KR102405583B1 - 핫스탬핑용 금형장치 및 그 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금형 내부에 구비된 냉각채널을 통한 냉각수의 공급에 의해 금형과 성형품을 직접 냉각하되 성형 공정의 종료시 금형과 성형품의 건조 상태를 유지할 수 있는 금형과 성형품의 냉각 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 성형품이 성형 개시되면 냉각채널로 일정 시간 동안 냉각수를 공급한 후 냉각수의 공급을 차단하고, 이어서 냉각채널로 에어를 공급하여 냉각채널 내의 냉각수가 에어의 압력에 의해 성형품 측으로 배출되도록 하며, 냉각채널로 에어의 공급을 지속함에 따라 공급되는 에어에 의해 금형과 성형품이 건조되도록 하고, 금형과 성형품의 건조가 완료되면 에어의 공급을 차단하는 구성으로 이루어진다.

Description

핫스탬핑용 금형장치 및 그 냉각방법{Die Apparatus For Hot Stamping And Cooling Method Thereof}

본 발명은 핫스탬핑용 금형장치 및 금형을 효과적으로 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다.

전세계적인 환경규제 및 안전법규의 강화 추세에 따라 차량 산업 분야에서 경량화 및 고강도화 요구가 높다. 전통적인 내연기관 차량은 물론 전기차, 수소차 등 소위 친환경 차량에 있어서도 경량화는 필수이며, 경량화와 더불어 안전성 보장을 위해 부품들의 고강도화가 필요하다.

고강도 차량 부품의 제조를 위해 초고장력강이 사용되고 있으나, 초고장력 강판은 성형성이 열악하여 그 적용범위에 한계가 있다. 고강도와 고성형성의 동시 구현을 위해 핫스탬핑 기술이 개발되어 그 적용이 널리 확대되고 있다.

핫스탬핑은 강판을 오스테나이트 변태온도(AC₃) 이상, 예로서 900℃ 이상의 고온으로 가열한 후 프레스 금형 내에서 성형과 동시에 급냉시켜 1400Mpa급 이상의 고강도 부품을 얻고자 하는 기술이다. 핫스탬핑 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소와 열처리 성능 향상 위해 망간(Mn), 보론(B)이 소량 함유된 이른바 보론강이 사용된다.

핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도가 우수하다. 또한 핫스탬핑은 초고장력 강판의 냉간 성형 시 특히 문제되는 스프링백이나 지연파괴를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

900℃ 이상 가열된 강판의 급냉을 위해서는 금형의 냉각이 무엇보다 중요하다. 금형의 냉각을 위해 금형 내부에 냉각채널이 마련된다.

핫스탬핑 금형은 성형면을 갖는 복수 개 서브 어셈블리를 조립하여 제작된다. 서브 어셈블리들에는 금형의 길이방향으로 연장되는 냉각채널들이 마련된다. 냉각채널들은 길이방향으로 금형에 건 드릴링을 함에 의해 형성된다. 성형면으로부터 냉각채널까지의 거리가 짧을수록 냉각성능이 좋다. 이 금형에서 냉각수는 금형 내부에서 성형면을 따라 금형 길이방향, 즉 수평방향으로 흐른다.

어떤 핫스탬핑 금형은 위 서브 어셈블리들이 복수의 플레이트를 세워서 차례로 면대면 중첩시킴에 의해 구성된다. 서로 인접한 플레이트들의 중첩면들에는 성형면을 따라 서로 대응하는 그루브를 형성함에 의해 냉각채널이 마련된다. 이 금형에서 냉각수는 금형 내부에서 플레이트들의 중첩면을 따라 흐른다.

위 금형들에서 냉각채널은 금형 내부에 마련된다. 금형 내부를 흐르는 냉각수에 의해 금형이 냉각되며, 이렇게 냉각된 금형에 의해 고온의 강판이 냉각된다.

