펀치 날부(122a) 및 최종 펀치 날부(122b)의 적층시, 전술한 펀치 날부(122)의 적층 방식처럼, 메탈 3D 프린터의 PBF 방식 또는 DED 방식이 이용될 수 있다.
여기서, 1차 펀치 날부(122a)의 형성에 사용되는 금속분말은 비교적 저가인 ferro55 또는 grindur6 등의 소재로 이루어질 수 있다. 최종 펀치 날부(122b)의 형성에 사용되는 금속분말은 전술한 예와 같이, 고속강 분말 등의 소재로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 펀치 날부(122)는 전단 가공시 핫스탬핑 부품(10)과 접촉하여 직접적인 전단 기능을 수행하는 최종 펀치 날부(122b)에만 고가의 소재를 사용하고 1차 펀치 날부(122a)에 저가인 소재를 사용하므로, 펀치 날부(122) 전체에 고가의 소재를 사용하는 것보다, 소재 비용을 절감할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법은 다이 날부(112)와 펀치 날부(122)의 클리어런스(clearance, C)가 핫스탬핑 부품(10)의 형상별 전단 면의 형상 및 버(burr) 형성에 미치는 영향과 다이 날부(112)와 펀치 날부(122)의 수명에 미치는 영향을 평가하여 최적 범위의 클리어런스(C)를 선정한 후, 선정된 클리어런스(C)를 다이 날부(112)와 펀치 날부(122)에 부여하는 과정을 포함할 수 있다.
이 경우, 다이 날부(112)와 펀치 날부(122)를 선정된 클리어런스(C)에 맞춰 위치시킨 후 다이 베이스부(111)와 펀치 베이스부(121)를 다이 홀더(116)와 펀치 홀더(126)에 고정함으로써, 선정된 클리어런스(C)를 다이 날부(112)와 펀치 날부(122)에 부여할 수 있다. 이와 같이, 선정된 클리어런스(C)를 다이 날부(112)와 펀치 날부(122)에 부여함으로써, 다이 날부(112)와 펀치 날부(122)의 수명을 증가시킬 수 있다.
예컨대, 실제 전단 금형보다 축소된 형태로 모사된 전단 금형을 제작한 후, 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.2mm, 클리어런스가 8%(0.096mm)인 조건으로 10만타 이상으로 전단 가공을 시험해서, 전단 면의 형상 데이터를 획득한다.
그리고, 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.2mm, 클리어런스가 8%인 조건으로, 컴퓨터 베이스의 유한요소 해석 프로그램을 이용해서 전단 가공에 따른 전단 면의 형상 데이터를 획득한다. 모사된 전단 금형에 의해 획득된 전단 면의 형상 형상 데이터와 유한요소 해석 프로그램에 의해 획득된 전단 면의 형상 데이터를 비교한다. 여기서, 도 5에 도시된 바와 같이, 전단 면의 형상 데이터에 대한 비교 요소는 Rollover, Burnish, Fracture, Burr로 설정될 수 있다.
만일, 모사된 전단 금형에 의한 전단 면의 형상 데이터와 유한요소 해석 프로그램에 의한 전단 면의 형상 데이터가 차이를 보이면, 보정 계수를 유한요소 해석 프로그램에 입력해서 유한요소 해석 프로그램에 의해 재해석함으로써, 양자 간에 전단 면의 형상 데이터를 매칭시킨다.
여기서, 보정 계수는 임계 손상 값(Critical Damage Value)일 수 있다. 핫스탬핑 부품에 적용된 판재를 인장 시험해서 임계 손상 값을 측정한 후, 측정된 임계 손상 값을 유한요소 해석 프로그램에 초기 입력해서 해석하며, 해석된 전단 면의 형상 데이터가 유한요소 해석 프로그램에 의한 전단 면의 형상 데이터와 매칭될 때까지 임계 손상 값을 조정해서 유한요소 해석 프로그램에 의해 재해석한다.
그 다음, 유한요소 해석 프로그램 상에서 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.0mm, 1.2mm, 1.4mm인 조건에서, 클리어런스를 3%, 10%, 15%, 20%, 30%로 변경해서 해석함으로써, 전단 면의 형상 및 버 형성에 미치는 영향과 다이 날부와 펀치 날부의 수명에 미치는 영향을 평가하여 최적 범위의 클리어런스를 선정한다. 선정 결과, 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.0mm, 1.2mm, 1.4mm인 조건에서 모두 클리어런스가 10~15% 로 선정됨을 확인할 수 있었다.
또한, 유한요소 해석 프로그램 상에서 핫스탬핑 부품의 전단 각도, 즉 다이 날부와 펀치 날부에 대한 핫스탬핑 부품의 경사 각도가 -10°, 10°이고, 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.2mm인 조건에서, 클리어런스를 3%, 10%, 15%, 20%, 30%로 변경해서 해석함으로써, 전단 면의 형상 및 버 형성에 미치는 영향과 다이 날부와 펀치 날부의 수명에 미치는 영향을 평가하여 최적 범위의 클리어런스를 선정한다.
