KR102469662B1 - 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치 및 이를 이용한 성형방법 - Google Patents

내부 온도 균일화 챔버형 성형장치 및 이를 이용한 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치는, 적어도 일측면에 개방 가능한 도어가 설치된 챔버; 상기 챔버의 벽면 상측, 중앙측, 하측에 각각 설치되어 개별적으로 출력이 제어되는 벽부히터; 상기 챔버의 벽면 상측, 중앙측, 하측의 온도를 각각 측정하는 벽부센서; 상기 챔버의 내부에 수용되어 상기 벽부히터에 의해 가열된 판재 형상의 가공물을 원하는 형상으로 가공하는 금형; 및 상기 벽부센서에서 측정된 온도를 기반으로 각각의 상기 벽부히터의 출력을 개별적으로 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

내부 온도 균일화 챔버형 성형장치 및 이를 이용한 성형방법 {INTERNAL TEMPERATURE EQUALIZATION CHAMBER TYPE MOLDING APPARATUS AND MOLDING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 판재 형상의 가공물을 열간성형하기 위한 챔버형 성형장치 및 이를 이용한 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버 내부온도를 균일화하여 성형시 물성을 향상시킬 수 있는 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치 및 이를 이용한 성형방법에 관한 것이다.
열간성형은 금속 판재 형상의 가공물을 고온으로 가열하고, 가열된 가공물을 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 것을 말한다.
이때, 열간성형의 방법으로는 예를 들어 금형의 직접 압력에 의한 성형과 냉각을 통한 강화를 동시에 수행할 수 있는 핫스탬핑(Hot Stamping) 또는 핫프레스 포밍(Hot Press Forming) 방법이 있고, 다른 방법으로는 고압가스에 의한 압력을 통해 가공물을 금형면에 가압하는 초소성 성형(Superplastic Forming) 또는 블로우 포밍(Blow Forming) 등의 방법을 사용할 수 있다.
열간성형을 수행함에 있어, 가공물 및 금형을 적절한 성형온도로 가열하고, 가열 온도를 균일하게 제어하는 것이 중요하다. 이는 가공물의 가열 온도가 부위에 따라 상이할 경우, 비교적 가열이 덜 된 부분은 미성형 등의 문제가 발생할 수 있고, 가열이 지나치게 많이 된 부분은 두께가 너무 얇아지거나 찢어지는 등의 불량이 발생할 수 있기 때문이다.
이에, 열간성형시 전체 온도를 균일하게 제어하기 위하여 챔버형 가열장치가 개발되었다. 이러한 챔버형 가열장치는 챔버 내부에 금형과 가공물을 투입한 후, 챔버를 밀폐하고 그 내부를 가열하여 챔버 내부의 온도를 일정하게 가열하게 된다.
그러나 종래의 챔버형 가열장치는 통상적으로 히터 전체를 On/Off 제어하거나, 히터 전체의 출력을 증감시키는 등의 제어는 가능하였지만, 히터를 부분적으로 제어할 수 없었기 때문에, 챔버 내부공간의 온도가 부위에 따라 달라질 경우 이를 보정하는 것이 불가능하였다.
따라서, 챔버형 가열장치에 적용할 수 있고, 챔버 내부의 온도 불균일을 보정할 수 있는 새로운 챔버형 가열장치와, 이를 이용한 성형방법이 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 10-1735680 B1 (2017.05.08)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 챔버형 가열장치의 내부 온도를 위치에 상관없이 균일하게 가열하여, 가공 대상물인 금속 가공물의 성형시 물성을 균일하게 확보하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치는, 적어도 일측면에 개방 가능한 도어가 설치된 챔버; 상기 챔버의 벽면 상측, 중앙측, 하측에 각각 설치되어 개별적으로 출력이 제어되는 벽부히터; 상기 챔버의 벽면 상측, 중앙측, 하측의 온도를 각각 측정하는 벽부센서; 상기 챔버의 내부에 수용되어 상기 벽부히터에 의해 가열된 판재 형상의 가공물을 원하는 형상으로 가공하는 금형; 및 상기 벽부센서에서 측정된 온도를 기반으로 각각의 상기 벽부히터의 출력을 개별적으로 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 벽부히터는, 상기 챔버의 벽면 상측에 설치된 상부히터와, 상기 챔버의 벽면 중앙측에 설치된 중부히터와, 상기 챔버의 벽면 하측에 설치된 하부히터를 포함하고, 상기 벽부센서는, 상기 챔버의 벽부 상측 영역의 온도를 측정하는 상부센서와, 상기 챔버의 벽부 중앙측 영역의 온도를 측정하는 중부센서와, 상기 챔버의 벽부 하측 영역의 온도를 측정하는 하부센서를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 상부센서, 상기 중부센서 및 상기 하부센서에서 측정된 온도를 기반으로 상기 상부히터, 상기 중부히터 및 상기 하부히터의 출력을 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 하기 식 1, 식 2 및 식 3에 따라 상기 상부히터, 상기 중부히터 및 상기 하부히터의 출력을 제어하되, 식 4를 만족할 수 있다.