또 다른 형태의 금형 냉각방법으로, 위에서 설명된 금형의 냉각을 위해 금형 내부에 냉각수가 흐르도록 하기 위한 제1 냉각채널과 함께, 모세관 현상을 이용하여 금형의 성형면으로 냉각수가 공급되도록 하기 위한 제2 냉각채널이 고려될 수 있다.

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이상 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 설명된 사항들이 반드시 이 기술분야에서 이미 공공연히 알려져 있다거나 일반적인 지식에 해당한다고 인정하는 것으로 받아들여져서는 안될 것이다.

본 발명은 성형 공정이 완료될 때 금형과 성형품에 잔류하는 냉각수와 얼룩(spot)을 완전히 제거하고 건조한 상태를 유지할 수 있는 핫스탬핑용 금형장치 및 이의 냉각방법을 제공하는 데에 목적이 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑용 금형장치는, 성형면 및 성형면으로 연장되는 냉각채널을 갖는 금형; 냉각채널과 연결된 냉각수 공급로에 설치된 냉각수 공급제어밸브; 냉각수 공급제어밸브와 냉각채널 사이의 냉각수 공급로에 연결되며, 냉각채널에 에어를 공급하기 위한 에어 공급로; 및 에어 공급로에 설치된 에어 공급제어밸브를 포함한다.

본 발명에 의한 핫스탬핑용 금형장치는 금형의 내부에 냉각채널이 구비되고, 냉각수 공급로를 통해 상기 냉각채널로 냉각수가 공급되어 성형품의 성형시 상기 금형의 냉각이 이루어지는 핫스탬핑용 금형장치로서, 냉각수 공급로 중에 설치되며 성형품이 성형 개시되면 개방되어 냉각채널로 일정 시간 냉각수가 공급된 후 폐쇄되는 냉각수 공급제어밸브와, 냉각수 공급제어밸브와 냉각채널 사이의 냉각수 공급로에 연결되어 에어가 유동되는 에어 공급로와, 에어 공급로 중에 설치되며 폐쇄 상태에 있다가 냉각채널로 일정 시간 냉각수가 공급된 후 냉각수 공급제어밸브가 폐쇄되면 개방되어 냉각채널로 에어가 공급되도록 하고 공급되는 에어에 의해 냉각채널 내의 냉각수가 배출된 다음 금형과 성형품의 건조가 완료되면 폐쇄되는 에어 공급제어밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 핫스탬핑용 금형장치는 제품에 형상을 부여하기 위한 성형면 및 성형면으로 연장되는 냉각채널을 가지며, 성형면에 냉각채널의 출구가 마련된 금형; 냉각채널과 연결된 냉각수 공급로; 및 냉각수 공급로에 연결되며, 냉각채널로 에어를 공급하기 위한 에어 공급로를 포함한다. 냉각채널은 모세관 현상에 의해 냉각수가 출구로 이동할 수 있도록 형성되고, 금형에 로딩된 소재에 의해 뜨거워진 금형이 모세관 현상에 의해 출구로 이동하는 냉각수의 기화 잠열에 의해 냉각될 수 있도록 구성된다.

본 발명에 따른 금형 냉각방법은 금형의 내부에 구비된 냉각채널에 냉각수를 공급하여 성형품의 성형시 금형과 성형품의 냉각을 수행하는 금형의 냉각방법으로서, 성형품이 성형 개시되면 냉각채널로 일정 시간 동안 냉각수를 공급한 후 냉각수 공급을 차단하는 제1단계와, 냉각채널로 에어를 공급하여 냉각채널 내의 냉각수가 에어의 압력에 의해 배출되도록 하는 제2단계와, 냉각채널로 에어의 공급을 지속하여 공급되는 에어에 의해 금형과 성형품이 건조되도록 하는 제3단계와, 금형과 성형품의 건조가 완료되면 에어의 공급을 차단하는 제4단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 금형 냉각방법은 금형에 로딩된 소재에 대한 성형이 개시되면 냉각채널로 냉각수를 공급한 후 냉각수 공급을 차단하는 단계, 냉각수 공급 시 냉각수가 모세관 현상에 의해 출구로 이동할 수 있도록 압력이 조절되며, 금형에 로딩된 소재에 의해 뜨거워진 금형이 모세관 현상에 의해 출구로 이동하는 냉각수의 기화 잠열에 의해 냉각됨; 냉각채널로 에어를 공급하여 냉각채널 내의 잔류 냉각수가 에어의 압력에 의해 배출되도록 하는 단계; 및 에어의 공급을 차단하는 단계를 포함한다.