선정 결과, 핫스탬핑 부품의 경사 각도가 -10°이고, 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.2mm인 조건에서, 클리어런스가 10~15% 로 선정됨을 확인할 수 있었다. 핫스탬핑 부품의 경사 각도가 10°이고, 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.2mm인 조건에서, 클리어런스가 15~20% 로 선정됨을 확인할 수 있었다.
이와 같이 동일한 방식으로, 다이 날부와 펀치 날부에 대한 핫스탬핑 부품의 경사 각도가 -10°, 10°이고, 핫스탬핑 부품의 소재 두께가 1.0mm, 1.4mm인 조건에서, 클리어런스를 3%, 10%, 15%, 20%, 30%로 변경해서 해석함으로써, 전단 면의 형상 및 버 형성에 미치는 영향과 다이 날부와 펀치 날부의 수명에 미치는 영향을 평가하여 최적 범위의 클리어런스를 선정할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10..핫스탬핑 부품 110..다이
111..다이 베이스부 112..다이 날부
112a..1차 다이 날부 112b..최종 다이 날부
120..펀치 121..펀치 베이스부
122..펀치 날부 122a..1차 펀치 날부
122b..최종 펀치 날부

Claims (3)

  1. 핫스탬핑 부품을 안착시키는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 다이 베이스부를 형성한 후, 날끝이 핫스탬핑 부품의 전단 예정부위에 위치하도록 상기 다이 베이스부에 상기 다이 베이스부의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 다이 날부를 형성하는 단계;
    상기 다이 베이스부와 상측에서 대응되는 형태를 갖도록 금속소재를 단조 가공해서 펀치 베이스부를 성형한 후, 상기 펀치 베이스부의 하강 동작시 상기 다이 날부와 교차함에 따라 핫스탬핑 부품의 전단 예정부위를 전단하도록 상기 펀치 베이스부에 상기 펀치 베이스부의 금속소재보다 높은 강도의 금속분말을 적층해서 펀치 날부를 형성하는 단계; 및
    상기 다이 날부와 펀치 날부의 클리어런스(clearance)가 핫스탬핑 부품의 형상별 전단 면의 형상 및 버(burr) 형성에 미치는 영향과 상기 다이 날부와 펀치 날부의 수명에 미치는 영향을 평가하여 최적 범위의 클리어런스를 선정한 후, 선정된 클리어런스를 상기 다이 날부와 펀치 날부에 부여하는 단계;를 포함하며,
    상기 다이 날부의 형성시,
    상기 다이 베이스부에 상대적으로 낮은 강도의 금속분말을 1차적으로 적층해서 1차 다이 날부를 형성한 후, 상기 1차 다이 날부에 상대적으로 높은 강도의 금속분말을 최종적으로 적층해서 최종 다이 날부를 형성하는 과정을 포함하며;
    상기 펀치 날부의 형성시,
    상기 펀치 베이스부에 상대적으로 낮은 강도의 금속분말을 1차적으로 적층해서 1차 펀치 날부를 형성한 후, 상기 1차 펀치 날부에 상대적으로 높은 강도의 금속분말을 최종적으로 적층해서 최종 펀치 날부를 형성하는 과정을 포함하며;
    상기 선정된 클리어런스를 상기 다이 날부와 펀치 날부에 부여하는 단계는,
    실제 전단 금형보다 축소된 형태로 모사된 전단 금형을 제작한 후, 핫스탬핑 부품의 소재 두께와 클리어런스가 각각 동일한 조건에서, 전단 가공을 시험해서 전단 면의 형상 데이터를 획득하고, 컴퓨터 베이스의 유한요소 해석 프로그램을 이용해서 전단 가공에 따른 전단 면의 형상 데이터를 획득하는 과정;
    모사된 전단 금형에 의해 획득된 전단 면의 형상 형상 데이터와 유한요소 해석 프로그램에 의해 획득된 전단 면의 형상 데이터를 비교하여, 그 데이터 간에 차이를 보이면, 보정 계수를 유한요소 해석 프로그램에 입력해서 유한요소 해석 프로그램에 의해 재해석함에 따라 양자 간에 전단 면의 형상 데이터를 매칭시키는 과정; 및
    유한요소 해석 프로그램 상에서 핫스탬핑 부품의 소재 두께별 및 전단 각도별 조건에서, 클리어런스를 변경해서 해석함에 따라 전단 면의 형상 및 버 형성에 미치는 영향과 다이 날부와 펀치 날부의 수명에 미치는 영향을 평가하여 최적 범위의 클리어런스를 선정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 부품용 전단 금형 제조방법.
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