KR102406526B1 - 강판 성형장치 및 강판 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치는, 상하 이동가능한 상형 다이; 상기 상형 다이의 아래에 위치한 하형 펀치; 상기 하형 펀치의 둘레에 배치되고, 블랭크를 지지하는 블랭크 홀더; 및 상기 상형 다이의 하강에 의해 상기 블랭크가 성형될 때 유체를 상기 블랭크에 직접적으로 분사하도록 구성된 분사유닛;을 포함할 수 있다.

Description

강판 성형장치 및 강판 성형방법{SHEET METAL FORMING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 강판 성형장치 및 강판 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강판 소재인 블랭크가 성형될 때 금형과의 접촉시간이 서로 상이함으로 인해 발생하는 성형한계를 방지하기 위하여 금형과의 접촉시간이 상대적으로 짧은 부분(변형 비집중부)에 대해 상대적으로 고온을 가진 유체를 직접적으로 분사함으로써 블랭크의 성형성을 개선할 수 있는 강판 성형장치 및 강판 성형방법에 관한 것이다.

상온 상태에서 강판을 일정 형상의 제품으로 성형하는 가장 일반적인 성형방법은 스탬핑(stamping) 또는 프레스(press) 등으로 지칭된다. 이러한 스탬핑 또는 프레스 방법은, 1) 미리 절단된 강판의 일부인 블랭크를 프레스 금형에 장착한 이후에 상하 방향으로 일정한 형태로 가압하는 포밍(forming) 또는 드로잉(drawing), 2) 완제품에 필요 없는 부분을 잘라내는 트리밍(trimming), 3) 홀 등을 가공하는 피어싱(piecing), 4) 추가 형상을 만드는 플랜징(flanging)과 같은 4개 공정을 거친다. 일반적으로 성형, 전단, 절곡 등의 소재 변형을 거쳐서 완성 패널을 생산하게 되는데, 포밍 공정은 제품 설계 데이터를 기반으로 강판을 소성 가공하는 공정으로 최종 제품의 품질을 결정하는 가장 중요한 공정이다.

도 1을 참조하면, 종래의 강판 성형장치는, 상하이동가능한 슬라이더(2)와, 슬라이더(2)의 아래에 위치한 볼스터(5)와, 슬라이더(2)에 장착된 상형 다이(3)와, 볼스터(5)에 장착된 하형 펀치(4)와, 하형 펀치(4)의 둘레에 배치된 블랭크 홀더(8)를 포함한다.

슬라이더(2)는 최상측에 위치한 프레스 바디이고, 상형 다이(3)는 제품의 상면에 대응하는 형상을 가지며, 하형 펀치(4)는 제품의 저면에 대응하는 형상을 가지고, 블랭크 홀더(8)는 쿠션핀(9)을 통해 볼스터(5)에 장착된다. 상형 다이(3)는 블랭크(1)의 가장자리 상면과 접촉하는 제1접촉면(6)을 가지고, 블랭크 홀더(8)는 블랭크(1)의 가장자리 저면과 접촉하는 제2접촉면(7)을 가진다.

블랭크 홀더(8)가 상승한 상태에서 블랭크(1)가 상형 다이(3) 및 하형 펀치(4) 사이에 투입되면 블랭크(1)의 가장자리가 상형 다이(3)의 제1접촉면(6)과 블랭크 홀더(8)의 제2접촉면(7)에 의해 고정된다.

이런 상태에서, 상형 다이(3) 및 블랭크 홀더(8)가 함께 하강하고, 상형 다이(3)의 제1접촉면(6) 및 블랭크 홀더(8)의 제2접촉면(7)에 의해 홀딩된 블랭크(1)는 하형 펀치(4)에 의해 상부 다이(3) 및 하형 펀치(4) 사이의 성형 공간 내로 조금씩 진입되면서 성형된다. 그리고, 상형 다이(3) 및 하형 펀치(4)가 서로 완전히 폐쇄되면 블랭크(1)는 일정 형상의 제품으로 가공되고, 상형 다이(3)가 상승한다. 그 이후에, 제품은 블랭크 홀더(8)에 의해 리프팅되고, 취출용 행거에 의해 프레스 장비로부터 이송된다. 이송된 제품은 트리밍, 피어싱, 플랜징 등을 거쳐 후가공됨으로써 완성된다.

이상과 같은 종래의 상온 성형공정은, 블랭크의 강도 및 신율에 따라 성형한계가 존재하여 제품 형상에 제약이 발생하며, 블랭크의 강도 증가 시 신율이 감소하므로 그 적용이 불가한 상황도 발생한다.

구체적으로, 강판 성형장치에 의해 반구 또는 반원 형상 등과 같이 곡률진 제품을 제작할 경우, 이론적으로 제품의 중앙부가 가장 많이 변형하는 부분이다. 하지만, 블랭크의 중앙부(곡률이 상대적으로 큰 부분)는 금형의 하부 펀치와 가장 먼저 접촉하는 부분으로 금형과의 접촉시간이 상대적으로 길어지므로 마찰계수가 증가하고, 이에 블랭크의 중앙부는 변형이 상대적으로 적게 발생하는 변형 비집중부가 된다. 반면에, 블랭크의 가장자리는 금형의 하부 펀치와 상대적으로 늦게 접촉하는 부분으로 금형과의 접촉시간이 상대적으로 짧으므로 마찰계수가 작아지고, 이에 변형이 블랭크의 가장자리에 집중됨으로써 블랭크의 가장자리는 변형 집중부가 된다. 이러한 블랭크의 변형 집중부에서 크랙이 발생하고, 그 결과 제품의 성형성이 악화된다.