위와 같이 구성된 본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.

첫째, 본 발명은 성형 공정이 완료될 때 금형과 성형품에 잔류하는 냉각수를 완전히 제거하고 건조한 상태를 유지함으로써, 금형과 성형품의 부식을 방지함과 아울러 주변 환경의 오염을 배제할 수 있게 된다.

둘째, 본 발명은 냉각수의 공급 이후에 공급되는 에어에 의하여 금형과 성형품을 더욱 더 냉각시키게 되므로, 냉각 효율을 향상시키게 된다.

셋째, 종래에 강구되던 금형 자체와 주변의 냉각수 배수 설비를 갖출 필요가 없기 때문에, 금형의 구조를 간소화할 수 있음은 물론 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 종래의 금형 냉각 시스템을 간략하게 표현한 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 시스템의 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각 시스템에 따라 금형과 성형품의 냉각 및 건조가 이루어지는 과정을 간략하게 표현한 그림이다.
도 4는 한 사이클의 성형 공정에서 본 발명의 냉각 시스템에 의해 이루어지는 냉각수와 에어의 공급 시간 제어를 설명하는 타이밍도이다.

이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 참조부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.

본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니다.
앞서 언급되었듯이, 금형 냉각방법으로, 금형의 냉각을 위해 금형 내부에 냉각수가 흐르도록 하기 위한 제1 냉각채널과 함께, 제품에 형상을 부여하기 위한 금형의 성형면으로 모세관 현상을 이용하여 냉각수가 공급되도록 하기 위한 제2 냉각채널이 고려될 수 있다. 적정한 압력으로 제2 냉각채널로 공급된 냉각수는 모세관 현상에 의해 금형 성형면으로 이동한다. 강판에 의해 뜨거워진 금형은 모세관 현상에 의해 금형 성형면으로 이동하는 냉각수를 기화시키며, 이 기화 잠열에 의해 금형 및 강판이 냉각된다.
도 1에는 위의 제2 냉각채널을 갖는 핫스탬핑용 금형장치가 도시되어 있다. 금형의 내부에 형성된 제1 냉각채널은 생략되어 있다.
도 1을 참조하면, 상형(1)과 하형(2)으로 구성된 금형의 내부에 각각 냉각채널(1a,2a)들이 형성되어 있고, 이 냉각채널(1a,2a)에는 냉각수 탱크(도시되지 않음)로부터 공급되는 냉각수(W)가 유입되는 구조를 확인할 수 있다. 냉각채널(1a,2a)에 공급되는 냉각수는, 금형 성형면 위로 분사되는 것이 아니라, 모세관 현상에 의해 금형 성형면으로 이동한다. 이를 위해 냉각채널(1a,2a)을 통해 냉각수가 적당한 압력으로 공급되도록 펌프압 등이 제어된다.
위 금형에 의한 소재 성형을 위해 소재(M1)가 하형(2)에 로딩(도 1의 P1)되며, 상형(1)과 하형(2)이 합형되면서 소재(M1)가 성형되고 그와 동시에 냉각채널(1a,2a)에 공급된 냉각수(W) 및 이의 기화잠열에 의해 금형(1,2) 및 소재(M1)가 냉각된다. 소재 성형이 완료되면 금형(1,2)이 열리고 성형품(M2)이 반출된다.
금형(1,2)으로 공급되는 냉각수는 펌프를 이용한 유량 조절을 통해 적절한 양만이 공급될 수 있게 된다. 그러나, 이러한 유량 조절에도 불구하고, 성형 후 금형의 표면에는 도 1의 (P3)그림에 보이는 것처럼 냉각수의 잔류물(W1)이 남게 되고, 특히 상형(1)에 남아 있던 냉각수의 잔류물(W1)이 중력에 의해 성형 직후의 성형품(M2)으로 낙하하게 된다. 이로 인해 금형(1,2)의 부식이 문제되고, 성형품(M2)에 얼룩을 발생시키는 문제가 있다. 또한 잔류 냉각수로 인해 금형 주변의 환경을 청결하게 유지할 수 없게 만드는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 금형의 표면과 금형 주변에 배수 설비를 갖추기도 하지만, 냉각수의 잔류물을 완전히 제거하기가 어렵고, 금형의 구조를 복잡하게 할 뿐만 아니라 배수 시스템의 추가 설치에 따르는 비용적인 부담도 가중된다. 따라서, 성형 공정이 완료될 때 금형과 성형품에 잔류하는 냉각수와 얼룩을 완전히 제거하고 건조한 상태를 유지할 수 있는 방안이 요구된다.

