KR102660637B1 - 핫스탬핑 금형 보수방법 - Google Patents

핫스탬핑 금형 보수방법 Download PDF

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Abstract

마모나 손상이 발생된 핫스탬핑 금형의 재생 사용을 위한 보수방법이 소개된다. 냉각블록의 설계파일이 보수작업에 이용된다. 보수방법은 성형면을 설계 기준면까지 절삭하는 단계, 얻어진 기준면 상에 복원층을 육성하는 단계 및 복원층을 설계 성형면까지 연삭하는 단계를 포함한다. 기준면에 관한 데이터는 바람직하게는 냉각블록의 설계 시 생성된다. 기 생성된 설계파일을 이용하여 일률적으로 보수 작업을 수행할 수 있으므로 핫스탬핑 금형의 보수 시간 단축이 가능하다.

Description

핫스탬핑 금형 보수방법{Repair Method For Stamping Dies}
본 발명은 마모나 손상이 발생된 금형, 특히 핫스탬핑 금형의 보수 및 복원 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 오스테나이트화 온도(AC3) 이상, 예로서 900℃ 이상의 고온으로 가열한 후 프레스 금형 내에서 성형과 동시에 급냉시켜 1400Mpa급 이상의 고강도 부품을 얻고자 하는 기술이다. 핫스탬핑 소재로는 대체로 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.
도 1에 종래의 핫스탬핑 금형이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 핫스탬핑 금형(100)은 블랭크의 냉각을 위한 내부의 냉각채널(506)을 갖는다. 냉각채널(506)은 건 드릴링(gun drilling)으로 형성되며, 성형면(504)를 따라 수평방향(길이방향 또는 폭방향)으로 연장된다. 블랭크를 신속히 냉각시키기 위해서는 성형면(504)으로부터 냉각채널(506)까지의 거리는 짧을수록 좋다. 하지만, 성형면(504)이 제품의 형상에 따라 3차원의 굴곡진 형상을 가지므로 이 거리를 성형면(504) 전체에 걸쳐 균등하게 최소화하는 것은 쉽지 않다.
핫스탬핑 금형(500)은 성형면(504)을 갖는 복수 개의 금형 냉각블록(502)을 조립하여 제작된다. 각 냉각블록(502)에 냉각채널(506)이 형성되며, 서로 연결된다. 냉각블록들(502)은 베이스 상에 조립되어, 프레스기에 장착 사용된다. 800℃에 이르는 고온의 블랭크를 큰 압력으로 반복적으로 찍어 눌러 성형 및 급냉시켜야 하므로, 열응력 및 물리적인 마찰로 인해 금형(500), 특히 성형면(504)에서의 마모 및 손상이 빈번하게 발생하며, 금형(500)의 짧은 수명이 문제된다.
금형(500)의 마모 및 손상은 전체적으로 균일하게 발생하기보다는 특정 부위에서 더 심하게 나타나는 경우가 많다. 특정 부위의 성형면(504) 형상이 다른 부위보다 깊거나 복잡한 형상을 갖고 있는 경우, 스탬핑 시 다른 부위보다 가혹한 마찰을 겪게 된다. 냉각블록들(502) 중 특정 냉각블록에서 마모나 손상이 심하여 블랭크 밀착 성능이 저하되고 나아가 냉각채널(506)에서 누수가 발생하는 경우, 해당 냉각블록의 보수 또는 교체가 필요하다. 금형(500) 전체는 물론 개별 냉각블록(502) 또한 고가이기에, 금형(500)의 수리 및 복원에 대한 요구가 높다.
한편 금형(500)을 보수한다는 것은 제품 생산이 중단됨을 의미한다. 중량물의 금형(500)을 프레스기에서 탈거하고 금형(500)에서 보수가 필요한 냉각블록(502)을 분리해 낸 다음에야 해당 냉각블록(502)에 대한 수리 복원이 수행될 수 있다. 보수가 필요한 냉각블록(502)을 탈거해 내는 과정에서부터 많은 시간이 들게 되므로, 냉각블록(502)에 대한 보수 시간의 단축이 요구된다.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 마모나 손상이 발생된 핫스탬핑 금형의 재생 사용을 위한 보수방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 보수 시간의 단축이 가능한 핫스탬핑 금형 보수방법을 제공하고자 한다.
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.
위 목적들은 청구범위에 기재된 발명들, 구성들에 의해 달성된다. 본 발명의 특별한 특징들 중 하나는 보수 대상 냉각블록의 설계파일을 이용하여 일률적으로 금형 보수 작업이 수행된다는 점이다. 보수에 필요한 설계 기준면에 관한 데이터가 설계파일에 저장되며, 바람직하게는 설계 기준면 데이터는 냉각블록의 설계 시 생성된다.
본 발명에 따른 핫스탬핑 금형 보수방법은 보수 대상 냉각블록의 성형면을 설계 기준면까지 절삭하는 단계, 이 설계 기준면의 데이터는 해당 냉각블록의 설계파일에 저장되어 있고, 이 설계파일을 읽어 들일 수 있는 절삭장치에 의해 설계 기준면까지 절삭이 수행되며, 설계 성형면과 설계 기준면 간의 거리가 일정함; 얻어진 기준면 상에 복원층을 육성하는 단계, 이 복원층의 육성은 위 설계파일을 읽어 들일 수 있는 레이저 클래딩 장치에 의해 수행되며, 설계 성형면보다 일정 높이 위까지 복원층이 육성됨; 및 복원층의 탑면을 설계 성형면까지 연삭하는 단계를 포함하며, 이 연삭은 위 설계파일을 읽어 들일 수 있는 연삭장치에 의해 수행된다.
