KR20110065068A - 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핫 스템핑금형의 냉각효율을 높이면서 균일하게 냉각될 수 있도록 냉각채널의 설계를 최적화하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법에 관한 것으로, 핫 스템핑금형을 구간별로 선정하여 각 단면을 추출하는 단계와, 냉각채널의 설계변수를 입력하는 단계와, 상기 설계변수에 따른 냉각효과를 추출된 각 단면별로 해석하는 단계와, 상기 해석 결과에서 각 단면별로 최적의 설계변수 값을 산출하는 단계와, 상기 산출된 최적의 설계변수 값을 조합하여 3차원 냉각채널을 설계하는 단계를 포함한다.

냉각채널 설계방법, 핫 스템핑금형

Description

핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법{design method of cooling channel using hot stamping metallic pattern}

본 발명은 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핫 스템핑금형의 냉각효율을 높이면서 균일하게 냉각될 수 있도록 냉각채널의 설계를 최적화하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법에 관한 것이다.

일반적으로, 금형은 프라스틱 제품을 생산하는 사출 금형, 철판을 이용하여 제품을 만들어 내는 프레스 금형, 금속을 녹여 플라스틱과 같이 만들어 내는 다이캐스팅 금형 등 여러 가지로 나눌 수 있으며, 이러한 금형은 제품의 원활한 생산을 위하여 통상 가동형과 고정형으로 나뉘어 제작하고 있다.

특히, 차량에 사용되는 제품을 제조하기 위해 금형이 많이 사용됨에 따라, 제품 설계와 함께 금형에 대한 설계도 이루어지게 된다.

오늘날의 자동차 산업은 차량의 충돌성능 향상에 의한 안전성 확보를 요구받고 있다. 따라서 완성차 제조사들은 차량경량화 및 고강도의 차체를 실현하기 위해 트립(Trip)강, DP강, 알루미늄 및 마그네슘합금강판 등의 소재를 사용하거나 재단용접블랭크(TWB), 하이드로포밍, 핫스템핑 등의 신기술을 이용하여 차체를 제작하 기 위해 다양한 연구를 수행하고 있다.

그러나 상기 트립(Trip)강, DP강 등의 고강도강판은 낮은 연신률과 높은 항복강도로 인해 성형성이 열악하고 성형 후 잔류응력에 의한 스프링백(springback) 발생문제 등을 안고 있기 때문에 높은 성형기술이 요구된다.

또한, 알루미늄 및 마그네슘합금강판은 일반 강판에 비해 차체 중량을 감소하는 효과는 있지만 가격이 비싸고 상온에서의 성형성이 열악하여 차체적용에는 어려움이 많은 실정이다. 따라서 성형성의 확보 및 고강도를 동시에 만족하는 자동차부품을 제작하기 위해 최근에는 핫스템핑(hot stamping)공정에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.

핫스템핑(hot stamping) 가공은 블랭크를 Ac3 변태점 이상의 온도로 가열하여 완전 오스테나이트화 한 후 성형과 동시에 금형내에서 급랭하여 고강도의 마르텐사이트로 변태시키는 과정으로 이루어진다. 핫스템핑에 의해 제조되는 차체부품은 인장강도 1500MPa 이상의 높은 강성을 유지하여 자동차 충돌성능 향상에 의한 승객의 높은 안전성을 실현할 수 있다.

그러나, 현재 핫 스템핑가공에 사용되는 금형에 냉각수를 공급하기 위한 냉각채널의 설계 기준이 정립되지 않은 상황이며, 이에 따라 핫 스템핑 방식을 통해 각종 제품을 생산하고자 할 경우에 제품 설계 단계에서 금형의 최적 냉각채널을 도출할 수 있는 설계방법의 제공이 시급히 이루어져야 할 것이다.

본 발명은 핫 스템핑 방식을 통해 각종 제품을 생산하고자 할 경우에 제품 설계 단계에서 금형의 최적 냉각채널을 도출해, 이를 고려한 금형 설계가 이루어지도록 하여, 결함이 없는 제품의 생산이 가능하고, 제품의 생산성을 향상할 수 있도록 하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 가공된 제품의 냉각이 진행되는 과정에서 핫 스템핑금형이 냉각되는 과정에서 변형이 발생하지 않도록 하고, 제품의 냉각과정이 신속히 진행될 수 있도록 하되, 구간별로 균일한 냉각이 이루어지도록 하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 핫 스템핑금형을 구간별로 선정하여 각 단면을 추출하는 단계와, 냉각채널의 설계변수를 입력하는 단계와, 상기 설계변수에 따른 냉각효과를 추출된 각 단면별로 해석하는 단계와, 상기 해석 결과에서 각 단면별로 최적의 설계변수 값을 산출하는 단계와, 상기 산출된 최적의 설계변수 값을 조합하여 3차원 냉각채널을 설계하는 단계를 포함하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법을 제공한다.