실시예에 따른 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도 2를 참조한다. 도 2에 예시된 바와 같이 핫스탬핑용 금형(10)은 상형(11)과 하형(12)으로 구성되어 있고, 이들 상형(11)과 하형(12)의 내부에는 각각 냉각수가 흐르는 냉각채널(11a,12a)이 형성되어 있다. 금형(10)의 냉각을 위해 금형(10) 내부에 형성된 통상의 냉각채널은 도시되지 않고 생략되어 있다. 금형(10)은 성형면을 가지며, 냉각채널(11a,12a)은 성형면으로 연장된다. 성형면에 냉각채널(11a,12a)의 출구, 즉 개구가 마련된다. 냉각채널(11a,12a)은 적정한 압력에서 모세관 현상에 의해 냉각수가 성형면을 향해 이동할 수 있는 폭과 형상으로 형성된다.

냉각채널(11a,12a)은 상형(11)과 하형(12)의 내부로부터 상형(11)과 하형(12)의 사이에 배치되는 성형 소재(M1)를 향해 개방되어 있다. 냉각채널(11a,12a)은 외부의 냉각수 공급로(20)를 통해 냉각수를 공급받게 된다. 도 2와 도 3에서 냉각채널(11a,12a)은 매우 간략하게 도시되어 있으나, 냉각수가 유입되는 초입부로부터 금형(10)의 내부에서 다수의 미세한 유로들로 분기되는 구조를 갖는다. 냉각채널(11a,12a)로 도입된 냉각수는 모세관 현상에 의해 금형(10)의 내부 곳곳으로 균일하게 유동되어 금형(10)을 냉각시키게 된다. 이에 대한 보다 상세한 구조와 설명은 특허출원번호 제10-2019-0180091호 및 제10-2019-0180191호에 기재된 내용을 참조하면 된다.

냉각 시스템에서 냉각수 공급로(20)는 상형(11)의 냉각채널(11a)과 하형(12)의 냉각채널(12a)을 향해 분기된다. 특히 분기된 냉각수 공급로(20) 중에는 냉각수 공급제어밸브(30)가 각각 설치된다. 이들 냉각수 공급제어밸브(30)는 성형품의 성형이 개시될 때 개방되어, 냉각채널(11a,12a)로 일정 시간동안 냉각수를 공급한 후에 폐쇄된다.