본 발명에 따르면, 상기 연삭하는 단계에서, 해당 냉각블록과 이에 인접한 냉각블록 간의 단차 맞춤을 위해 해당 냉각블록의 가장자리부는 설계 성형면 아래까지 연삭된다. 단차 맞춤은 해당 냉각블록에 인접한 냉각블록을 3D 스캐닝하여 얻어진 실측 데이터와, 해당 냉각블록의 설계 성형면 데이터를 이용하여 설정된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 냉각블록의 재생 사용이 가능하며, 핫스탬핑 금형의 수명 연장이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면 기 생성된 설계파일을 이용하여 일률적으로 보수 작업을 수행할 수 있으므로 핫스탬핑 금형의 보수 시간 단축이 가능하다.
도 1은 종래 핫스탬핑 금형을 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금형 보수공정을 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보수될 금형의 예를 보여준다.
이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 부호로 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 뿐이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 실시예에 따른 핫스탬핑 금형 보수방법을 살펴본다.
핫스탬핑 금형은 작업 온도가 높을 뿐만 아니라 온도변화가 매우 심하다. 프레스의 하중으로 스틸 블랭크를 가압하여 제품 형상을 부여하므로, 물리적인 접촉 및 마찰로 인한 마모도 지속 발생하게 된다. 핫스탬핑은 제품의 품질 및 생산성에 큰 영향을 미치므로, 주기적으로 또는 필요시 수시로 유지 보수된다.
본 설명에서 장치가 전자파일을 읽어 들인다는 것은 장치의 시스템 소프트웨어가 해당 전자파일로부터 가공 실행에 필요한 입력값을 얻는다는 것을 포함하여 넓은 의미로 해석될 필요가 있다.
3D 스캐닝(S1)
보수가 필요한 경우, 핫스탬핑 금형이 프레스기로부터 탈거된다. 탈거된 금형에서 보수가 되어야 할 냉각블록(10)이 선정되며, 해당 냉각블록(10)의 인접 냉각블록들(20)에 대한 3D 스캐닝이 수행된다. 이 3D 스캐닝은 해당 냉각블록(10)과 인접 냉각블록들(20) 간의 단차 맞춤을 위한 실측 데이터를 얻기 위한 것이다. 얻고자 하는 실측데이터는 인접 냉각블록들(20)의 3차원 치수 데이터, 특히 해당 냉각블록(10)의 성형면(11)과 연속되는 인접 냉각블록(20)의 성형면(12) 가장자리부의 높이, 면형상 데이터 등이다.
이 3D 스캐닝은 반드시 하기 공정들(S2~S3)보다 우선적으로 수행되어야 하는 것은 아니다. 다만 합리적인 공정 플로우를 고려할 때, 하기된 공정들(S2~S3)에서 실질적인 보수작업이 수행되기 전에 실측 데이터가 확보되어야 하며, 적어도 정밀연삭(S4)의 수행 전에는 실측 데이터의 확보가 바람직하다.
성형면 절삭(S2)
보수 대상 냉각블록(10)의 성형면(11) 절삭이 수행된다. 절삭 깊이는 성형면(11)으로부터 미리 설정된 기준면(설계 기준면)까지이다. 이 설계 기준면은 바람직한 예로서, 불가피한 경우를 제외한다면, 냉각블록(10)의 설계상의 성형면(설계 성형면)과 전영역에 걸쳐 동일한 면현상을 갖는다. 어느 위치에서든 설계 기준면은 설계 성형면으로부터 일정한 깊이에 위치된다. 달리 표현하자면, 설계 성형면과 설계 기준면 간의 거리가 전영역에서 일정하다.
냉각블록(10,20)의 내부 냉각채널들(2)은 가능한 한 성형면(11,21)에 가깝게 그리고 성형면(11,21)으로부터의 깊이가 일정하도록 배치된다. 냉각블록(10,20)의 바닥을 기준으로, 냉각채널(2)의 높이가 다를 수 있다. 대체로, 어느 성형면(11,12) 부위가 돌출 형상을 갖는 경우 해당 부위에서 냉각채널(2)은 높게 위치되고, 또 어느 성형면(11,12) 부위가 파인 형상을 갖는 경우 해당 부위에서 냉각채널(2)는 낮게 위치힌다.
설계 기준면의 설정에 냉각채널(2)이 고려된다. 실시예에 의하면, 냉각채널(2) 중 성형면(11,21)과 가장 가까운 최근접 냉각채널 위치를 기준으로 설계 성형면으로부터 설계 기준면까지의 거리(깊이)가 설정된다. 예로서 최근접 냉각채널로부터 그 직상부 설계 성형면까지의 거리가 10mm인 경우, 설계 기준면은 설계 성형면으로부터 5mm 깊이에 있도록 설계된다. 최근접 냉각채널로부터 설계 기준면까지의 5mm는 성형면 절삭 시 냉각채널(2)의 손상을 방지하기 위한 가공 마진이 된다.
