KR102422416B1

KR102422416B1 - 열간성형 금형

Info

Publication number: KR102422416B1
Application number: KR1020210015938A
Authority: KR
Inventors: 임용희
Original assignee: (주)신화에스티
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-07-19

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열간성형 금형은, 열간 프레스 성형물을 형성하기 위한 성형면 및 상기 성형면과 대응되는 형상으로 상기 성형면의 반대측 면에 형성된 냉각면을 갖는 성형판; 상기 냉각면으로부터 격자 형상으로 연장 형성되어 상기 성형판의 냉각면 측에 복수 개의 코어홈을 형성하면서 상기 성형판을 지지하는 리브; 상기 리브를 관통하도록 형성되어, 복수 개의 상기 코어홈을 서로 연통시키는 연결유로; 및 상기 코어홈의 내부에 삽입되고, 그 표면에는 상기 연결유로에 연통되는 복수 개의 냉각홈이 음각 형성되며, 상기 코어홈의 내측면과 상기 냉각홈이 폐곡선 단면 형상의 냉각유로를 복수 개 형성하되, 복수 개의 상기 냉각유로는 위치에 따라 다른 단면적을 갖도록 형성되고, 상기 냉각유로가 상기 연결유로에 연통되도록 설치되는 코어;를 포함한다.

Description

열간성형 금형 {MOLD FOR HOT FORMING}

이 발명은 열간성형 금형에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 쉘(shell)타입 금형을 이용한 열간성형 금형에 관한 것이다.

일반적으로 핫 프레스 포밍(Hot Press Forming) 또는 핫스탬핑(Hot Stamping)으로 알려진 열간 가공 기술은, 가공 대상물을 가열한 상태로 프레스 가공하고, 동시에 금형을 냉각하여 가공 대상물의 마르텐사이트 변태를 유도하여 고강도 성형물을 얻기 위해 사용된다.

이를 위하여, 열간 가공 금형의 내부에 냉매가 유동하는 냉매유로를 성형하였는데, 종래에는 금형을 여러 조각으로 분할한 후 드릴을 이용하여 관통공을 성형한 후, 금형 조각을 다시 결합시켜 각각의 금형 조각에 형성된 관통공이 연결되어 하나의 유로를 형성하게 하는 건드릴(Gun drill) 또는 다이렉트 건드릴(Direct Gun drill) 타입의 가공방법을 사용하였다.

그러나 이러한 방식을 사용할 경우, 각각의 금형 조각의 성형면이 복잡한 형상으로 이루어져 있을 경우, 금형의 성형면과 드릴에 의해 가공된 유로간의 간격이 불균일해지는 문제가 발생하였다.

이렇게 성형면과 유로의 간격이 불균일해지면, 가공 대상물의 냉각 속도 및 냉각 온도가 달라지는 바, 가공 대상물의 마르텐사이트 변태가 제대로 이루어지지 않거나, 강도 편차가 발생하는 등의 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 금형 조각을 보다 작게 분할하여 성형면과 유로 사이의 간격을 최대한 균일하게 가공해야 하지만, 이 경우 가공 공수가 증가하여 금형 조각의 제조 및 결합 공정에 많은 시간이 소요되고, 금형 조각들의 결합면에서 냉매가 유출되는 등의 문제가 발생할 가능성이 높아지게 된다.

따라서, 열간 가공을 위한 금형을 제공함에 있어서, 성형면이 복잡한 형상으로 형성되더라도 균일한 냉각 효과를 나타낼 수 있고, 저렴하고 간편하게 제조할 수 있는 열간 성형 금형이 요구되고 있는 실정이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-1876988 B1 (2018.07.04)

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 핫스탬핑용 열간 가공 금형의 냉각 성능을 균일화하고, 제조 과정을 단순화하여 제작 및 설치가 간편한 열간 성형 금형을 제공하는 것이다.

상기 냉각홈은 양단부 중 적어도 어느 하나 이상이 상기 리브에 형성된 연결유로에 연통되도록 형성되고, 복수 개의 상기 코어홈 중 어느 하나에는 상기 냉각홈에 연통되어 냉매를 공급하는 공급유로 및 상기 냉각홈이 형성된 유입코어가 삽입되고, 복수 개의 상기 코어홈 중 또 다른 어느 하나에는 상기 냉각홈에 연통되어 냉매를 배출하는 배출유로 및 상기 냉각홈이 형성된 배출코어가 삽입될 수 있다.

