KR20110073796A - 프레스 금형 및 이에 적용되는 용사 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형은, 제품 패널을 프레스 성형하기 위해 다이, 펀치 및 블랭크 홀더로서 구성되며, 상기 다이와 블랭크 홀더의 비드부, 및 상기 펀치의 곡면 형상부 표면에 용사 코팅막이 형성되는 것을 특징으로 한다.

프레스, 금형, 비드부, 곡면 형상부, 용사 코팅, 코팅막

Description

프레스 금형 및 이에 적용되는 용사 코팅 방법 {METALLIC PATTERN IN A PRESS AND THERMAL SPRAYING METHOD OF THE SAME}

본 발명의 예시적인 실시예는 프레스 금형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금형의 주요 손상 부위에 국부적으로 용사 코팅막을 형성하는 프레스 금형의 용사 코팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 프레스 금형은 박판 금속을 소재로 하여 이어 붙임이 없이 소성변형 등에 의하여 필요한 형상으로 성형 가공하는 금형이다.

이러한 프레스 금형 기술은 현재 전기전자 통신기기, 정밀기계, 항공기 부품, 사무기기 등 많은 분야에서 활용되고 있는 산업 기반 기술로 특히 자동차 산업의 각종 부품 생산에 널리 활용되고 있다.

현재 국내 자동차용 중대형 프레스 금형은 제조 단가 및 기간 단축을 위해 대부분 주조재로 제조되고 있으며, 금형강(주강재)에 비해 부족한 내구성을 보완하기 위해 경질 크롬 도금 기술이 적용되고 있다.

경질 크롬 도금 기술은 도금욕에 금형을 장입하는 방법으로 표면처리 공정이 이루어지는 것으로, 도금 처리 후에 금형의 모든 표면에 크롬 도금층을 형성하게 된다.

그러나, 이러한 경질 크롬 도금 기술은 전 세계적으로 심화되는 환경 규제에 따라 적용이 점차 제한되고 있으며 그 처리 비용도 점차 증가하고 있는 추세이며, 또한 타 표면 처리 방법에 비해 상대적으로 낮은 내구 성능으로 인해 요구되는 금형의 수명을 만족시키지 못하는 문제점을 가진다.

특히, 프레스 금형의 주요 응력/마모 집중 부위인 다이와 블랭크 홀더의 비드(Bead)부, 및 펀치의 곡면 형상부에서는 크롬 도금의 낮은 내마모성으로 인해 금형부 국부 손상(발청 현상)이 자주 발생하며, 이에 따른 금형 조기 보수로 인해 수리 비용의 증가 및 생산 차질 문제가 매우 심각하다.

따라서, 현재 국내 자동차 산업계에서는 기존 경질 크롬 도금의 낮은 수명과 환경 문제를 해결할 수 있는 새로운 고성능 청정 표면처리 방법에 대한 필요성이 절실하게 요구되고 있다.

일반적인 금형의 경우, 내구 수명 향상을 위한 표면 처리 방법으로는 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 이온 주입법(Ion Implantation), TD 코팅법(Toyota Diffusion) 등 다양한 방법들이 적용되고 있다.

그러나 이들은 모두 챔버(chamber)내에 금형을 장입하여야 하는 공정상의 특징으로 인하여 중량이 수 십 톤에 달하는 자동차용 중대형 프레스 금형에 적용하는 데에는 설비 및 비용 측면에서 큰 제약이 있다.

이러한 중대형 프레스 금형의 내구 수명 향상을 위한 표면처리 방법으로 용 사 코팅 기술(thermal spraying)의 적용을 고려할 수 있다. 용사 코팅 기술은 분말 또는 선재 형상의 소재를 화염, 프라즈마 등의 열원으로 가열, 가속시켜 코팅재를 형성하는 코팅 방법이다.

특히, 용사 코팅 기술은 로봇과 같은 이송장치에 장착된 용사 코팅장치의 이동을 통해 대면적에 코팅층을 형성하므로, 특정 표면 부위에만 용사 코팅막을 형성하는 것이 가능하고, 모재(금형)의 형상 및 크기에 제약이 거의 없으며, 현장 시공이 가능하다.

또한, 상기 용사 코팅 기술은 다양한 소재를 사용할 수 있어 사용 환경에 따른 코팅 특성 최적화가 용이하며, 타 표면 처리 공정에 비해 생산성이 매우 높다는 등의 장점을 가지는 친환경 표면 처리 기술로 다양한 산업 기계 부품 및 설비의 내구 수명 향상을 위해 적용되고 있는 기술이다.

그러나, 이러한 장점에도 불구하고 현재 용사 코팅 기술은 몇몇 단순 형상의 압출 다이 부품을 제외하고는 금형의 내구 수명 향상 방법으로 거의 적용되고 있지 않다. 이는 용사 코팅 기술의 우수한 성능에도 불구하고 그 공정 비용이 기존 경질 크롬 도금 기술에 비해 매우 높기 때문이다.