설계 기준면의 데이터는 수리 대상 냉각블록(10)의 설계파일에 저장된다. 바람직한 예로서, 설계 기준면은 해당 냉각블록(10)의 설계 단계에서 설정되고, 그 데이터는 설계파일에 함께 저장된다. 당연하게도 설계 기준면 데이터는 사후적으로 설계파일에 추가될 수 있다. 다만, 핫스탬핑 금형의 설계 단계에 설계 기준면이 설정되어 설계파일에 함께 저장된 경우, 별도 추가를 위한 시간 지연 없이 그 설계파일을 이용하여 해당 금형에 대한 보수 작업을 신속히 수행할 수 있다. 설계 기준면이 설정된 금형 설계파일은 금형들의 보수작업을 일률적이고 신속하게 수행할 수 있게 하며, 여러 스펙의 금형들을 사용하거나 특정 스펙의 금형을 여럿 사용하는 경우에 특히 잇점을 제공한다.
성형면(11)의 절삭은 설계파일을 읽어 들일 수 있는 절삭장치에 의해 수행된다. 설계파일은 CATIA, UG-NX 등과 같은 3D 캐드 파일이거나, 이로부터 변환 또는 추출된 데이터 파일일 수 있다. 절삭장치는 이러한 설계파일을 읽어 들여 최적 절삭경로를 선정하고 성형면(11)을 따라 설계 기준면까지 냉각블록(10)의 표면을 수치제어(Numerical Control: NC) 절삭 가공한다.
레이저 클래딩(S3)
설계 기준면까지 절삭 가공된 냉각블록(10)의 표면(기준면 또는 절삭면)에 레이저 클래딩이 수행된다. 레이저 클래딩은 대략적으로는 작업 대상의 표면에 레이저로 용융풀을 형성하면서 분말이나 와이어 형태의 금속 재료를 공급하여 표면에 증착 또는 피복하는 기술이다. 레이저 클래딩은 금속 3D 프린팅에 이용된다.
레이저 클래딩에 의해 기준면 상에 복원층이 육성된다. 이 복원층의 육성은 앞서 설명된 설계파일을 읽어 들일 수 있는 레이저 클래딩 장치에 의해 수행된다. 복원층은 설계 성형면보다 일정 높이 위까지 육성된다. 설계 기준면과 실제 얻어진 기준면 간에, 그리고 설계 성형면과 실제 얻어진 복원층 간에 오차가 있을 수 있고, 얻어진 복원층의 탑면을 설계 성형면과 동일 높이 및 형상으로 정밀 가공할 필요가 있기 때문이다. 설계 성형면을 초과하는 복원층의 육성 높이는 레이저 클래딩 장치에 간단히 세팅될 수 있다. 예로서 설계 성형면보다 1mm 더 높게 복원층이 육성된다.
정밀 연삭(S4)
육성 완료된 복원층의 탑면은 설계 성형면까지 정밀 연삭된다. 연삭은 앞서 설명된 설계파일 및 3D 스캐닝 데이터를 읽어 들일 수 있는 연삭장치에 의해 수행된다.
실시예에 의하면, 정밀 연삭 시, 복원된 냉각블록(10)의 성형면과 인접 냉각블록(20)의 성형면(21) 간의 단차 맞춤을 위해 복원된 냉각블록(10)의 성형면 가장자리부는 설계 성형면 아래까지 연삭된다. 인접 냉각블록(20)의 성형면(21) 또한 사용기간 동안 마모되었을 것이므로, 설계 성형면 그대로 복원된 냉각블록(10)의 성형면과 단차가 발생하기 마련이다. 복원된 냉각블록(10)의 성형면이 인접 냉각블록(20)의 성형면(21)과 연속적으로 이어질 수 있도록, 복원된 냉각블록(10)의 성형면 가장자리부가 완만하게 하향 경사지게 연삭된다.
단차 맞춤을 위한 복원된 냉각블록(10)의 성형면 가장자리부의 정밀 가공에는, 앞서 S1 단계에서 설명되었듯이, 해당 냉각블록(10)에 인접한 냉각블록(20)을 3D 스캐닝하여 얻어진 실측 데이터가 이용된다. 이 실측 데이터에 기초한 인접 냉각블록(20)의 성형면(21) 가장자리부의 면형상 대비 복원 대상 냉각블록(10)의 설계 성형면 간의 차이를 계산하고, 이 차이가 해소될 수 있도록 복원 대상 냉각블록(10)의 성형면 가장자리부의 형상 프로파일이 산출된다. 이 형상 프로파일의 산출은 단순히 단차 해소를 위한 것이므로, 복원 대상 냉각블록(10)의 성형면 최외측 가장자리가 인접 냉각블록(20)의 성형면(21)의 최외측 가장자리가 서로 연속될 수 있는 높이를 선정한 후, 평균적으로 복원 대상 냉각블록(10)의 성형면 가장자리부를 추가 연마되도록 하는 것으로 족하다.
이상 설명된 실시예에서와 같이 기 생성된 설계파일을 이용하여 일률적으로 신속하게 금형 보수 작업이 수행될 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 금형 보수는 성형면(11)의 한정적인 영역에 대해 수행될 수 있다. 이 경우 해당 보수영역을 설정하기 위해 별도 작업이 수행될 필요가 있다. 한정적인 영역에 대한 보수 작업은 일상적으로 진행될 수 있고, 금형의 마지막 재생 단계에서 설계 기준면 데이터를 갖는 설계파일을 이용하여 성형면(11) 전체에 대해 일률적으로 보수 작업을 수행하는 것이 선호될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 소개된 특징들 또는 요소들은 다양한 형태로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.
보호하고자 하는 발명의 범위가 청구항들에 기재된다. 청구항에 기재된 요소는, 발명의 본질 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.
2: 냉각채널
10,20: 냉각블록
11,12: 성형면