즉, 종래의 강판 성형장치는, 강판 소재인 블랭크를 상온에서 소성가공을 통해 성형할 때 금형과의 접촉시간이 서로 상이함으로 인해 블랭크의 전 영역에 대한 변형이 불균일해질 수 있다. 이에, 금형과의 접촉시간이 상대적으로 짧은 부분에서 변형이 집중되고, 금형과의 접촉시간이 상대적으로 긴 부분에 대해 변형이 덜 발생하는 문제점이 있었다.

이러한 원인으로 인해 제품의 성형 시에 블랭크의 신율에 보다 낮은 성형한계가 발생하므로 제품 형상에 큰 제약이 발생한다. 또한, 형상이 정해진 제품에 적용 시 블랭크의 강도 증가에 따라 신율이 감소하여 적용 가능한 강도의 한계가 발생하므로 중량 증가 등에 문제가 발생한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 금형 및 블랭크 사이의 마찰에 의해 성형성이 악화되는 현상을 방지하기 위해 고압의 오일 또는 가스로 부품을 성형하는 시트 하이드로 포밍, 블로우 포밍 등이 개발되고 있다. 블랭크의 포밍 이후의 공정은 상온 상태의 스템핑 공정과 동일하다. 다만, 포밍기술은 부품 하나를 성형할 때 마다 오일 및 가스의 주입, 금형 밀폐 필요, 성형 속도 또한 느리기 때문에 사이클 타입이 느려지고, 별도의 설비 구축이 필요한 점 때문에 원가가 크게 상승하는 단점을 가지고 있으므로 일반적인 자동차 부품 제작에 사용하지는 못하고 있는 상황이다.

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

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 강판 소재인 블랭크를 이용하여 소정 형상을 가진 제품을 성형할 때 금형과의 접촉시간이 상대적으로 짧은 부분에 대해 국부적으로 항복강도를 증가시킴으로써 블랭크의 전 영역에 걸쳐 변형을 고르게 분산할 수 있고, 이를 통해 블랭크의 성형성을 개선할 수 있는 강판 성형장치 및 강판 성형방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치는, 상하 이동가능한 상형 다이; 상기 상형 다이의 아래에 위치한 하형 펀치; 상기 하형 펀치의 둘레에 배치되고, 블랭크를 지지하는 블랭크 홀더; 및 제1유체를 상기 블랭크에 직접적으로 분사하는 제1분사부를 포함한 분사유닛;을 포함할 수 있다.

상기 제1유체는 상기 블랭크의 소부경화를 유도하기 위한 온도를 가진 유체일 수 있다.

상기 분사유닛은 제2유체를 상기 블랭크에 직접적으로 분사하도록 구성된 제2분사부를 더 포함할수 있다.

상기 제2유체는 상기 제1유체 보다 상대적으로 저온일 수 있다.

상기 제2유체는 상기 블랭크의 소부경화를 방지하기 위한 온도를 가진 유체일 수 있다.

상기 제1분사부는 제1유체를 상기 블랭크의 변형 집중부에 수직으로 분사하도록 구성되고, 상기 제2분사부는 제2유체를 상기 블랭크의 변형 비집중부에 수직으로 분사하도록 구성될 수 있다.

상기 제1분사부는 상기 하형 펀치에 배치된 복수의 제1노즐 및 상기 복수의 제1노즐에 연결된 제1발생기를 포함할 수 있다.

상기 제2분사부는 상기 하형 펀치에 배치된 복수의 제2노즐 및 상기 복수의 제2노즐에 연결된 제2발생기를 포함할 수 있다.

상기 상형 다이의 저면에 배치된 상측 압력센서를 더 포함하고, 상기 상측 압력센서는 상기 상형 다이가 하사점까지 완전히 하강하는 것을 검출하도록 구성될 수 있다.

상기 블랭크 홀더의 상면에 배치된 하측 압력센서를 더 포함하고, 상기 하측 압력센서는 상기 블랭크가 상기 블랭크 홀더의 홀딩면에 안착됨을 검출하도록 구성될 수 있다.

상기 상형 다이 내에 매립된 상측 냉각채널; 및 상기 하형 펀치 내에 매립된 하측 냉각채널;을 더 포함하고, 냉각수가 상기 상측 냉각채널 및 상기 하측 냉각채널을 통해 순환하도록 구성될 수 있다.

상기 상형 다이는 블랭크의 가장자리 상면과 접촉가능한 제1접촉면을 가질 수 있다.

상기 블랭크 홀더는 블랭크의 가장자리 저면과 접촉가능한 제2접촉면을 가질 수 있다.

본 발명에 의한 강판 성형방법은, 블랭크를 상형 다이 및 하형 펀치 사이에 투입하고, 상기 블랭크에 유체를 분사하며, 상기 상형 다이의 하강에 의해 상기 블랭크를 성형하는 것으로 이루어질 수 있다.