요약하면, 중대형 프레스 금형의 내구 향상 방법에 있어 용사 코팅 기술은 기존의 경질 크롬 도금 방법이 가지는 환경문제 및 낮은 성능 문제와 타 표면처리 기술들의 크기 제약 문제를 해결할 수 있는 방법이나 본 기술이 상업적으로 적용되기 위해서는 기존 도금 방법보다 우수한 성능을 가지면서도 경제적으로 용사 코팅 기술을 적용할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 내구 수명을 향상시키기 위해 주요 손상 부위인 다이와 블랭크 홀더의 비드부, 및 펀치의 곡면 형상부에 용사 코팅막을 국부적으로 형성하는 프레스 금형 및 이에 적용되는 용사 코팅 방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형은, 제품 패널을 프레스 성형하기 위해 다이, 펀치 및 블랭크 홀더로서 구성되며, 상기 다이와 블랭크 홀더의 비드부, 및 상기 펀치의 곡면 형상부 표면에 용사 코팅막이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 프레스 금형에 있어서, 상기 용사 코팅막은 금속, 세라믹, 및 써멧(cermet) 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 용사 코팅막은 Co, Ni, 및 Cr 중에서 선택되는 어느 하나의 금속계 기지에 WC를 포함하는 세라믹 입자가 혼합되어 이루어질 수 있다.

상기 프레스 금형에 있어서, 상기 용사 코팅막은 20~200㎛의 두께로서 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형의 용사 코팅 방법은, 다이, 펀치 및 블랭크 홀더로 이루어진 프레스 금형의 표면에 내마모성 용사 코팅을 실시하기 위한 것으로서, 분말 또는 선재 형상의 금속 소재를 열원으로서 가열 하고 가속시키며 용사 코팅재를 형성하고, 상기 다이와 블랭크 홀더의 비드부, 및 상기 펀치의 곡면 형상부 표면에 상기 용사 코팅재를 국부적으로 코팅하여 용사 코팅막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 용사 코팅 기술을 적용하여 주요 손상 부위인 다이와 블랭크 홀더의 비드부, 및 펀치의 곡면 형상부에 용사 코팅막을 국부적으로 형성하므로, 그 손상 부위의 내마모성 및 내충격성을 향상시킬 수 있다.

이로써 본 실시예에서는 응력 및 마모가 집중되는 부위의 수명을 증대시키고, 결과적으로는 전체 금형의 수명을 향상시킬 수 있게 되며, 공정 비용을 기존의 경질 크롬 도금과 동등한 수준으로 낮출 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 경질 크롬 도금을 적용하는 종래 기술과 달리, 다이, 블랭크 홀더 및 펀치의 표면에 국부적인 용사 코팅 기술이 적용되므로, 친환경적이며 금형의 크기 및 형상에 제약이 없고, 경제적이면서도 중대형 프레스 금형의 내구 수명을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 와이어 프레스 금형을 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형(100)은 금속 박판을 소재로 하여 이어 붙임이 없이 금속의 소성 변형을 이용하여 그 금속 박판을 필요한 형상으로 성형 가공하기 위한 것이다.

이러한 프레스 금형(100)은 제품 패널을 프레스 성형하기 위한 것으로서, 다이(10), 블랭크 홀더(20), 및 펀치(30)로서 구성되어 그 제품 패널을 가압 성형하게 된다.

여기서, 상기 다이(10) 및 블랭크 홀더(20)에는 비드부(11, 21)를 형성하고 있으며, 펀치(30)의 하단부에는 곡면 형상부(31)를 형성하고 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 프레스 금형(100)은 작동 시, 주요 응력 및 마모가 집중적으로 이루어지는 다이(10)와 블랭크 홀더(20)의 비드부(11, 21), 및 펀치(30)의 곡면 형상부(31)에 용사 코팅막(50)을 형성하고 있다.

본 실시예에서, 상기 용사 코팅막(50)은 금형의 내구 수명을 향상시키기 위한 것으로서 용사 코팅 기술을 통해 상기한 비드부(11, 21) 및 곡면 형상부(31)에 국부적으로 형성되는데, 이러한 용사 코팅 기술은 분말 또는 선재 형상의 소재를 화염, 플라즈마 등의 열원으로 가열하고 가속시켜 코팅재를 비드부(11, 21) 및 곡면 형상부(31)에 코팅하는 것이다.