Claims (2)

  1. 냉각채널을 갖는 핫스탬핑 금형의 보수방법으로서,
    보수 대상 냉각블록의 성형면을 설계 기준면까지 절삭하는 단계, 이 설계 기준면의 데이터는 보수 대상 냉각블록의 설계파일에 저장되어 있고, 이 설계파일을 읽어 들일 수 있는 절삭장치에 의해 설계 기준면까지 절삭이 수행되며, 설계 성형면과 설계 기준면 간의 거리가 일정함;
    상기 절삭에 의해 얻어진 기준면 상에 복원층을 육성하는 단계, 이 복원층의 육성은 위 설계파일을 읽어 들일 수 있는 레이저 클래딩 장치에 의해 수행되며, 설계 성형면보다 일정 높이 위까지 복원층이 육성됨; 및
    상기 복원층의 탑면을 설계 성형면까지 연삭하는 단계를 포함하며,
    상기 연삭하는 단계에서, 연삭은 상기된 설계파일을 읽어 들일 수 있는 연삭장치에 의해 수행되며, 보수 대상 냉각블록과 이에 인접한 냉각블록 간의 단차 맞춤을 위해 보수 대상 냉각블록의 가장자리부는 설계 성형면 아래까지 연삭되며,
    상기 단차 맞춤은 보수 대상 냉각블록에 인접한 냉각블록을 3D 스캐닝하여 얻어진 실측 데이터와, 보수 대상 냉각블록의 설계 성형면 데이터를 이용하여 설정되는 핫스탬핑 금형 보수방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각채널에서 설계 성형면과 가장 가까운 최근접 냉각채널 위치를 기준으로, 설계 성형면으로부터 설계 기준면까지의 거리가 일정한 핫스탬핑 금형 보수방법.
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