상기 하형 펀치와의 접촉시간이 상대적으로 긴 상기 블랭크의 부분에 제1유체를 직접적으로 분사할 수 있다.

상기 제1유체는 상기 블랭크의 소부경화를 유도하기 위한 온도를 가진 유체일 수 있다.

상기 하형 펀치와의 접촉시간이 상대적으로 짧은 상기 블랭크의 부분에 제2유체를 직접적으로 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제2유체는 상기 제1유체 보다 상대적으로 저온일 수 있다.

상기 제2유체는 상기 블랭크의 소부경화를 방지하기 위한 온도를 가진 유체일 수 있다.

본 발명에 의하면, 소부특성을 가진 강판의 국부 변형을 저감함으로써 강판의 성형성을 개선할 수 있다. 특히, 블랭크의 포밍 시작~종료 구간 동안에 상대적으로 고온인 제1유체 및/또는 상대적으로 저온인 제2유체를 블랭크에 대해 국부적이고 선택적으로 분사함으로써 블랭크의 변형이 집중되는 부분에 대한 항복강도를 국부적으로 증가시킬 수 있고, 이를 통해 블랭크의 전 영역에 걸쳐 변형을 고르게 분산함으로써 생산성 저하 및 설비 추가 없이 성형성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 강판 성형장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치의 분사유닛을 도시한 도면이다.
도 4는 강판의 소부경화 원리를 도시한 도면이다.
도 5는 강판의 항복강도가 소부경화에 의해 상승하는 것을 도시한 그래프다.
도 6은 고온 에어의 분사 및 저온 에어의 분사에 의해 시험편의 항복강도 변화를 테스트하기 위한 시험장치를 도시한 도면이다.
도 7은 시험편의 온도가 저온 에어의 분사 및 고온 에어의 분사를 통해 상승하는 것을 도시한 그래프이다.
도 8은 도 6의 시험장치를 이용하여 테스트한 결과 시험편의 항복강도가 증가하는 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 시험편이 상온 상태에서 인장된 시험편과, 고온에어 분사 상태에서 인장된 시험편을 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치에서 상형 다이, 블랭크 홀더, 하형 펀치가 원위치에 위치한 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치에서 블랭크가 상형 다이 및 하형 펀치 사이에 투입되고, 블랭크가 블랭크 홀더에 안착된 상태를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치에서 상형 다이가 하강하여 블랭크의 가장자리가 상형 다이 및 블랭크 홀더에 의해 홀딩된 상태를 도시한 도면이다.
도 13은 도 12에 비해 상형 다이가 더욱 하강함으로써 블랭크가 하형 펀치에 의해 점진적으로 성형되는 과정을 도시한 도면이다.
도 14는 도 13에서 상형 다이가 하사점까지 완전히 하강함에 따라 블랭크가 하형 펀치에 의해 완전히 성형된 것을 도시한 도면이다.
도 15는 상형 다이가 상사점까지 완전히 상승하고, 블랭크 홀더가 하강한 상태를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 강판 성형장치에서 시간에 따른 상형 다이의 이동 및 제1유체 및 제2유체의 분사 과정을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치(10)는 상하이동가능한 슬라이더(12)와, 슬라이더(12)의 아래에 위치한 볼스터(15)와, 슬라이더(12)에 장착된 상형 다이(13)와, 볼스터(15)에 장착된 하형 펀치(14)와, 하형 펀치(14)의 둘레에 배치된 블랭크 홀더(18)를 포함한다.

슬라이더(12)는 최상측에 위치한 프레스 바디일 수 있고, 상하 이동가능하게 구성될 수 있다. 상형 다이(13)는 그 하부에 제품의 상면에 대응하는 하부 형상을 가질 수 있다. 하형 펀치(14)는 그 상부에 제품의 저면에 대응하는 상부 형상을 가질 수 있다. 상형 다이(13)의 하부 형상과 하형 펀치(14)의 상부 형상 사이에는 제품의 성형을 위한 성형공간이 한정될 수 있다. 블랭크 홀더(18)는 쿠션핀(19)을 통해 볼스터(15)에 장착될 수 있다. 상형 다이(13)는 블랭크(21)의 가장자리 상면와 접촉가능한 제1접촉면(13a)을 가질 수 있고, 블랭크 홀더(18)는 블랭크(21)의 가장자리 저면과 접촉가능한 제2접촉면(18a)을 가질 수 있다. 블랭크 홀더(18)가 상승한 상태에서 블랭크(21)가 상형 다이(13) 및 하형 펀치(14) 사이에 투입되면 블랭크(21)의 가장자리가 상형 다이(13)의 제1접촉면(13a)과 블랭크 홀더(18)의 제2접촉면(18a)에 의해 강하게 고정된다. 블랭크(21)는 사각형, 원형 등으로 미리 절단된 강판 소재이다.