식 1: H1 = a(Tm-T1)
식 2: H2 = b(Tm-T2)
식 3: H3 = c(Tm-T3)
식 4: [H1/(Tm-T1)] ≤ [H2/(Tm-T2)] ≤ [H3/(Tm-T3)]
단, H1은 상부히터의 출력, H2는 중부히터의 출력, H3는 하부히터의 출력, Tm은 목표온도, T1은 상부센서의 측정온도, T2는 중부센서의 측정온도, T3는 하부센서의 측정온도, a, b, c는 각각 변환상수이다.
상기 챔버의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나 이상에 설치되는 중앙센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 벽부센서에서 측정된 온도와 상기 중앙센서에서 측정된 온도의 편차를 이용하여 상기 벽부히터의 출력을 추가로 보정할 수 있다.
상기 중앙센서는, 상기 챔버의 상면의 중앙부에 설치된 상부 중앙센서와, 상기 챔버의 하면의 중앙부에 설치된 하부 중앙센서를 포함하고, 상기 상부 중앙센서는 상기 챔버의 상면 중앙에 설치되는 제1 상부 중앙센서와, 상기 제1 상부 중앙센서를 중심으로 방사상으로 설치된 복수개의 제2 상부 중앙센서를 포함하며, 상기 하부 중앙센서는 상기 챔버의 하면 중앙에 설치되는 제1 하부 중앙센서와, 상기 제1 하부 중앙센서를 중심으로 방사상으로 설치된 복수개의 제2 하부 중앙센서를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 상부 중앙센서와 복수개의 상기 제2 상부 중앙센서에서 각각 측정된 온도의 평균을 상기 상부센서에서 측정된 온도와 비교하여 상기 상부히터의 출력을 보정하고, 상기 제1 하부 중앙센서와 복수개의 상기 제2 하부 중앙센서에서 각각 측정된 온도의 평균을 상기 하부센서에서 측정된 온도와 비교하여 상기 하부히터의 출력을 보정할 수 있다.
한편, 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치를 이용한 성형방법은, 적어도 일측면에 개방 가능한 도어가 설치되고, 벽면의 상측, 중앙측, 하측에 각각 출력이 개별적으로 제어되는 벽부히터가 설치되며, 그 내부의 온도와 목표 온도의 차이에 따라 상기 벽부히터의 온도가 제어되는 챔버를 마련하는 준비단계; 상기 챔버의 내부에서 금형 및 가공물을 가열하는 가열단계; 상기 금형을 프레스하여 가공물을 가공하는 성형단계; 상기 금형 중 적어도 일부분을 가공된 상기 가공물과 함께 상기 챔버 바깥으로 이동시키는 배출단계;를 포함한다.
상기 벽부히터는, 상기 챔버의 벽면 상측에 설치된 상부히터와, 상기 챔버의 벽면 중앙측에 설치된 중부히터와, 상기 챔버의 벽면 하측에 설치된 하부히터를 포함하고, 상기 가열단계는, 상기 상부히터의 출력, 상기 중부히터의 출력, 상기 하부히터의 출력이 하기 식 5를 만족할 수 있다.
식 5: H1 ≤ H2 ≤ H3
단, H1은 상부히터의 출력, H2는 중부히터의 출력, H3는 하부히터의 출력이다.