복수 개의 상기 코어홈 중에서, 상기 유입코어가 삽입되는 코어홈과 상기 배출코어가 삽입되는 코어홈을 제외한 나머지 코어홈에는, 냉각홈이 형성된 중계코어가 삽입될 수 있다.

상기 리브에 형성된 상기 연결유로의 수는, 상기 코어에 형성된 냉각홈의 수보다 적게 형성되고, 복수 개의 상기 냉각홈의 양단부는 매니폴드 구조로 형성되어 상기 연결유로에 연결될 수 있다.

상기 코어의 표면 중 상기 냉각홈이 형성되지 않은 부분은 상기 성형판의 냉각면과 접하도록 설치되며, 상기 냉각홈은 복수 종류의 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 냉각홈은 유체의 진행 방향을 따라 단면적이 변화하도록 형성될 수 있다.

상기 성형판은, 평면, 곡면 및 절곡면을 포함하는 판재 형상으로 형성되고, 가장 얇은 부분의 두께가 가장 두꺼운 부분의 두께의 80% 이상의 두께를 갖는 형상으로 형성될 수 있다.

상기 냉각홈의 단면적은, 상기 성형판의 두께가 비교적 두꺼운 부분에 형성될 때 비교적 작은 단면적을 갖도록 형성되고, 상기 성형판의 두께가 비교적 얇은 부분에 형성될 때 비교적 큰 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 연결유로와 상기 성형면과의 간격은, 상기 성형판의 가장 두꺼운 부분의 두께 이하일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 쉘타입 금형의 리브부를 추가적으로 냉각시킬 수 있어서 대면적 금형의 냉각 편차를 감소시킬 수 있고, 이로 인해 가공 대상물의 강도를 균일하게 강화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 쉘을 중공형으로 형성하여 필요 재료를 절감할 수 있고, 코어의 형상을 자유롭게 조절하여 냉각채널의 단면적을 부위에 따라 조정함으로써 부위에 따른 냉각속도를 조절할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간성형 금형의 전체 모습을 나타낸 조립 사시도이다.
도 2는 열간성형 금형의 코어의 평면도 및 정면 단면도이다.
도 3은 열간성형 금형의 측단면도이다.
도 4는 열간성형 금형의 평면 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 열간성형 금형에 대하여 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 이하에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 이하의 설명은 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명에 따라 제공되는 열간성형 금형은, 복수 개의 코어홈(113)을 갖는 쉘타입 금형으로서, 양측면에 성형면(111) 및 냉각면(112)이 형성된 복잡 형상의 판재 형태로 제공되는 성형판(110)과, 이러한 성형판(110)의 냉각면(112)으로부터 격자 형상으로 연장 형성되어 상기 코어홈(113)을 형성하는 리브(120)와, 리브(120)를 관통하도록 형성되어, 복수 개의 코어홈(113)을 서로 연통시키는 연결유로(P2) 및 코어홈(113)의 내부에 삽입되고, 그 표면에는 연결유로(P2)에 연통되는 복수 개의 냉각홈(131)이 음각 형성되며, 코어홈(113)의 내측면과 냉각홈(131)이 폐곡선 단면 형상의 냉각유로(P1)를 복수 개 형성하되, 복수 개의 냉각유로(P1)는 위치에 따라 다른 단면적을 갖도록 형성되고, 냉각유로(P1)가 연결유로(P2)에 연통되도록 설치되는 코어(130)를 포함하여 구성된다.

이때, 성형판(110) 및 리브(120)는 열간 공구강 또는 금형강 재질로 일체로 형성되고, 코어(130)는 엔지니어링 플라스틱 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이를 통해, 고가의 열간 공구/금형강의 소모량을 최소화하여 금형의 제조 비용을 절감할 수 있고, 중공부에 엔지니어링 플라스틱 재질의 코어(130)를 설치함으로써 금형의 전체 중량을 감소시켜 설치 과정을 용이하게 할 수 있으며, 가공이 어려운 금형강 재질의 성형판(110) 대신 가공이 용이한 코어(130)의 형상을 조절하여 후술할 냉각유로(P1)의 형상을 용이하게 조절할 수 있다.