강판의 소부경화 효과는 도 4 및 도 5와 같은 원리로 항복강도가 상승한다. 도 4(a)를 참조하면, 인장강도 340MPa 이상의 강판 제조 과정에서 강도 강화를 위해 C 원소를 0.0018wt% 이상을 추가하며(인장강도가 증가할 수록 탄소 함량 증가), 대부분 Fe+C 화합물을 형성하나 일부는 화합물을 형성하지 않고 C 단독으로 고용 상태로 존재하는데 이를 고용탄소라 한다. C 원자는 Fe 원자 대비 매우 작아 철 결정구조 사이에 불규칙적으로 존재하며, 결정구조에서 원 자리에 위치하고 있지 않기 때문에 매우 불안정한 상태로 존재한다. 도 4(b)를 참조하면, 외부에서 140℃이상의 온도가 가해지면 불안정한 위치에 있던 고용탄소는 안정한 위치로 이동하게 된다. 강판에서는 전위(dislocation)가 발생하는데, 전위는 일정한 결정 구조를 갖는 물질내에서 전단응력에 의해 원자의 배열이 어긋난 선형의 결함으로 그 선을 전위선이라고 하며, 주변 원자에 격자 뒤틀림을 유발한다. 외부에서 하중이 가해지면 전위가 이동하면서 강판의 변형이 발생시키며, 이 전위는 기존 결정구조에서 Fe 원자가 비어 있는 형태로 에너지적으로 불안정한 지역일 수 있다. 외부에서 에너지가 가해지면 고용탄소는 전위로 이동한다. 도 4(c)를 참조하면, 고용탄소가 전위의 아래쪽으로 이동하면 전위는 C 원자에 의해 고착되며, 외부에서 하중이 가해지면 변형을 위해 전위의 이동이 발생하나, C 원자와 결합력에 의해 고착되어 있는 상태라 이를 끓기 위해 더 많은 하중이 필요하게 된다. 이에, 도 5와 같이, 항복강도가 상승하고, 1개의 사슬을 끓고 다음 사슬을 끓는 과정이 반복되어 곡선이 톱니형태로 나타나다 모든 사슬이 끓어지면 원 인장곡선으로 돌아가게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 강판 성형장치(10)는 강판의 소부강화 원리를 이용하여 성형성을 개선하기 위하여 유체를 블랭크(21)에 직접적으로 분사는 분사기구를 포함할 수 있다. 분사기구는 상형 다이(13) 및 하형 펀치(14) 중에서 적어도 하나에 장착될 수 있고, 분사기구는 상대적으로 고온인 제1유체 및/또는 상대적으로 저온인 제2유체를 블랭크(21)에 직접적으로 분사하도록 구성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 분사유닛은 제1유체를 블랭크(21)에 분사하도록 구성된 제1분사부(31)와, 제2유체를 블랭크(21)에 직접적으로 분사하도록 구성된 제2분사부(32)를 포함할 수 있다. 제1분사부(31) 및 제2분사부(32)는 하형 펀치(14)에 배치될 수 있다.

도 3을 참조하면, 제1분사부(31)는 복수의 제1노즐(33) 및 복수의 제1노즐(33)에 연결된 제1발생기(35)를 포함할 수 있다. 복수의 제1노즐(33)은 하형 펀치(14)의 상면에 배치될 수 있고, 제1발생기(35)는 제1유로(35a)를 통해 복수의 제1노즐(33)에 연결될 수 있다. 제1발생기(35)는 제1유체를 발생하여 복수의 제1노즐(33)로 공급하도록 구성될 수 있다. 제1유체는 고온 액체 또는 고온 가스 등과 같이 상대적으로 고온을 가진 유체일 수 있다.

일 예에 따르면, 제1분사부(31)는 300~400℃ 등과 같은 고온/고압의 에어 등과 같은 고온 가스를 블랭크(21)에 직접적으로 분사하도록 구성될 수 있다. 구체적으로 제1발생기(35)가 고온 가스를 발생하여 복수의 제1노즐(33)로 공급할 수 있고, 복수의 제1노즐(33)은 고온 가스를 블랭크(21)에 직접적으로 분사할 수 있다.

다른 예에 따르면, 제1분사부(31)는 고온 오일 등과 같은 고온 액체를 블랭크(21)에 직접적으로 분사하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1발생기(35)가 고온 액체를 저장하여 복수의 제1노즐(33)로 공급할 수 있고, 복수의 제1노즐(33)은 고온 액체를 블랭크(21)에 직접적으로 분사할 수 있다. 그리고, 제1분사부(31)는 고온 액체를 제1발생기(35)로 회수하는 회수라인을 더 포함할 수 있다.

복수의 제1노즐(33)은 블랭크(21)의 일부에 제1유체(고온 유체)를 국부적으로 분사하도록 배치될 수 있고, 도 3과 같이 각 제1노즐(33)은 제1유체(고온 유체)를 수직으로 분사하도록 배치될 수 있다.

도 3을 참조하면, 제2분사부(32)는 복수의 제2노즐(34) 및 복수의 제2노즐(34)에 연결된 제2발생기(36)를 포함할 수 있다. 복수의 제2노즐(34)은 하형 펀치(14)의 상면에 배치될 수 있고, 제2발생기(36)는 제2유로(36a)를 통해 복수의 제2노즐(34)에 연결될 수 있다. 제2발생기(36)는 제2유체를 발생하여 복수의 제2노즐(34)로 공급하도록 구성될 수 있다. 제2유체는 저온 액체 또는 저온 가스 등과 같이 제1유체 보다 상대적으로 낮은 저온를 가진 유체일 수 있다.