상기 금형은, 상기 챔버 내부에 승강 가능하게 설치된 상부금형 및 상기 챔버의 도어를 통해 입출되면서 가공물을 지지하는 하부금형을 포함하고, 상기 가열단계는, 상기 상부금형과 상기 하부금형이 서로 이격된 상태로 수행되며, 상기 성형단계는, 상기 상부금형이 하강하면서 상기 상부히터의 작동을 멈추거나 출력을 최소화하고, 상기 중부히터 및 상기 하부히터는 계속해서 작동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 챔버의 위치에 따른 온도 편차를 최소화할 수 있고, 이에 따라 성형된 가공물의 부위별 물성 편차를 억제하여 품질을 향상시킬 수 있으며, 가열이 불필요한 부분의 히터를 선택적으로 Off 하여 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치의 도어가 개방된 상태의 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치의 도어가 폐쇄된 상태의 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치의 성형 모습이 나타난 도면이고,
도 4는 금형이 개방된 챔버 내부를 나타낸 부분 절개 사시도이고,
도 5는 금형이 폐쇄된 챔버 내부를 나타낸 부분 절개 사시도이고,
도 6은 제어부를 포함한 본 발명의 구성도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치의 도어가 개방된 상태의 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치의 도어가 폐쇄된 상태의 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치의 성형 모습이 나타난 도면이고, 도 4는 금형이 개방된 챔버 내부를 나타낸 부분 절개 사시도이고, 도 5는 금형이 폐쇄된 챔버 내부를 나타낸 부분 절개 사시도이고, 도 6은 제어부를 포함한 본 발명의 구성도이다.
본 발명에 따른 성형장치는 주로 초소성 성형(Superplastic Forming 또는 Blow Forming)이나 핫스탬핑(Hot Stamping 또는 Hot Press Forming) 등의 성형방법을 통해 판재 형상의 가공물을 가공하기 위해 사용되는 것으로서, 가공을 위해 고온 가열이 필요하다. 예를 들어, 타이타늄(Titanium) 합금 재질의 가공물을 초소성 성형하기 위해서는 약 900℃의 온도가 요구된다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치는 적어도 일측면에 개방 가능한 도어(110)가 설치된 챔버(100), 챔버(100)의 벽면 상측, 중앙측, 하측에 각각 설치되어 개별적으로 출력이 제어되는 벽부히터(200), 챔버(100)의 벽면 상측, 중앙측, 하측의 온도를 각각 측정하는 벽부센서(300), 챔버(100)의 내부에 수용되어 벽부히터(200)에 의해 가열된 가공물(600)을 원하는 형상으로 가공하는 금형(400) 및 벽부센서(300)에서 측정된 온도를 기반으로 각각의 벽부히터(200)의 출력을 개별적으로 제어하는 제어부(700)를 포함한다.도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치는, 적어도 일측면에 개방 가능한 도어(110)가 설치된 챔버(100), 챔버(100)의 벽면 상측, 중앙측, 하측에 각각 설치되어 개별적으로 출력이 제어되는 벽부히터(200), 챔버(100)의 벽면 상측, 중앙측, 하측의 온도를 각각 측정하는 벽부센서(300), 챔버(100)의 내부에 수용되어 벽부히터(200)에 의해 가열된 가공물(600)을 원하는 형상으로 가공하는 금형(400) 및 벽부센서(300)에서 측정된 온도를 기반으로 각각의 벽부히터(200)의 출력을 개별적으로 제어하는 제어부(700)를 포함한다.
종래의 핫스탬핑 가공장치의 경우, 가공물을 가열하는 가열로와 성형이 이루어지는 금형 간이 이격되어 가열된 가공물이 외기에 노출되기 때문에, 그 사이에 냉각이 이루어져 미성형 문제가 발생하거나, 가공물의 부위별 가열 온도가 상이하여 강도 편차가 발생하는 등의 문제가 흔히 발생하였다.
따라서 본 발명에서는, 챔버(100)를 이용하여 금형(400) 및 가공물(600)이 외기에 노출되지 않도록 밀폐하여 고온을 유지하면서, 내부 온도를 균일하게 가열하고자 마련된 것이다. 특히, 초소성 성형을 위해서는 상부금형(410)에 별도의 가스주입구(미도시)를 구비하여 가스의 압력을 통해 가공물(600)을 성형하도록 마련될 수 있다.