코어(130)는 코어홈(113)의 형상에 대응되는 형상으로 형성되어 코어홈(113)에 맞물리도록 구성되는데, 코어(130)의 표면 중 적어도 일부분은 코어홈(113)의 내측면으로부터 소정 거리 이격되도록 마련됨으로써, 코어(130)와 코어홈(113)의 사이 간격에 냉매가 유동하는 냉각유로(P1)가 형성된다. 이러한 냉각유로(P1)를 통해 유동하는 냉매가 성형판(110)의 냉각면(112)을 냉각시킴으로써, 성형면(111)의 소정 형상에 의해 변형된 대상물을 간접적으로 냉각시켜 강화하는 핫 프레스 포밍 공정을 수행할 수 있게 된다.

구체적으로, 냉각유로(P1)는 코어(130)에 음각 형성된 복수 개의 냉각홈(131)과 성형판(110)의 냉각면(112)에 의해 형성되는 폐곡선 단면 형상을 갖도록 형성되는 바, 냉각면(112)의 표면 형상과, 냉각홈(131)의 단면적, 형상, 개수 밀도 등에 따라 냉각유로(P1)의 형상이 결정된다.

냉각홈(131)의 형상을 더 구체적으로 살펴보면, 코어(130)의 상측 표면에 직선, 곡선, 기타 복합적인 형상의 선형 구조로 음각 형성되며, 선형 구조의 양단 중 적어도 어느 하나는 리브(120)에 형성된 연결유로(P2)와 연통되도록 마련된다.

이때, 성형면(111)의 형상에 따라 가공 대상물의 부위별 냉각 편차가 필연적으로 발생하게 되는 바, 냉각 속도를 균일하게 조정하기 위해서는 냉각이 많이 되는 부위의 냉각속도를 감소시키고, 냉각이 적게 되는 부위의 냉각속도를 증가시키는 등의 조정을 통해 전체 냉각량을 균일화할 수 있게 된다.

이를 위해서, 코어(130)의 표면 중 냉각홈(131)이 형성되지 않은 부분은 성형판(110)의 냉각면(112)과 접하도록 설치되며, 냉각홈(131)은 복수 종류의 단면적을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 냉각이 많이 필요한 부분은 냉각유로(P1)의 단면적을 줄이고 개수 밀도를 증가시킴으로써, 냉매의 유동 속도를 증가시켜 냉각 효율을 증가시킬 수 있다.

반면, 냉각이 적게 필요한 부분은 냉각유로(P1)의 단면적을 늘리고 개수 밀도를 감소시킴으로써, 냉매의 유동 속도를 감소시켜 냉각 효율을 낮추도록 할 수 있다.

추가적으로, 냉각홈(131)은 유체의 진행 방향을 따라 단면적이 변화하도록 형성될 수도 있다. 즉, 하나의 냉각유로(P1) 상에서도 길이 방향으로 그 단면적을 가변시킴으로써, 냉각유로(P1)를 유동하는 냉매의 유동 속도를 즉각적으로 변화시킬 수 있고, 이를 통해 냉각 속도를 조절할 수 있는 것이다.

코어(130)는 크게 유입코어(130A), 배출코어(130B) 및 중계코어(130C)로 구성될 수 있는 바, 유입코어(130A)는 냉각유로(P1)의 일단부가 냉매를 공급하는 공급유로(P3)에 연통되고 타단부가 리브(120)의 연결유로(P2)에 연통되며, 배출코어(130B)는 냉각유로(P1)의 일단부가 연결유로(P2)에 연통되고 타단부가 냉매를 배출하는 배출유로(P4)에 연통되며, 중계코어는 냉각홈(131)의 양단부가 각각 서로 다른 리브(120)에 형성된 연결유로(P2)에 연통되도록 구성된다.

공급유로(P3) 및 배출유로(P4)는 리브(120)의 벽면과 코어(130)의 측면 사이에 형성되고, 각각의 상단부는 냉각유로(P1)에 연결되어 냉매를 공급하거나 배출하는 경로를 이루게 된다.