일 예에 따르면, 제2분사부(32)는 0~100℃ 등과 같은 저온/고압의 에어 등과 같은 저온 가스를 블랭크(21)에 직접적으로 분사하도록 구성될 수 있다. 구체적으로 제2발생기(36)가 저온 가스를 발생하여 복수의 제2노즐(34)로 공급할 수 있고, 복수의 제2노즐(34)은 저온 가스를 블랭크(21)에 직접적으로 분사할 수 있다.

다른 예에 따르면, 제2분사부(32)는 저온 오일 등과 같은 저온 액체를 블랭크(21)에 직접적으로 분사하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제2발생기(36)가 저온 액체를 저장하여 복수의 제2노즐(34)로 공급할 수 있고, 복수의 제2노즐(34)은 저온 액체를 블랭크(21)에 직접적으로 분사할 수 있다. 그리고, 제2분사부(32)는 저온 액체를 제2발생기(36)로 회수하는 회수라인을 더 포함할 수 있다.

복수의 제2노즐(34)은 블랭크(21)의 일부에 제2유체를 국부적으로 분사하도록 배치될 수 있고, 도 3과 같이 각 제2노즐(34)은 제2유체를 수직으로 분사하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 블랭크(21)가 상형 다이(13) 및 하형 펀치(14)의 작동에 의해 성형될 때, 제2분사부(32)는 상형 다이(13)의 하강에 의해 하형 펀치(14)와 먼저 접촉하는 블랭크(21)의 일 부분에 제2유체를 집중적으로 분사하도록 구성될 수 있다. 블랭크(21)에서 하형 펀치(14)와 먼저 접촉하는 부분은 하형 펀치(14)와의 접촉시간이 상대적으로 길어지므로 마찰계수가 증가하므로 그 변형이 상대적으로 적게 발생하는 변형 비집중부(21b)가 된다. 제2분사부(32)는 제2유체를 블랭크(21)의 변형 비집중부(21b)에 수직으로 분사하도록 구성될 수 있고, 이를 통해 제2유체가 블랭크(21)의 변형 비집중부(21b)에 분사될 때 제2유체가 블랭크(21)의 변형 집중부(21a)로 혼입됨을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 블랭크(21)가 상형 다이(13) 및 하형 펀치(14)의 작동에 의해 성형될 때, 제1분사부(31)는 상형 다이(13)의 하강에 의해 하형 펀치(14)와 상대적으로 늦게 접촉하는 블랭크(21)의 다른 부분에 제1유체를 집중적으로 분사하도록 구성될 수 있다. 블랭크(21)에서 하형 펀치(14)와 상대적으로 늦게 접촉하는 부분은 하형 펀치(14)와의 접촉시간이 상대적으로 짧으므로 마찰계수가 감소하므로 그 변형이 상대적으로 많이 발생하는 변형 집중부(21a)가 된다. 제1분사부(31)는 제1유체를 블랭크(21)의 변형 집중부(21a)에 수직으로 분사하도록 구성될 수 있고, 이를 통해 제1유체가 블랭크(21)의 변형 집중부(21a)에 분사될 때 제1유체가 블랭크(21)의 변형 비집중부(21b)로 혼입됨을 방지할 수 있다.

도 14에 예시된 바와 같이, 반구 또는 반원 형상의 커브진 제품을 성형할 때, 블랭크(21)의 중앙부(곡률이 상대적으로 큰 부분)가 하형 펀치(14)와 가장 먼저 접촉하는 부분으로 상대적으로 하형 펀치(14)와의 접촉시간이 상대적으로 길어지므로 마찰계수가 증가하고, 이에 블랭크(21)의 중앙부는 그 변형이 상대적으로 적게 발생하는 변형 비집중부(21b)가 된다. 그리고, 블랭크(21)의 가장자리는 금형의 하부펀치와 상대적으로 늦게 접촉하는 부분으로 상대적으로 금형과의 접촉시간이 상대적으로 짧으므로 마찰계수가 작아지고, 이에 블랭크(21)의 가장자리는 변형이 집중되는 변형 집중부(21a)가 된다. 제1분사부(31)는 금형의 하형 펀치(14)와 상대적으로 늦게 접촉하는 변형 집중부(21a)인 블랭크(21)의 가장자리를 향해 제1유체(고온 액체)를 직접적으로 분사하도록 구성될 수 있고, 제2분사부(32)는 금형의 하형 펀치(14)와 먼저 접촉하는 변형 비집중부(21b)인 블랭크(21)의 중앙부를 향해 제2유체(저온 액체)를 직접적으로 분사하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 블랭크(21)의 변형 집중부(21a)가 소부경화 효과에 의해 항복강도가 증가하므로, 변형은 블랭크의 변형 비집중부(21b)로 분산될 수 있다. 여기서, 항복강도는 외부 하중에 의해 블랭크가 영구적으로 변형되기 시작하는 강도이다.