다시, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 챔버(100) 형식의 가열장치를 사용하더라도, 종래에는 챔버(100)의 내부 공간의 위치별 온도 편차가 발생하는 것을 방지하기에는 어려움이 있었다. 특히, 챔버(100) 내부의 기체가 대류(對流) 현상에 의해 고온 기체는 상승하고 저온 기체는 하강하여 높이에 따른 온도 편차가 발생하게 된다.
이를 해결할 수 있도록, 본 발명에서는 챔버(100)의 사방 벽면에 각각 벽부히터(200) 및 벽부센서(300)를 설치하여 챔버(100) 내부를 균일하게 가열하고자 하였다.
즉, 벽부히터(200)를 높이에 따라 상부히터(210), 중부히터(220) 및 하부히터(230)로 구분 설치하고, 각각의 히터가 설치된 위치의 챔버(100) 내부 온도를 측정하기 위한 상부센서(310), 중부센서(320) 및 하부센서(330)로 구성된 벽부센서(300)를 설치하여 각각의 벽부히터(200)의 가열 온도를 피드백 제어하는 것이다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 챔버의 내부공간을 상부히터(210)가 설치된 위치 및 그 상측 영역인 상부영역과, 하부히터(230)가 설치된 위치 및 그 하측 영역인 하부영역과, 상부영역 및 하부영역의 사이 영역인 중부영역으로 구분하여 지칭하도록 한다.
상부센서(310)는 상부영역의 온도를 측정하고, 중부센서(320)는 중부영역의 온도를 측정하며, 하부센서(330)는 하부영역의 온도를 측정하여 제어부(700)로 각각 전송하면, 제어부(700)는 측정된 온도와 성형을 위한 목표 온도와의 편차를 계산하고, 계산값에 따라 상부히터(210), 중부히터(220), 하부히터(230)의 ON/OFF 및 출력을 제어하게 된다.
구체적으로, 제어부(700)는 후술할 식 1 내지 3에 따라 상부히터(210), 중부히터(220) 및 하부히터(230)의 출력을 제어하게 되는데, 이때 식 4를 만족하도록 제어하게 된다.
식 1: H1 = a(Tm-T1)
식 2: H2 = b(Tm-T2)
식 3: H3 = c(Tm-T3)
식 4: [H1/(Tm-T1)] ≤ [H2/(Tm-T2)] ≤ [H3/(Tm-T3)]
단, H1은 상부히터(210)의 출력, H2는 중부히터(220)의 출력, H3는 하부히터(230)의 출력, Tm은 목표온도, T1은 상부센서(310)의 측정온도, T2는 중부센서(320)의 측정온도, T3는 하부센서(330)의 측정온도, a, b, c는 각각 변환상수이다.
변환상수인 a, b, c는 측정온도의 절대치와, 목표온도와 측정온도 사이의 차이에 따라 소정의 값을 반환하는 일종의 테이블에 따라 결정된다.
변환상수 a, b, c는 주어진 조건에 따라 동일한 값을 반환하도록 마련될 수도 있지만, 바람직하게는 식 4를 만족하도록 서로 다른 값을 반환하도록 제어하는 것이 좋다.
즉, 목표 온도인 Tm과 상부영역의 온도 T1, 중부영역의 온도 T2, 하부영역의 온도 T3의 차이가 모두 동일하더라도, 상부히터(210)의 출력보다 중부히터(220)의 출력이 더 높거나 같도록 제어되고, 중부히터(220)의 출력보다 하부히터(230)의 출력이 더 높거나 같도록 제어되는 것이다.
이렇게 챔버(100)의 아래쪽에 위치할수록 더 높은 출력으로 제어하는 것은, 앞서 설명한 바와 같이 대류에 의해 챔버(100)의 상부영역에는 대류 현상에 의해 고온의 기체가 상승하여 더 높은 온도를 나타내고, 챔버(100)의 하부영역에는 저온의 기체가 하강하여 더 낮은 온도를 나타내기 때문이다.
다시 말해, 상,중,하부영역에서 모두 동일한 온도가 측정될 때 상부히터(210), 중부히터(220) 및 하부히터(230)를 모두 동일한 출력으로 제어하여 가열할 경우, 상부영역은 더 높은 온도로 가열되고, 중부 및 하부영역은 이보다 낮은 온도로 가열되는 결과를 나타내게 되는 것이다.