이때, 코어홈(113)의 개수가 3개 이상이면 상술한 유입코어(130A), 배출코어(130B) 및 중계코어(130C)를 모두 사용하지만, 코어홈(113)의 개수가 2개일 경우에는 중계코어(130C) 없이 유입코어(130A) 및 배출코어(130B)만을 사용할 수도 있다.

코어홈(113)의 개수가 4개 이상일 경우 중계코어(130C)를 둘 이상 사용하여 유입코어(130A)와 배출코어(130B) 사이를 매개함으로써, 유입코어(130A)를 통해 공급된 냉매가 복수 개의 중계코어(130C)를 거쳐 배출코어(130B)를 통해 배출되는 것이다.

금형의 구조에 따라, 유입코어(130A)와 배출코어(130B)를 하나가 아닌 복수 개 사용할 수도 있으며, 이 경우 각각의 유입코어(130A)와 배출코어(130B) 사이를 연결하는 냉매 유동 경로가 복수 개 형성될 수 있다.

한편, 리브(120)에는 두께 방향으로 관통되는 구멍인 연결공(121)이 형성되고, 이러한 연결공(121)의 양단은 리브(120)의 양면에 각각 삽입되는 코어(130)의 냉각홈(131)과 연통되어 연결유로(P2)를 형성하게 된다.

리브(120)에 형성되는 연결유로(P2)의 수는, 이 연결유로(P2)와 연통되는 냉각유로(P1)의 수보다 적게 형성되고, 복수 개의 냉각유로(P1)의 단부는 매니폴드 구조로 형성되어 연결유로(P2)에 연결되는 것이 바람직하다.

이는 성형판(110) 및 리브(120)가 일체로 주조되어 제조될 경우, 리브(120)에 연결유로(P2)를 형성하기 위해 별도의 주조 코어를 장착할 필요가 있는 바, 연결유로(P2)의 수가 늘어날수록 이러한 주조 코어의 설치 공수가 증가하여, 제조시간이 증가하는 등의 문제가 있기 때문이다.

즉, 연결유로(P2)는 리브(120)를 냉각시킬 수 있는 필요 최소한의 수만을 형성시키고, 냉각유로(P1)는 금형 성형면(111)의 세부적인 형상에 따라 개수, 형상, 단면적을 조절하여, 최적화된 금형 냉각 구조를 형성하는 것이다.

성형판(110)의 형상은 최종적인 제품의 형상에 따라 결정되는 바, 평면, 곡면 및 절곡면을 포함하는 판재 형상으로 형성되고, 가장 얇은 부분의 두께가 가장 두꺼운 부분의 두께의 80% 이상의 두께를 갖는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

이렇게 판재의 두께 편차를 일정 이하로 억제함으로써, 냉각 속도의 편차를 최소화시켜 결과적으로 핫스탬핑 가공 이후 제품의 부분별 물성 편차 발생을 억제할 수 있다.

특히, 성형판(110)의 두께가 두꺼운 부위일수록 냉각홈(131)의 단면적을 작게 하고 냉각홈(131)의 개수 밀도를 증가시켜 냉각 속도를 상승시키고, 성형판의 두께가 얇은 부위일수록 냉각홈(131)의 단면적을 크게 하고 냉각홈(131)의 개수 밀도를 감소시켜 냉각 속도를 감소시키는 방식으로 적용할 수 있을 것이다.

또한, 연결유로(P2)와 성형면(111)과의 간격은, 성형판(110)의 가장 두꺼운 부분의 두께 이하가 되도록 형성시켜, 연결유로(P2)에 의한 리브(120)의 냉각 효율을 제고하여 리브(120) 부위의 물성 편차 발생을 억제할 수 있다.

한편, 금형(100) 및 코어(130)는 별도의 베이스 플레이트(200)에 고정 설치되는데, 예를 들어 볼팅 방식으로 코어(130)를 먼저 베이스 플레이트(200)에 결합시킨 후, 금형(100)을 코어(130)에 덮어 씌운 후에 금형(100)을 베이스 플레이트(200)에 볼팅 방식으로 결합할 수 있다.