구체적인 실시예에 따르면, 제1유체는 블랭크(21)의 소부경화를 유도할 수 있는 온도를 가진 고온유체일 수 있고, 제2유체는 블랭크(21)의 소부경화를 방지할 수 있는 온도를 가진 저온유체일 수 있다. 즉, 제2유체는 제1유체에 비해 상대적으로 낮은 온도를 가질 수 있다. 예컨대, 제1분사부(31)가 300~400℃의 고온에어 등과 같은 제1유체를 블랭크(21)의 변형 집중부(21a)에 분사할 때, 제1유체가 변형 집중부(21a)와 인접한 비변형 비집중부(21b)로 혼입될 경우, 변형 비집중부(21b)에서 소부경화(bake hardening)가 발생할 수 있고, 이로 인해 변형이 변형 비집중부(21b)로 분산되지 않을 수 있다. 이와 같은 점을 고려하여, 제1분사부(31)가 제1유체를 블랭크(21)의 변형 집중부(21a)에 분사할 때, 블랭크(21)의 변형 비집중부(21b)에서 소부경화가 발생하지 않도록 제2분사부(32)는 100℃ 이하의 저온에어와 같은 제2유체를 블랭크(21)의 변형 비집중부(21b)에 동시에 분사하도록 구성됨이 바람직하다.

앞서 언급한 바와 같이 반구 또는 반원 형상의 커브진 제품을 성형할 때, 블랭크(21)의 가장자리는 변형 집중부(21a)가 되고, 블랭크(21)의 중앙부(곡률이 상대적으로 큰 부분)는 변형 비집중부(21b)가 된다. 이에 따라, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이, 제1분사부(31)는 블랭크(21)의 가장자리로 제1유체를 분사할 수 있도록 하형 펀치(14)의 가장자리에 배치될 수 있고, 제2분사부(32)는 블랭크(21)의 중앙부를 향해 제2유체를 분사하도록 하형 펀치(14)의 중앙부에 배치될 수 있다.

상측 압력센서(41)가 상형 다이(13)의 저면에 배치될 수 있고, 상측 압력센서(41)가 상형 다이(13)가 하사점까지 완전히 하강하는 것을 검출함으로써 제어기(40)는 블랭크(21)의 포밍 완료를 판단할 수 있다. 하측 압력센서(42)가 블랭크 홀더(18)의 상면에 배치될 수 있고, 하측 압력센서(42)는 블랭크(21)가 블랭크 홀더(18)의 제2접촉면(18a)에 안착됨을 검출하도록 구성될 수 있다. 상측 압력센서(41)에 의해 검출된 신호 및 하측 압력센서(42)에 의해 검출된 신호는 제어기(40)로 전송될 수 있다.

제어기(40)는 상측 압력센서(41)에 의해 검출된 신호 및 하측 압력센서(42)에 의해 검출된 신호를 개별적으로 수신하고, 이에 대응하여 제어기(40)는 제1분사부(31)의 제1발생기(35)의 온/오프작동 및 제2분사부(32)의 제2발생기(36)의 온/오프작동을 제어하도록 구성될 수 있다.

상측 냉각채널(51)이 상형 다이(13) 내에 매립될 수 있고, 상측 냉각채널(51)은 상형 다이(13)의 저면과 인접할 수 있다. 상측 냉각채널(51)은 냉각수통로(51a)를 통해 냉각수 순환기(50)에 연결될 수 있고, 냉각수 순환기(50)에 의해 생성된 상온 이하의 냉각수가 상측 냉각채널(51)을 통과함에 따라 상형 다이(13)를 냉각할 수 있고, 이를 통해 상형 다이(13)의 온도가 상승함을 방지할 수 있다.

하측 냉각채널(52)이 하형 펀치(14) 내에 매립될 수 있고, 하측 냉각채널(52)은 하형 펀치(14)의 상면과 인접할 수 있다. 하측 냉각채널(52)은 냉각수통로(52a)를 통해 냉각수 순환기(50)에 연결될 수 있고, 냉각수 순환기(50)에 의해 생성된 상온 이하의 냉각수가 하측 냉각채널(52)을 통과함에 따라 하형 펀치(14)를 냉각할 수 있고, 이를 통해 하형 펀치(14)의 온도가 상승함을 방지할 수 있다. 냉각수 순환기(50)는 상온 이하의 냉각수를 발생시켜 냉각수를 상측 냉각채널(51) 및 하측 냉각채널(52)로 순환시키도록 구성될 수 있다.

도 6은 제1유체에 해당하는 고온 에어의 분사 및 제2유체에 해당하는 저온 에어의 분사에 의해 시험편의 항복강도 변화를 테스트하기 위한 시험장치를 도시한다.

도 6을 참조하면, 시험편(101)은 인장강도 340MPa급 소부경화(Bake Hardening)형 강판이고, 시험편(101)의 두께는 0.7mm이며, 시험편(101)의 양단을 한 쌍의 지그(102)에 의해 고정한다. 시험편(101)의 양단이 한 쌍의 지그(102)에 의해 고정된 상태에서 시험편(101)의 중앙부는 금형(103)과 접촉하여 마찰이 발생하는 상태를 만들고, 시험편(101)의 가장자리는 마찰이 없는 상태를 만든다.