냉각수 공급제어밸브(30)들과 냉각채널(11a,12a) 사이의 냉각수 공급로(20)에는 에어 공급로(40)가 연결된다. 에어 공급로(40) 역시 분기된 냉각수 공급로(20)에 각각 연결되도록 분기된다. 이 에어 공급로(40)에는 외부의 에어 탱크(도시되지 않음)로부터 공급되는 에어가 유동되어 냉각채널(11a,12a) 측으로 도입될 수 있게 된다.

분기된 에어 공급로(40) 중에는 각각 에어의 공급을 제어하기 위한 에어 공급제어밸브(50)가 설치된다. 이 에어 공급제어밸브(50)는 성형품의 성형이 개시될 때 폐쇄 상태에 있게 된다. 그리고, 위에서 언급한 것처럼 냉각수 공급제어밸브(30)가 개방되어 냉각채널(11a,12a)로 일정 시간동안 냉각수가 공급된 후에 폐쇄되고 나면, 에어 공급제어밸브(50)가 개방됨으로써 냉각채널(11a,12a)로 에어가 공급되도록 한다. 이렇게 공급되는 에어는 공급 압력에 의해 냉각채널(11a,12a) 내의 냉각수를 외부로 배출시키게 된다. 이어서, 에어 공급제어밸브(50)는 계속 개방된 상태를 유지하면서 냉각채널(11a,12a)로 에어가 지속적으로 공급되도록 하는데, 이렇게 공급된 에어는 금형(10)을 더욱 더 냉각시킴과 아울러 금형(10)과 성형품에 잔류하는 냉각수를 기화시키거나 외부로 비산시킴으로써 금형(10)과 성형품이 건조되도록 한다. 그리고, 금형(10)과 성형품이 완전히 건조되면 에어 공급제어밸브(50)가 폐쇄된다.

에어 공급로(40) 중에는 에어를 냉각시키는 에어 냉각부(60)가 구비될 수 있다. 이 에어 냉각부(60)는 예컨대 보텍스 튜브(vortex tube) 또는 칠러(chiller)일 수 있는데, 냉각채널(11a,12a)로 공급되는 에어를 0℃ 이하 또는 적절한 온도로 냉각시킴으로써 금형(10)에 대한 냉각 효율을 더욱 향상시키게 된다.

에어 공급로(40) 중에는 레귤레이터(70)가 설치될 수 있는데, 에어 탱크로부터 에어 공급로(40)에 가압된 상태로 공급되는 에어의 공급 압력을 레귤레이터(70)에서 적절한 압력(예를 들면, 2∼20바)으로 조정하여 금형(10)의 냉각채널(11a,12a) 측으로 송급할 수 있게 된다.

미설명 부호 80은 냉각수 공급로(20)에 공급되는 냉각수를 여과하는 스트레이너(strainer)이다. 또, 미설명 부호 90과 100 및 110은 각각 온도 센서와 압력 센서 및 유량계로서, 냉각수 공급로(20)와 에어 공급로(40)를 통해 흐르는 냉각수와 에어의 온도와 압력 및 유량을 각각 체크하기 위해 통상적으로 구비되는 수단들이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 냉각수 공급로(20)로 냉각수를 공급하기 위한 펌프류 또한 도면들에는 생략되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 냉각 시스템에 따라 금형의 냉각과 금형/성형품의 건조가 이루어지는 과정을 간략하게 표현하고 있다. 즉, 도 3에 보이고 있는 금형과 성형품의 냉각 및 건조 과정은 위에서 설명한 실시예를 포함하는 본 발명의 냉각 시스템에 의해 이루어진다.

도 3의 (S0)그림은 금형 즉, 상형(11)과 하형(12)의 사이에 성형 소재(M1)가 배치된 상태에서 성형이 이루어지기 직전의 모습을 보여주고 있다. 이때는 상형(11)과 하형(12)의 내부에 각각 구비된 냉각채널(11a,12a)에 냉각수와 에어가 전혀 공급되지 않고 있는 상황이다.