따라서, 목표 온도(Tm)와의 차이가 같다면, 상부영역을 가열하는 상부히터(210)의 출력을 가장 약하게 제어하고, 하부영역을 가열하는 하부히터(230)의 출력을 가장 강하게 제어하며, 중부영역을 가열하는 중부히터(220)는 상부히터(210) 및 하부히터(230)의 중간 출력으로 제어하여야 챔버(100) 내부의 모든 공간을 균일하게 가열할 수 있다. 이는 상기 식 4에 의해 표현되어 있다.
한편, 제어부(700)에서 출력을 계산하기 위해 사용되는 변환상수 a, b, c는 식 1 내지 4에 의해 a≤b≤c 로 유도되는 바, 각 변환상수간의 대소를 이와 같이 제어할 필요가 있다.
이때 식 4 및 변환상수간의 대소 비교에서 초과 부등호(<) 대신 이상 부등호(≤)를 사용하는 이유는, 가열 초기에는 챔버(100) 내부 온도와 목표 온도(Tm)의 차이가 크기 때문에 상부히터(210), 중부히터(220), 하부히터(230)를 모두 100% 출력으로 가열하는 것이 더 효과적이고, 챔버(100)의 내부 온도가 목표 온도(Tm)에 도달하게 되면, 이후 모든 히터들을 OFF 하거나 소정의 동일 출력으로 가열을 유지할 수 있기 때문이다. 상기 경우들에서, 식 4 및 변환상수들은 모두 같은 수치를 나타내게 된다.
한편, 챔버(100)의 상면 및 하면 중 어느 하나, 또는 양쪽 모두에는 중앙센서(500)가 설치된다. 이 중에서 챔버(100)의 상면에 설치되는 것은 상부 중앙센서(510), 하면에 설치되는 것은 하부 중앙센서(520)로 구분할 수 있다.
이 중에서 상부 중앙센서(510)는 챔버(100)의 상면 중앙에 설치되는 제1 상부 중앙센서(511)와, 이러한 제1 상부 중앙센서(511)를 중심으로 방사상으로 배치된 복수개의 제2 상부 중앙센서(512)로 다시 구분될 수 있고, 하부 중앙센서(520) 역시 이와 유사하게 챔버(100)의 하면 중앙에 설치되는 제1 하부 중앙센서(521)와, 이를 중심으로 방사상으로 배치된 복수개의 제2 하부 중앙센서(522)로 구분될 수 있다.
챔버(100)의 사방의 벽으로부터 이격된 중앙부의 온도를 측정하기 위하여, 제1 상부 중앙센서(511)와 복수개의 제2 상부 중앙센서(512)에서 각각 측정된 온도를 평균하거나, 제1 상부 중앙센서(511)에서 측정된 온도와 복수개의 제2 상부 중앙센서(512)에서 측정된 온도들에 각각 소정의 가중치(배율)를 두어 평균하여 계산한 수치를 이용한다.
이를 통해 계산된 온도를 상부영역의 중앙부 온도로 판단하고, 제1 하부 중앙센서(521)와 복수개의 제2 하부 중앙센서(522)에서 각각 측정된 온도를 이용하여 계산된 온도를 하부영역의 중앙 온도로 판단하여, 상부센서(310)에서 측정된 상부영역의 온도와 상부 중앙센서(510)에서 측정된 상부영역 중앙부의 온도를 비교하고, 하부센서(330)에서 측정된 하부영역의 온도와 하부 중앙센서(520)에서 측정된 하부영역 중앙부의 온도를 비교하게 된다.
이렇게 각각 비교된 온도 편차가 소정 범위를 벗어날 경우, 해당 부위의 벽부히터(200), 즉 상부히터(210) 또는 하부히터(230)의 출력을 더 높게 제어하게 된다.
이를 통하여, 벽부에 인접한 부분의 온도 편차를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 챔버(100)의 벽부와 중앙부의 온도 편차를 감소시킬 수 있게 된다.