제2분사부(32)가 시험편(101)의 중앙부에 0~100℃의 저온 에어를 분사하고, 제1분사부(31)가 시험편(101)의 가장자리에 300~400℃의 고온 에어를 분사함으로써 도 7과 같이 시험편의 온도가 대폭 상승한다. 그 후에, 시험편(101)의 양단을 상호 대향하는 방향으로 인장한다. 그 결과, 도 8과 같이 시험편(101)의 항복강도가 60MPa 증가하는 결과를 얻었다.

일반적으로 상온 상태에서 동일한 시험편을 상호 대향하는 방향으로 인장을 할 경우 도 9(a)와 같이, 시험편(101)의 중앙부는 상대적으로 마찰계수가 증가하여 변형이 적게 발생하고, 시험편(101)의 가장자리는 상대적으로 마찰계수가 없으므로 변형이 집중적으로 발생하고, 이에 시험편(101)의 가장자리에서 크랙이 발생함에 따라 신율이 낮게 발생한다. 하지만, 시험편(101)의 중앙부에 0~100℃의 저온 에어를 분사함과 동시에 시험편(101)이 시험편(101)의 가장자리에 300~400℃의 고온 에어를 분사하면 도 9(b)와 같이, 시험편(101)의 가장자리는 소부경화(Bake Hardening)에 의해 그 항복강도가 약 60MPa가 증가하고, 이 결과로 변형에 대한 저항성이 증가하여 변형이 시험편(101)의 중앙부로 분산된다. 그 결과 도 9(b)와 같이 변형이 시험편 전체에 고르게 분산되어 약 10% 정도 신율이 증가하게 된다.

도 10 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 강판 성형장치(10)를 이용한 강판 성형방법을 구체적으로 설명한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상형 다이(13)가 상사점에 위치하고, 블랭크 홀더(18), 하형 펀치(14) 등이 원위치로 위치한다.

그 이후에, 도 11과 같이, 블랭크(21)가 상형 다이(13) 및 하형 펀치(14) 사이로 투입됨으로써 블랭크(21)는 블랭크 홀더(18)의 제2접촉면(18a)에 안착된다. 하측 압력센서(42)는 블랭크(21)가 블랭크 홀더(18)의 제2접촉면(18a)에 안착됨을 검출할 수 있고, 제1발생기(35) 및 제2발생기(36)가 작동하도록 제어기(40)는 제1발생기(35) 및 제2발생기(36)를 제어함으로써 제1분사부(31)는 제1 유체(예컨대, 300~400℃의 고온 에어)를 블랭크(21)의 변형 집중부(21a)에 분사함과 동시에, 제2분사부(32)는 제2유체(예컨대, 0~100℃의 저온에어)를 블랭크(21)의 변형 비집중부(21b)에 분사한다.

도 12와 같이, 제1유체의 분사 및 제2유체의 분사가 지속된 상태에서 상형 다이(13)가 하강함으로써 블랭크(21)의 가장자리가 상형 다이(13)의 제1접촉면(13a) 및 블랭크 홀더(18)의 제2접촉면(18a)에 의해 고정된다. 그리고, 냉각수가 상측 냉각채널(51) 및 하측 냉각채널(52)로 개별적으로 순환할 수 있고, 이에 상형 다이(13) 및 하형 펀치(14)가 냉각수에 의해 냉각됨으로써 블랭크(21)의 전체 온도가 제1유체의 고온으로 인해 상승함을 방지할 수 있고, 특히 블랭크(21)의 변형 비집중부(21b)의 항복강도가 소부경화효과에 의해 상승함을 방지할 수 있다.

도 13과 같이, 상형 다이(13)가 도 12에서 연속적으로 더 하강함에 따라, 블랭크 홀더(18)는 쿠션핀(19)에 의해 일정 압력으로 유지되고, 블랭크(21)는 하형 펀치(14)에 의해 서서히 성형되며, 제1분사부(31)에 의한 제1유체의 분사 및 제2분사부(32)에 의한 제2유체의 분사가 지속적으로 이루어진다. 블랭크(21)의 가장자리는 하형 펀치(14)와 아직 접촉하지 않으므로 하형 펀치(14)와의 접촉시간이 상대적으로 짧고 마찰계수가 상대적으로 작으며 변형이 상대적으로 많이 발생하는 변형 집중부(21a)가 된다. 블랭크(21)의 중앙부는 하형 펀치(14)와 먼저 접촉하므로 하형 펀치(14)와의 접촉시간이 상대적으로 길고 마찰계수가 상대적으로 크며 변형이 상대적으로 적게 발생하는 변형 비집중부(21b)가 된다. 제1유체가 복수의 제1노즐(33)에 의해 변형 집중부(21a)인 블랭크(21)의 가장자리를 향해 수직으로 분사됨으로써 블랭크(21)의 가장자리는 국부적으로 소부경화에 의해 항복강도가 약 60MPa 정도 증가할 수 있고, 이 결과로 변형에 대한 저항성이 증가하므로, 하형 펀치(14)와 먼저 접촉한 변형 비집중부(21b)인 블랭크(21)의 중앙부로 변형이 분산함으로써 블랭크(21)의 성형성이 약 10% 이상 향상된다.