베이스 플레이트(200)에는 적어도 하나의 냉매유입구(210) 및 적어도 하나의 냉매배출구(220)가 형성되고, 냉매유입구(210)는 유입코어(130A)의 공급유로(P3)에 연통되며, 냉매배출구(220)는 배출코어(130B)의 배출유로(P4)에 연통되어 냉매 순화 구조에 연결된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 금형 110: 성형판
111: 성형면 112: 냉각면
113: 코어홈 120: 리브
121: 연결공 130: 코어
130A: 유입코어 130B: 배출코어
130C: 중계코어 131: 냉각홈
200: 베이스 플레이트 210: 냉매유입구
220: 냉매배출구 P1: 냉각유로
P2: 연결유로 P3: 공급유로
P4: 배출유로

Claims

열간 프레스 성형물을 형성하기 위한 성형면 및 상기 성형면과 대응되는 형상으로 상기 성형면의 반대측 면에 형성된 냉각면을 갖는 성형판;
상기 냉각면으로부터 격자 형상으로 연장 형성되어 상기 성형판의 냉각면 측에 복수 개의 코어홈을 형성하면서 상기 성형판을 지지하는 리브;
상기 리브를 관통하도록 형성되어, 복수 개의 상기 코어홈을 서로 연통시키는 연결유로; 및
상기 코어홈의 내부에 삽입되고, 그 표면에는 상기 연결유로에 연통되는 복수 개의 냉각홈이 음각 형성되며, 상기 코어홈의 내측면과 상기 냉각홈이 폐곡선 단면 형상의 냉각유로를 복수 개 형성하되, 복수 개의 상기 냉각유로는 위치에 따라 다른 단면적을 갖도록 형성되고, 상기 냉각유로가 상기 연결유로에 연통되도록 설치되는 코어;를 포함하는, 열간성형 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각홈은 양단부 중 적어도 어느 하나 이상이 상기 리브에 형성된 연결유로에 연통되도록 형성되고,
복수 개의 상기 코어홈 중 어느 하나에는 상기 냉각홈에 연통되어 냉매를 공급하는 공급유로 및 상기 냉각홈이 형성된 유입코어가 삽입되고,
복수 개의 상기 코어홈 중 또 다른 어느 하나에는 상기 냉각홈에 연통되어 냉매를 배출하는 배출유로 및 상기 냉각홈이 형성된 배출코어가 삽입되는 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.
청구항 2에 있어서,
복수 개의 상기 코어홈 중에서, 상기 유입코어가 삽입되는 코어홈과 상기 배출코어가 삽입되는 코어홈을 제외한 나머지 코어홈에는, 냉각홈이 형성된 중계코어가 삽입되는 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.
청구항 2에 있어서,
상기 리브에 형성된 상기 연결유로의 수는, 상기 코어에 형성된 냉각홈의 수보다 적게 형성되고,
복수 개의 상기 냉각홈의 양단부는 매니폴드 구조로 형성되어 상기 연결유로에 연결되는 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.
청구항 2에 있어서,
상기 코어의 표면 중 상기 냉각홈이 형성되지 않은 부분은 상기 성형판의 냉각면과 접하도록 설치되며, 상기 냉각홈은 복수 종류의 단면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.
청구항 5에 있어서,
상기 냉각홈은 유체의 진행 방향을 따라 단면적이 변화하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.
청구항 6에 있어서,
상기 성형판은, 평면, 곡면 및 절곡면을 포함하는 판재 형상으로 형성되고, 가장 얇은 부분의 두께가 가장 두꺼운 부분의 두께의 80% 이상의 두께를 갖는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.
청구항 7에 있어서,
상기 냉각홈의 단면적은, 상기 성형판의 두께가 비교적 두꺼운 부분에 형성될 때 비교적 작은 단면적을 갖도록 형성되고, 상기 성형판의 두께가 비교적 얇은 부분에 형성될 때 비교적 큰 단면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.
청구항 7에 있어서,
상기 연결유로와 상기 성형면과의 간격은, 상기 성형판의 가장 두꺼운 부분의 두께 이하인 것을 특징으로 하는, 열간성형 금형.