본 발명 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법에 따르면, 핫 스템핑 방식을 통해 각종 제품을 생산하고자 할 경우에 제품 설계 단계에서 금형의 최적 냉각채널을 도출해, 이를 고려한 금형 설계가 이루어지도록 하여, 결함이 없는 제품의 생산이 가능하고, 제품의 생산성을 향상할 수 있으며, 가공된 제품의 냉각이 진행되는 과정에서 핫 스템핑금형이 냉각되는 과정에서 변형이 발생하지 않도록 하고, 제품의 냉각과정이 신속히 진행될 수 있도록 하되, 구간별로 균일한 냉각이 이루어지도록 하는 매우 유용한 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법이 구현되는 냉각채널 설계장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법의 순서도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계장치는 조작부(100), 단면출력부(110), 변수입력부(120), 변수해석부(130), 최적값산출부(140), 3차원설계부(150), 데이터저장부(200), 디스플레이부(300)를 포함하며, CFD해석부(160)와, 수정부(170)가 선택적으로 더 포함될 수 있다.

조작부(100)는 키보드나 마우스로 이루어져 관리자의 조작신호를 단면출력부(110) 및 변수입력부(120)에 입력하는 기능을 한다.

단면출력부(110)는 일정한 구간별로 핫 스템핑금형의 단면을 추출하는 S10 단계를 수행한다. 상기 추출된 단면은 종단면, 횡단면을 비롯하여 어느 일 방향을 기준으로 추출된 단면에 대해 설계변수를 해석하고 최적의 냉각성능이 나타나는 설 계변수를 조합하여 3차원 냉각채널을 설계하도록 한다.

변수입력부(120)는 상기 단면출력부(110)에서 일정한 간격으로 추출된 각 단면에 대해 냉각채널을 설계하기 위한 설계변수를 입력하는 S20 단계를 수행한다. 상기 설계변수는 냉각홀이 가공되는 위치 및 냉각홀의 크기 등이 해당될 수 있다.

변수해석부(130)는 상기 변수입력부(120)에서 선정된 설계변수에 따른 냉각효과를 추출된 각 단면별로 해석하는 S30 단계를 수행한다. 변수해석부(130)에서 설계변수값에 따른 냉각효과를 판단하는 데 고려되어야할 사항은 냉각과정이 균일하게 진행되는지 여부와, 냉각속도가 신속히 진행되어야하는지, 냉각과정에서 핫 스템핑금형에 변형이 발생되지 않는지 여부를 판단한다.

최적값산출부(140)는 상기 변수해석부(130)에서 해석된 최적의 설계변수값을 각 단면별로 산출하는 S40 단계를 수행한다. 상기와 같이 핫 스템핑금형의 추출된 각 단면별로 설계변수에 따라 냉각효과를 해석하는 과정에서, 냉각과정이 가장 균일하게 진행되고, 냉각속도가 가장 신속히 진행되며, 냉각과정에서 핫 스템핑금형의 변형이 가장 적게 발생되는 설계변수 값을 최적의 설계변수 값으로 산출한다.

3차원설계부(150)는 상기 최적값산출부(140)에서 산출된 최적의 설계변수 값을 조합하여 3차원 냉각채널을 설계하는 S50 단계를 수행한다. 상기 각 단면별로 산출된 최적의 설계변수 값은 2차원 상태이며, 상기 2차원의 최적 설계변수 값을 조합하여 3차원의 냉각채널을 설계한다.

CFD해석부(160)는 CFD(Computational fluid dynamics)방식으로 냉각효과를 해석하는 S60 단계를 수행한다. CFD(Computational fluid dynamics)는 전산 유체 역학, 수치 유체 역학을 의미하며, 상기 3차원설계부(150)에서 3차원 냉각채널이 설계되고 난 후, 상기 설계가 제대로 이루어졌는지 유체를 이용하여 시뮬레이션으로 테스트한다.

수정부(170)는 상기 CFD해석부(160)의 해석 결과를 토대로 3차원 냉각채널의 설계를 수정하는 S70 단계를 수행한다. 해석 결과 냉각효율이 떨어지거나, 골고루 냉각되지 않은 구간을 선정하여 설계를 변경하는 것이다.