이와 더불어서 상부금형(410)을 지지하는 상부 베이스 플레이트(411) 내부에는 복수개의 상부 베이스히터(412)가 삽입되고, 하부금형(420)을 지지하는 하부 베이스 플레이트(421) 내부에는 복수개의 하부 베이스히터가 삽입되는 바, 이들은 각각 상부금형(410)과 하부금형(420)을 간접적으로 가열하는 역할을 수행한다.
상부 베이스히터(412)와 하부 베이스히터(422)는 예를 들어 막대형의 카트리지 히터를 사용할 수 있고, 복수개의 카트리지 히터를 개별적으로 ON/OFF 제어 또는 출력을 제어할 수 있다.
이러한 상부 베이스히터(412)와 하부 베이스히터(422)는 본래 금형(400)을 가열하기 위한 것이지만, 이를 이용하여 챔버(100)의 상측 중앙부와 하측 중앙부를 각각 가열하여 온도를 제어할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명은, 상하로 분할된 벽부히터(200)와, 상부금형(410) 및 하부금형(420)에 설치된 베이스히터(412,422)를 통해 챔버(100)의 상중하 높이 및 벽부와 중앙부에 따른 온도 편차를 최소화할 수 있고, 금형(400) 및 가공물(600)을 균일한 온도로 가열하여 성형 이후 균일하고 우수한 물성을 나타내는 제품을 생산할 수 있게 된다.
도 6은 제어부를 포함한 본 발명의 구성도이다. 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치를 이용한 성형방법은, 도 1 내지 도 5를 참조로 도 6에 도시된 바와 같이, 적어도 일측면에 개방 가능한 도어(110)가 설치되고, 벽면의 상측, 중앙측, 하측에 각각 출력이 개별적으로 제어되는 벽부히터(200)가 설치되며, 그 내부의 온도와 목표 온도의 차이에 따라 벽부히터(200)의 온도가 제어되는 챔버(100)를 마련하는 준비단계와, 챔버(100)의 내부에서 금형(400) 및 가공물(600)을 가열하는 가열단계와, 금형(400)을 프레스하여 가공물(600)을 가공하는 성형단계와, 금형(400) 중 적어도 일부분을 가공된 가공물(600)과 함께 챔버 바깥으로 이동시키는 배출단계를 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(700)는 상부센서(310)에서 측정된 온도를 기초로 하여 상부히터(210)를 제어하고, 동일하게 중부센서(320) 및 하부센서(330)에서 측정된 온도를 기초로 하여 중부히터(220) 및 하부히터(230)를 제어한다.
다만, 상부히터(210), 중부히터(220) 및 하부히터(230) 각각의 제어는 이와 대응되는 센서들의 온도로만 결정되는 것이 아니라, 상부센서(310), 중부센서(320) 및 하부센서(330)에서 측정된 온도를 종합적으로 판단하여 결정되는 바, 이에 대해서는 가열단계의 설명에서 자세히 설명한다.
또한, 금형(400)에 설치된 베이스히터(412,422)는 중앙센서(500)에서 측정된 온도를 기초로 하여 그 출력을 제어하게 되는데, 여기에도 상부센서(310) 및 하부센서(330)에서 측정된 온도 정보를 추가로 참조하여 베이스히터(412,422)의 출력을 제어하는 것이 바람직하다.
준비단계는 앞서 설명한 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치를 마련하는 단계로서, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
가열단계는, 금형(400) 및 이에 적재된 가공물(600)을 성형온도로 가열하기 위한 것으로서, 상부히터(210)의 출력, 중부히터(220)의 출력, 하부히터(230)의 출력을 하기 식 5를 만족하도록 제어하는 것이다.
식 5: H1 ≤ H2 ≤ H3
단, H1은 상부히터의 출력, H2는 중부히터의 출력, H3는 하부히터의 출력이다.
이는 앞서 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치를 설명하는 과정에서 도출된 식 1 내지 식 4로부터 도출된 제어 조건으로서, 상부히터(210)의 출력을 가장 낮거나 같게, 하부히터(230)의 출력을 가장 높거나 같게, 중부히터(220)의 출력을 상부히터(210)와 하부히터(230)의 사이 또는 같게 제어함으로써, 챔버의 상하 방향 온도 편차를 최소화시키기 위한 것이다. 참고를 위해, 식 1 내지 식 4를 다시 살펴보면 다음과 같다.