도 14와 같이 상형 다이(13)가 하사점까지 완전히 하강함에 따라 블랭크(21)는 하형 펀치(14)에 의해 완전히 성형되고, 블랭크(21)의 성형 완료가 상측 압력센서(41)에 의해 검출되면 제1발생기(35)의 작동 및 제2발생기(36)의 작동이 정지되도록 제어기(40)는 제1발생기(35) 및 제2발생기(36)를 제어함으로써 제1유체의 분사 및 제2유체의 분사가 정지될 수 있다.

그 이후에, 도 15와 같이, 상형 다이(13) 및 블랭크 홀더(18)가 상승하고, 성형이 완료된 블랭크(21)는 상형 다이(13) 및 하형 펀치(14)로부터 분리된다.

도 16을 참조하면, 상형 다이(13)가 상사점(300mm)에 위치한 상태에서 블랭크(21)가 제2접촉면(18a)에 안착된 이후에 제1유체의 분사 및 제2유체의 분사가 2초동안 실행되고, 블랭크(21)의 홀딩이 완료된 이후에는 블랭크(21)는 상형 다이(13)의 지속적인 하강에 의해 4초동안에 성형된다. 그 이후에, 상형 다이(13)가 하사점(0mm)까지 하강함으로써 성형이 완료되고, 제1유체의 분사 및 제2유체의 분사가 종료된다. 블랭크(21)의 성형이 완료된 이후에, 상형 다이(13)는 상사점(300mm)까지 복귀한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 강판 성형장치 12: 슬라이더
13: 상형 다이 14: 하형 펀치
15: 볼스터 18: 블랭크 홀더
21: 블랭크 31: 제1분사부
32: 제2분사부 33: 제1노즐
34: 제2노즐 35: 제1발생기
36: 제2발생기 40: 제어기
41: 상측 압력센서 42: 하측 압력센서
50: 냉각수 순환기 51: 상측 냉각채널
52: 하측 냉각채널

Claims (19)

1. 상하 이동가능한 상형 다이;
   상기 상형 다이의 아래에 위치한 하형 펀치;
   상기 하형 펀치의 둘레에 배치되고, 블랭크를 지지하는 블랭크 홀더; 및
   제1유체를 상기 블랭크에 직접적으로 분사하는 제1분사부와, 제2유체를 상기 블랭크에 직접적으로 분사하는 제2분사부를 포함한 분사유닛;을 포함하는 강판 성형장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1유체는 상기 블랭크의 소부경화를 유도하기 위한 온도를 가진 유체인 강판 성형장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2유체는 상기 제1유체 보다 상대적으로 저온인 강판 성형장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2유체는 상기 블랭크의 소부경화를 방지하기 위한 온도를 가진 유체인 강판 성형장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1분사부는 제1유체를 상기 블랭크의 변형 집중부에 수직으로 분사하도록 구성되고, 상기 제2분사부는 제2유체를 상기 블랭크의 변형 비집중부에 수직으로 분사하도록 구성된 강판 성형장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1분사부는 상기 하형 펀치에 배치된 복수의 제1노즐 및 상기 복수의 제1노즐에 연결된 제1발생기를 포함하는 강판 성형장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2분사부는 상기 하형 펀치에 배치된 복수의 제2노즐 및 상기 복수의 제2노즐에 연결된 제2발생기를 포함하는 강판 성형장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 상형 다이의 저면에 배치된 상측 압력센서를 더 포함하고,
   상기 상측 압력센서는 상기 상형 다이가 하사점까지 완전히 하강하는 것을 검출하도록 구성된 강판 성형장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 블랭크 홀더의 상면에 배치된 하측 압력센서를 더 포함하고,
    상기 하측 압력센서는 상기 블랭크가 상기 블랭크 홀더의 홀딩면에 안착됨을 검출하도록 구성된 강판 성형장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 상형 다이 내에 매립된 상측 냉각채널; 및
    상기 하형 펀치 내에 매립된 하측 냉각채널;을 더 포함하고,
    냉각수가 상기 상측 냉각채널 및 상기 하측 냉각채널을 통해 순환하도록 구성된 강판 성형장치.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 상형 다이는 블랭크의 가장자리 상면과 접촉가능한 제1접촉면을 가지는 강판 성형장치.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 블랭크 홀더는 블랭크의 가장자리 저면과 접촉가능한 제2접촉면을 가지는 강판 성형장치.
14. 블랭크를 상형 다이 및 하형 펀치 사이에 투입하고,
    상기 하형 펀치와의 접촉시간이 상대적으로 긴 상기 블랭크의 부분에 제1유체를 직접적으로 분사하며,
    상기 하형 펀치와의 접촉시간이 상대적으로 짧은 상기 블랭크의 부분에 제2유체를 직접적으로 분사하고,
    상기 상형 다이의 하강에 의해 상기 블랭크를 성형하는 강판 성형방법.
    
15. 삭제
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1유체는 상기 블랭크의 소부경화를 유도하기 위한 온도를 가진 유체인 강판 성형방법.
    
17. 삭제
18. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2유체는 상기 제1유체 보다 상대적으로 저온인 강판 성형방법.
19. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2유체는 상기 블랭크의 소부경화를 방지하기 위한 온도를 가진 유체인 강판 성형방법.
    

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