데이터저장부(200)는 상기 단면추출부(110), 변수입력부(120), 최적값산출부(140), 3차원설계부(150), CFD해석부(160), 수정부(170)에서 공급된 각종 데이터를 저장하는 기능을 하며, 디스플레이부(300)는 상기 데이터저장부(200)에 공급된 내용을 관리자가 확인할 수 있도록 출력하는 기능을 한다.

상기 도 2에 도시한 바와 같은 본 발명은 핫 스템핑금형을 구간별로 선정하여 각 단면을 추출하는 단계(S10)와, 냉각채널의 설계변수를 입력하는 단계(S20)와, 상기 설계변수에 따른 냉각효과를 추출된 각 단면별로 해석하는 단계(S30)와, 상기 해석 결과에서 각 단면별로 최적의 설계변수 값을 산출하는 단계(S40)와, 상기 산출된 최적의 설계변수 값을 조합하여 3차원 냉각채널을 설계하는 단계(S50)를 포함한다.

먼저, 핫 스템핑가공에 대해 설명하면, 롤의 형태로 권취된 원자재를 최적의 크기로 절단하여 블랭크를 형성하고, 상기 블랭크를 Ac3 변태점 이상의 온도로 가열하여 완전 오스테나이트화 한 후, 핫 스템핑가공과 동시에 금형내에서 급랭하여 고강도의 마르텐사이트로 변태시키고 수세하는 과정으로 이루어진다. 핫 스템핑가 공에 의해 제조되는 차체부품은 인장강도 1500MPa 이상의 높은 강성을 유지하여 자동차 충돌성능 향상에 의한 승객의 높은 안전성을 실현할 수 있다.

이때, 상기 냉각하는 방법으로는 핫 스템핑금형 내에 냉각수를 공급하도록 냉각채널을 가공하여 이루어진다.

상기 핫 스템핑금형은 그 사이로 예열된 블랭크가 끼워져 성형될 수 있도록 요철(凹凸)된 한 쌍의 상부금형과 하부금형이 세트로 구성되고, 측면에 별도의 보강판이 추가로 구비될 수 있다.

상기와 같은 핫 스템핑금형에 냉각채널을 설계하기 위해서는 S10단계 ~ S50단계를 거치게 된다.

S10 단계는 일정한 구간별로 핫 스템핑금형의 단면을 추출한다. 상기 핫 스템핑금형의 형태가 복잡하고 불규칙적일 경우 추출되는 단면 사이의 거리는 좁아지고, 핫 스템핑금형의 형상이 규칙적이거나 단순할 경우에는 추출되는 단면 사이 거리는 넓어질 수 있다.

상기 단면은 종단면, 횡단면을 비롯하여 어느 일 방향을 기준으로 추출된 단면에 대해 설계변수를 해석하고 최적의 냉각성능이 나타나는 설계변수를 조합하여 3차원 냉각채널을 설계할 수 있지만, 종방향 또는 횡방향을 비롯하여 각 방향별로 추출된 단면 모두에 대해 설계변수를 해석하고 최적의 냉각성능이 나타나는 설계변수를 조합하여 3차원 냉각 채널을 설계할 수 있다.

S20 단계는 상기 S10 단계에서 일정한 간격으로 추출된 각 단면에 대해 냉각채널을 설계하기 위한 설계변수를 입력하는 단계이다. 상기 설계변수는 냉각홀이 가공되는 위치 및 냉각홀의 크기 등이 해당될 수 있다.

S30 단계는 상기 S20 단계에서 선정된 설계변수에 따른 냉각효과를 추출된 각 단면별로 해석하는 단계이다. S30 단계에서 설계변수값에 따른 냉각효과를 판단하는 데 고려되어야할 사항은 냉각과정이 균일하게 진행되는지 여부와, 냉각속도가 신속히 진행되어야하는지, 냉각과정에서 핫 스템핑금형에 변형이 발생되지 않는지 여부를 판단한다.

S40 단계는 상기 S30 단계에서 해석된 최적의 설계변수값을 각 단면별로 산출하는 단계이다. 상기와 같이 핫 스템핑금형의 추출된 각 단면별로 설계변수에 따라 냉각효과를 해석하는 과정에서, 냉각과정이 가장 균일하게 진행되고, 냉각속도가 가장 신속히 진행되며, 냉각과정에서 핫 스템핑금형의 변형이 가장 적게 발생되는 설계변수 값을 최적의 설계변수 값으로 산출한다.