식 1: H1 = a(Tm-T1)
식 2: H2 = b(Tm-T2)
식 3: H3 = c(Tm-T3)
식 4: [H1/(Tm-T1)] ≤ [H2/(Tm-T2)] ≤ [H3/(Tm-T3)]
단, H1은 상부히터(210)의 출력, H2는 중부히터(220)의 출력, H3는 하부히터(230)의 출력, Tm은 목표온도, T1은 상부센서(310)의 측정온도, T2는 중부센서(320)의 측정온도, T3는 하부센서(330)의 측정온도, a, b, c는 각각 변환상수이다.
식 1 내지 식 4와 같이, 제어부(700)는 상부히터(210), 중부히터(220), 하부히터(230)의 출력을 각각 상부센서(310), 중부센서(320), 하부센서(330)의 측정온도로부터 도출하는 바, 목표온도와의 차이에 비례하되 동일 온도차일 경우 챔버(100)의 하부측을 우선 가열하여 온도 편차를 해소하게 된다.
이러한 가열은 상부금형(410)과 하부금형(420)이 서로 이격된 상태, 즉 개방 상태에서 진행되며, 이에 따라 가공물(600)이 벽부히터(200), 특히 중부히터(220)로부터 직접 가열될 수 있다.
성형단계는, 상부금형(410)을 하강시켜 하부금형(420)과 합형하되, 핫스탬핑 금형을 적용할 경우에는 상부금형(410)에 형성된 돌출부가 가공물(600)을 가압하여 성형하고, 초소성 성형을 적용할 경우에는 상부금형(410)의 가스주입구(미도시)를 통해 고압의 가스를 주입하여 가공물(600)을 가압함으로써 성형하게 된다.
성형단계의 시작시점 또는 금형(400)이 합형된 이후에는, 상부히터(210)의 작동을 멈추거나 출력을 최소화하도록 제어하는 바, 이는 상부히터(210)가 가열하였던 상부금형(410)이 하강하면서 가열 대상이 없어지기 때문에, 상부히터(210)를 불필요하게 작동시키면서 에너지를 낭비하는 것을 최소화하기 위해서이다.
이렇게 상부히터(210)가 작동을 멈출 때에도, 중부히터(220) 및 하부히터(230)는 지속적으로 작동하여 금형(400) 및 가공물(600)을 지속적으로 성형온도로 유지하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 챔버 110: 도어
200: 벽부히터 210: 상부히터
220: 중부히터 230: 하부히터
300: 벽부센서 310: 상부센서
320: 중부센서 330: 하부센서
400: 금형 410: 상부금형
411: 상부 베이스 플레이트 412: 상부 베이스히터
420: 하부금형 421: 하부 베이스 플레이트
422: 하부 베이스히터 500: 중앙센서
510: 상부 중앙센서 511: 제1 상부 중앙센서
512: 제2 상부 중앙센서 520: 하부 중앙센서
521: 제1 하부 중앙센서 522: 제2 하부 중앙센서
600: 가공물 700: 제어부

Claims (8)

  1. 적어도 일측면에 개방 가능한 도어가 설치된 챔버;
    상기 챔버의 벽면 상측, 중앙측, 하측에 각각 설치되어 개별적으로 출력이 제어되는 벽부히터;
    상기 챔버의 벽면 상측, 중앙측, 하측의 온도를 각각 측정하는 벽부센서;
    상기 챔버의 내부에 수용되어 상기 벽부히터에 의해 가열된 가공물을 원하는 형상으로 가공하는 금형; 및
    상기 벽부센서에서 측정된 온도를 기반으로 각각의 상기 벽부히터의 출력을 개별적으로 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 벽부히터는, 상기 챔버의 벽면 상측에 설치된 상부히터와, 상기 챔버의 벽면 중앙측에 설치된 중부히터와, 상기 챔버의 벽면 하측에 설치된 하부히터를 포함하며,
    상기 벽부센서는, 상기 챔버의 벽부 상측 영역의 온도를 측정하는 상부센서와, 상기 챔버의 벽부 중앙측 영역의 온도를 측정하는 중부센서와, 상기 챔버의 벽부 하측 영역의 온도를 측정하는 하부센서를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 상부센서, 상기 중부센서 및 상기 하부센서에서 측정된 온도를 기반으로 상기 상부히터, 상기 중부히터 및 상기 하부히터의 출력을 제어하며,
    상기 제어부는, 하기 식 1, 식 2 및 식 3에 따라 상기 상부히터, 상기 중부히터 및 상기 하부히터의 출력을 제어하되, 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치.