이 경우, 상기 용사 코팅막(50)은 금속, 세라믹, 및 써멧(cermet) 등 모든 종류의 소재가 가능하나 내마모성은 물론 금형의 사용 중 반복되는 충격에 견딜 수 있는 내충격 특성을 고려할 때, Co, Ni, 및 Cr 등의 금속계 기지에 WC 등의 세라믹 입자를 혼합하여 내마모성 및 내충격성을 겸비한 써멧계 코팅재로서 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 용사 코팅막(50)은 금형의 요구되는 특성 및 사용 환경을 고려할 때 20~200㎛의 두께로서 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 용사 코팅막(50)이 20㎛ 미만으로서 얇게 코팅된 경우는 응력이 집중되고 마모가 이루어지는 비드부(11, 21)와 곡면 형상부(31)의 내마모성을 충족시키기가 어렵게 되며, 용사 코팅막(50)이 200㎛를 초과하여 두껍게 코팅된 경우는 프레스 충격에 의해 그 코팅막이 깨지는 등 내충격성이 저하될 수 있다.

이하, 상기에서와 같은 용사 코팅막(50)을 형성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형의 용사 코팅 방법을 앞서 도시한 도면과 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 본 실시예에서는 프레스 금형의 형상 가공 후, 용사 코팅이 적용될 다이(10)와 블랭크 홀더(20)의 비드부(11, 21), 및 펀치(30)의 곡면 형상부(31)를 쇼트볼 등을 이용하여 블라스팅 전처리 한다(S1 단계).

이와 같은 블라스팅 전처리 작업은 금형 표면의 조도를 크게 하여 용사 코팅재의 접착력을 증대시키기 위한 것이다. 이 때, 용사 코팅이 적용되지 않는 금형의 표면은 별도의 마스크를 적용하여 그 표면부를 보호하는 것이 바람직하다.

이어서, 블라스팅 전처리가 완료된 비드부(11, 21)와 곡면 형상부(31)에 앞서 설명한 바와 같은 용사 코팅 기술을 적용하여 용사 코팅막(50)을 형성하는데(S2 단계), 로봇과 같은 이송장치를 이용하거나 수작업에 의하여 비드부(11, 21)와 곡면 형상부(31)에만 용사 코팅을 실시하여 그 비드부(11, 21) 및 곡면 형상부(31)의 표면에 용사 코팅막(50)을 형성한다.

다음, 상기 비드부(11, 21)와 곡면 형상부(31)에 용사 코팅막(50)을 형성하고 나면, 금형에서 요구되는 표면 조도를 확보하기 위해 그 용사 코팅막(50)의 연마 후처리를 실시한다(S3 단계).

여기서, 상기 연마 후처리는 기존 프레스 금형의 사상 연마 작업에서 사용되는 연마재 및 도구를 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형(100)에 의하면, 용사 코팅 기술을 적용하여 주요 손상 부위인 다이(10)와 블랭크 홀더(20)의 비드부(11, 21), 및 펀치(30)의 곡면 형상부(31)에 용사 코팅막(50)을 국부적으로 형성하므로, 그 손상 부위의 내마모성 및 내충격성을 향상시킬 수 있다.

이로써 본 실시예에서는 응력 및 마모가 집중되는 부위의 수명을 증대시키고, 결과적으로는 전체 금형의 수명을 향상시킬 수 있게 되며, 공정 비용을 기존의 경질 크롬 도금과 동등한 수준으로 낮출 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 경질 크롬 도금을 적용하는 종래 기술과 달리, 금형 표면에 국부적인 용사 코팅 기술이 적용되므로, 친환경적이며 금형의 크기 및 형상에 제약이 없고, 경제적이면서도 중대형 프레스 금형의 내구 수명을 향상시킬 수 있게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프레스 금형의 용사 코팅 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

Claims (4)

1. 제품 패널을 프레스 성형하기 위해 다이, 펀치 및 블랭크 홀더로서 구성되는 프레스 금형에 있어서,

   상기 다이와 블랭크 홀더의 비드부, 및 상기 펀치의 곡면 형상부 표면에 용사 코팅막이 형성되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 용사 코팅막은 금속, 세라믹, 및 써멧(cermet) 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 이루어지며, 20~200㎛의 두께로서 형성되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 용사 코팅막은 Co, Ni, 및 Cr 중에서 선택되는 어느 하나의 금속계 기지에 WC를 포함하는 세라믹 입자가 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레스 금형.
4. 다이, 펀치 및 블랭크 홀더로 이루어진 프레스 금형의 표면에 내마모성 용사 코팅을 실시하기 위한 프레스 금형의 용사 코팅 방법에 관한 것으로서,

   분말 또는 선재 형상의 금속 소재를 열원으로서 가열하고 가속시키며 용사 코팅재를 형성하고,

   상기 다이와 블랭크 홀더의 비드부, 및 상기 펀치의 곡면 형상부 표면에 상기 용사 코팅재를 국부적으로 코팅하여 용사 코팅막을 형성하는 프레스 금형의 용사 코팅 방법.

Images