도 3의 (S1)그림은 상형(11)과 하형(12)이 형합되면서 성형 소재를 성형품(M2)으로 성형을 개시하고 있는 모습을 보여주고 있다. 이때 상형(11)과 하형(12)의 냉각채널(11a,12a)로 일정 시간 동안 냉각수(W)가 공급되며, 에어의 공급은 이루어지지 않는다. 냉각수(W)가 일정 시간 동안 공급된 이후에는 냉각수(W)의 공급이 차단된다.

도 3의 (S2)그림은 냉각수(W)의 공급이 차단된 상태에서 냉각채널(11a,12a)로 에어(A)가 공급되는 단계를 보여주고 있다. 이에 따라 냉각채널(11a,12a) 내에 잔류하는 냉각수(W)는 공급되는 에어(A)의 압력에 의해 외부로 배출된다.

도 3의 (S3-1)그림과 (S3-2)그림은 냉각수의 공급이 차단된 상태에서 상/하형(11,12)의 냉각채널(11a,12a)로 에어(A)의 공급이 지속됨에 따라, 공급되는 에어(A)에 의해 상/하형(11,12)이 더욱 더 냉각됨과 아울러 상/하형(11,12)과 성형품(M2)을 건조시키는 단계를 보여주고 있다. 특히, (S3-2)그림은 상/하형(11,12)이 분리되면서 성형품(M2)을 향해 에어(A)가 더욱 확산되어 냉각과 건조가 활발하게 이루어지는 것을 보여준다. 이에 따라서 상/하형(11,12)과 성형품(M2)에 남아있던 냉각수의 수분이 완전히 건조된다. 만일 도 3의 (S2)그림과 (S3-1)그림 및 (S3-2)그림에서 공급되는 에어(A)를 0℃ 이하 또는 적절한 온도로 냉각된 상태로 공급되도록 하면 상/하형(11,12)에 대한 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수가 있다.

도 3의 (S4)그림은 상/하형(11,12)과 성형품(M2)의 건조가 완료되어 에어의 공급이 차단된 상태를 보여주고 있다.

도 4는 한 사이클의 성형 공정에서 본 발명의 냉각 시스템에 의해 이루어지는 냉각수와 에어의 공급 시간 제어를 설명하고 있다.

전술한 바와 같은 냉각 시스템이 구비된 상태에서 금형을 이용하여 성형 소재를 성형품으로 성형하기 위한 성형(예를 들면, 핫스탬핑)이 개시되면, 일정 시간(t_{냉각수, on}) 동안 냉각수가 금형의 냉각채널로 일정 유량(예를 들면, 냉각채널에 충전되어 금형을 원하는 수준의 온도로 냉각시킬 수 있는 정도의 유량)만큼 공급된다.

냉각수(W)의 공급이 차단된 상태(t_{냉각수,off})에서 에어의 공급 준비를 위한 불가피한 지연 시간(t_지연)의 경과 후, 냉각채널로 일정 시간(t_에어,on) 에어의 공급이 이루어진다. 에어의 공급 유량은 냉각채널로 공급된 냉각수의 유량과 냉각 정도를 감안하여 조정이 가능하다. 이처럼 에어가 공급됨에 따라, 냉각채널 내에 잔류하는 냉각수는 공급되는 에어의 압력에 의해 외부로 배출된다. 그리고, 에어의 공급이 지속되는 동안에 금형이 더욱 더 냉각됨과 금형과 성형품에 잔류하는 냉각수의 수분이 완전히 건조된다.

에어의 공급이 차단(t_에어,off)되고, 성형 공정 및 이에 부수하는 냉각과 건조 과정이 종료된다.

성형 소재의 성형 작업이 반복해서 수행되는 경우, 상기와 같은 냉각수와 에어의 공급 및 차단은 동일한 사이클로 반복하여 이루어지게 된다.