    식 1: H1 = a(Tm-T1)
    식 2: H2 = b(Tm-T2)
    식 3: H3 = c(Tm-T3)
    식 4: [H1/(Tm-T1)] ≤ [H2/(Tm-T2)] ≤ [H3/(Tm-T3)]
    단, H1은 상부히터의 출력, H2는 중부히터의 출력, H3는 하부히터의 출력, Tm은 목표온도, T1은 상부센서의 측정온도, T2는 중부센서의 측정온도, T3는 하부센서의 측정온도, a, b, c는 각각 변환상수이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나 이상에 설치되는 중앙센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 벽부센서에서 측정된 온도와 상기 중앙센서에서 측정된 온도의 편차를 이용하여 상기 벽부히터의 출력을 추가로 보정하는 것을 특징으로 하는, 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 중앙센서는, 상기 챔버의 상면의 중앙부에 설치된 상부 중앙센서와, 상기 챔버의 하면의 중앙부에 설치된 하부 중앙센서를 포함하고,
    상기 상부 중앙센서는 상기 챔버의 상면 중앙에 설치되는 제1 상부 중앙센서와, 상기 제1 상부 중앙센서를 중심으로 방사상으로 설치된 복수개의 제2 상부 중앙센서를 포함하며,
    상기 하부 중앙센서는 상기 챔버의 하면 중앙에 설치되는 제1 하부 중앙센서와, 상기 제1 하부 중앙센서를 중심으로 방사상으로 설치된 복수개의 제2 하부 중앙센서를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 상부 중앙센서와 복수개의 상기 제2 상부 중앙센서에서 각각 측정된 온도의 평균을 상기 상부센서에서 측정된 온도와 비교하여 상기 상부히터의 출력을 보정하고, 상기 제1 하부 중앙센서와 복수개의 상기 제2 하부 중앙센서에서 각각 측정된 온도의 평균을 상기 하부센서에서 측정된 온도와 비교하여 상기 하부히터의 출력을 보정하는 것을 특징으로 하는, 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치.
  6. 적어도 일측면에 개방 가능한 도어가 설치되고, 벽면의 상측, 중앙측, 하측에 각각 출력이 개별적으로 제어되는 벽부히터가 설치되며, 그 내부의 온도와 목표 온도의 차이에 따라 상기 벽부히터의 온도가 제어되는 챔버를 마련하는 준비단계;
    상기 챔버의 내부에서 금형 및 가공물을 가열하는 가열단계;
    상기 금형을 프레스하여 가공물을 가공하는 성형단계;
    상기 금형 중 적어도 일부분을 가공된 상기 가공물과 함께 상기 챔버 바깥으로 이동시키는 배출단계;를 포함하고,
    상기 벽부히터는, 상기 챔버의 벽면 상측에 설치된 상부히터와, 상기 챔버의 벽면 중앙측에 설치된 중부히터와, 상기 챔버의 벽면 하측에 설치된 하부히터를 포함하며,
    상기 가열단계는, 상기 상부히터의 출력, 상기 중부히터의 출력, 상기 하부히터의 출력이 하기 식 5를 만족하는 것을 특징으로 하는, 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치를 이용한 성형방법.
    식 5: H1 ≤ H2 ≤ H3
    단, H1은 상부히터의 출력, H2는 중부히터의 출력, H3는 하부히터의 출력이다.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 금형은, 상기 챔버 내부에 승강 가능하게 설치된 상부금형 및 상기 챔버의 도어를 통해 입출되면서 가공물을 지지하는 하부금형을 포함하고,
    상기 가열단계는, 상기 상부금형과 상기 하부금형이 서로 이격된 상태로 수행되며,
    상기 성형단계는, 상기 상부금형이 하강하면서 상기 상부히터의 작동을 멈추거나 출력을 최소화하고, 상기 중부히터 및 상기 하부히터는 계속해서 작동시키는 것을 특징으로 하는, 내부 온도 균일화 챔버형 성형장치를 이용한 성형방법.
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