S50 단계는 상기 S40 단계에서 산출된 최적의 설계변수 값을 조합하여 3차원 냉각채널을 설계하는 단계이다. 상기 각 단면별로 산출된 최적의 설계변수 값은 2차원 상태이며, 상기 2차원의 최적 설계변수 값을 조합하여 3차원의 냉각채널을 설계한다.

상기와 같이 설계된 3차원 냉각채널을 핫 스템핑금형에 가공하고, 상기 냉각채널에 냉각수 이동통로가 끼워져 냉각과정을 수행하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시에 따르면, 상기 냉각채널의 설계변수는 냉각홀의 직경과, 냉각홀간의 거리와, 냉각홀과 핫 스템핑금형의 표면과의 거리를 포함한다.

상기 냉각홀의 직경과 냉각홀간의 거리는 냉각채널의 냉각성능을 좌우하는 설계변수이므로 유한요소법에 의해 최적의 냉각홀의 직경과 냉각홀간의 거리를 산출한다. 냉각속도가 낮으면 냉각홀의 직경을 키우거나 냉각홀간의 거리를 가깝도록 조정한다.

또한, 냉각홀과 핫 스템핑금형의 표면과의 거리는 금형 및 가공되는 블랭크의 표면변형 방지를 위해 설계되어야한다. 상기 냉각홀이 금형표면과 너무 가깝게 형성될 경우, 반복되는 프레스 작업에서 가해지는 충격과 갑자기 공급된 냉각수의 급랭작용으로 금형의 손상이 발생할 수 있 수 있으므로, 금형을 보호하기 위해 냉각홀과 핫 스템핑금형의 표면과의 거리를 설계변수로 선정하여 입력한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시에 따른 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법의 순서도이다.

상기 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시에 따르면, 상기 방법은 3차원 냉각채널을 설계하는 단계 이후에, CFD(Computational fluid dynamics)방식으로 냉각효과를 해석하는 단계(S60), 상기 해석 결과를 토대로 3차원 냉각채널의 설계를 수정하는 단계(S70)를 더 포함한다.

S60 단계는 CFD(Computational fluid dynamics)방식으로 냉각효과를 해석하는 단계로서, CFD(Computational fluid dynamics)는 전산 유체 역학, 수치 유체 역학을 의미하며, 상기 S50 단계에서 3차원 냉각채널이 설계되고 난 후, 상기 설계가 제대로 이루어졌는지 유체를 이용하여 시뮬레이션으로 테스트하는 과정이다.

S70 단계는 상기 S60 단계의 해석 결과를 토대로 3차원 냉각채널의 설계를 수정하는 단계로서, 냉각효율이 떨어지거나, 골고루 냉각되지 않은 구간을 선정하 여 설계를 변경하는 것이다.

상기 S70 단계는 추출된 단면 사이 거리를 더욱 조밀하게 설정하여 최적의 설계변수 값을 산출하고, 이를 조합하여 3차원 냉각채널을 설계할 수 있으며, 곧 바로 3차원 냉각채널을 수정할 수 있다.

이와 같이 설계된 제품 사양에 대해 최적화된 냉각채널이 설계되고, 또한 핫 스템핑가공으로 제조된 제품에 대한 제품 품질에 대해 해석된 다음, 핫 스템핑금형을 개발하기 위한 피드백이 이루어져야 한다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법이 구현되는 냉각채널 설계장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법의 순서도,

도 3은 본 발명의 다른 실시에 따른 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법의 순서도.

Claims (3)

1. 핫 스템핑금형을 구간별로 선정하여 각 단면을 추출하는 단계;

   냉각채널의 설계변수를 입력하는 단계;

   상기 설계변수에 따른 냉각효과를 추출된 각 단면별로 해석하는 단계;

   상기 해석 결과에서 각 단면별로 최적의 설계변수 값을 산출하는 단계;

   상기 산출된 최적의 설계변수 값을 조합하여 3차원 냉각채널을 설계하는 단계;를 포함하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 냉각채널의 설계변수는 냉각홀의 직경과, 냉각홀간의 거리와, 냉각홀과 핫 스템핑금형의 표면과의 거리를 포함하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 방법은 3차원 냉각채널을 설계하는 단계 이후에, CFD(Computational fluid dynamics)방식으로 냉각효과를 해석하는 단계;

   상기 해석 결과를 토대로 3차원 냉각채널의 설계를 수정하는 단계;를 더 포함하는 핫 스템핑금형의 냉각채널 설계방법.

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