다음으로, 성형공정에서 이루어지는 냉각수의 공급 시간(t_{냉각수, on})과 냉각수의 공급 차단 시간(t_{냉각수,off}) 및 에어의 공급 시간(t_에어,on)과 에어의 공급 차단 시간(t_에어,off)은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서, t_성형공정는 한 사이클의 성형공정(예를 들면, 핫스탬핑)에 소요되는 시간을 의미한다.

또한, 금형에 대한 높은 냉각성능을 발휘하기 위해서는, 경험적으로 아래의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 냉각수의 공급 시간(t_{냉각수, on})과 지연 시간(t_delay)의 비율, 냉각수의 공급 시간(t_{냉각수, on})과 에어의 공급 시간(t_에어,on)의 비율을 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 냉각수의 공급 시간(t_{냉각수, on})은 금형의 주위에 냉각수가 잔존하지 않도록 제어해주어야 하는 중요한 인자이다. 냉각수의 공급 시간(t_{냉각수, on})은 아래의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.

여기서, a는 보정계수, ρ_b는 성형 소재의 밀도[㎏/㎣[, C_p,b는 성형 소재의 비열[kJ/kg℃], A_b는 성형 소재의 표면적[㎡], B_b는 성형 소재의 두께[m], ΔT는 성형 소재의 최초 온도와 최종 온도의 차이[℃], m은 냉각수의 유량[kg/h], h_lv는 냉각수의 잠열엔탈피[kJ/kg]이다.

상기 보정계수 a는 금형을 효과적으로 냉각시키기 위해 다음의 수학식 5과 같은 범위를 갖는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 제시된 요소들은 서로들 간에 선택적으로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.

이하 본 발명의 권리범위를 정하기 위한 청구항들이 기재된다. 청구항에 기재된 요소(들)은, 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않으면서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항들에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.

10 : 금형 11 : 상형
11a,12a : 냉각채널 12 : 하형
20 : 냉각수 공급로 30 : 냉각수 공급제어밸브
40 : 에어 공급로 50 : 에어 공급제어밸브
60 : 에어 냉각부 70 : 레귤레이터
80 :스트레이너 90 : 온도 센서
100 : 압력 센서 110 : 유량계
A : 에어 M1 : 성형 소재
M2 : 성형품 W : 냉각수

Claims (3)

1. 제품에 형상을 부여하기 위한 성형면 및 성형면으로 연장되는 냉각채널을 가지며, 성형면에 냉각채널의 출구가 마련된 금형;
   상기 냉각채널과 연결된 냉각수 공급로; 및
   상기 냉각수 공급로에 연결되며, 냉각채널로 에어를 공급하기 위한 에어 공급로를 포함하며,
   상기 냉각채널은 모세관 현상에 의해 냉각수가 출구로 이동할 수 있도록 형성되고, 금형에 로딩된 소재에 의해 뜨거워진 금형이 모세관 현상에 의해 출구로 이동하는 냉각수의 기화 잠열에 의해 냉각될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 금형장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 금형의 내부에 성형면을 따라 수평방향으로 연장된 통상 냉각채널을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 금형장치.
3. 제1항 또는 제2항에 따른 핫스탬핑용 금형장치를 이용한 금형 냉각방법으로서,
   금형에 로딩된 소재에 대한 성형이 개시되면 냉각채널로 냉각수를 공급한 후 냉각수 공급을 차단하는 단계, 냉각수 공급 시 냉각수가 모세관 현상에 의해 출구로 이동할 수 있도록 압력이 조절되며, 금형에 로딩된 소재에 의해 뜨거워진 금형이 모세관 현상에 의해 출구로 이동하는 냉각수의 기화 잠열에 의해 냉각됨;
   상기 냉각채널로 에어를 공급하여 냉각채널 내의 잔류 냉각수가 에어의 압력에 의해 배출되도록 하는 단계; 및
   상기 에어의 공급을 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 금형의 냉각방법.

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