KR20110081706A - 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판재(blank)를 정해진 형상의 성형물로 성형하게 되는 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법을 제공한다. 특히 본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법은 차체부품의 제조에 적용되어 고온 조건에 의한 높은 연신율의 구현으로 차체부품의 성형성 및 치수정밀도가 증대되도록 하는 동시에 높은 인장강도의 구현으로 차체부품의 두께를 줄일 수 있어 차량의 경량화를 획득할 수 있도록 한다. 이와 같은 본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법은 금형을 이루는 상형과 하형에 해당되는 제1금형체와 제2금형체 표면 가장자리 둘레를 따라 둘레단과 돌출단이 형성되어 판재의 가장자리 부위가 둘레단과 돌출단에 의해 구속되도록 함으로써 정해진 형상으로 성형되는 판재가 판재의 표면 방향으로 인장력을 받을 수 있게 되어 인장효과에 의해 판재의 가장자리 부위의 소성유동이 제어되어 주름의 형성 없이 판재가 정해진 형상으로 프레스성형되도록 하는 것이다. 이에 따라, 플랜지(flange)가 형성된 성형물을 프레스가공으로 성형할 시 열간 프레스 성형을 포함하는 종래의 프레스 성형에서 성형물의 플랜지에 주름이 지게 되는 것과 달리 본 발명에서는 주름이 지지 않게 되어 성형물의 품질이 향상되고, 불량률이 낮아지게 되는 것이다.
이와 같이 본 발명은 단순한 구성의 금형구조를 통해서도 판재가 성형물로 성형되는 과정에서 주름이 발생되지 않도록 하게 된다.
본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형은 제1금형체와, 제2금형체를 포함한다. 제1금형체는 일측 표면 중앙부에 성형물의 형상에 대응하는 성형단이 돌출형성되고, 성형단으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 성형단을 둘러싸는 둘레단이 돌출형성된 것이다. 제2금형체는 일측 표면에 중앙부에 상기 제1금형체의 성형단에 대응하는 성형홈이 형성되고, 성형홈으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 제1금형체의 둘레단에 대응하는 둘레홈이 형성되어 성형홈과 둘레홈 사이에 돌출단이 형성되도록 하는 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 주름방지용 금형은 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 판재의 가장자리 부위가 제1금형체의 둘레단 내주면과 제2금형체의 돌출단 외주면 사이에 끼워져 구속되도록 하고, 판재의 중앙부는 제1금형체의 성형단과 제2금형체의 성형홈 사이에 고정되도록 하여 판재의 표면 방향으로 판재가 인장력을 받으면서 프레스 성형되도록 함에 따라 주름의 형성이 방지되면서 상기 판재가 상기 성형물로 가공되도록 하게 된다.

Description

프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법{Mold for wrinkles prevention using press molding and hot press molding method using the same}

본 발명은 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 판재(blank)의 가장자리 부위가 구속되면서 프레스 성형시 판재의 가장자리 부위로의 소재유입량이 제어되는 동시에 판재의 소성유동도 제어되어 주름의 형성 없이 판재가 정해진 형상으로 프레스성형될 수 있도록 하는 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법에 관한 것이다.

각종 소재를 가공하기 위한 다양한 기계가공법이 현재 산업현장에서 활용되고 있는데, 기계가공법의 하나인 프레스 성형은 판재(blank)를 정해진 형상의 성형물로 가공하기 위하여 프레스를 사용하게 되는 것으로, 현재 산업현장에서 많이 활용되고 있다.

이와 같은 프레스성형은 상하방향으로 배열되는 상형과 하형으로 이루어지는 금형이 프레스에 설치되고, 프레스의 상형과 하형 사이로 판재를 이송시키며, 프레스에 설치된 상형과 하형 사이에 위치된 판재를 금형으로 스탬핑함으로써 판재가 정해진 형상의 성형물로 가공되도록 하게 된다.

한편, 프레스 성형은 드로우 타입(draw type) 프레스 성형과 폼 타입(form type) 프레스 성형을 포함하는 다양한 방법으로 구현될 수 있다.

드로우 타입 프레스 성형은 드로잉용 다이가 형성된 하형의 가장자리 부위 둘레를 따라 블랭크 홀더가 설치되도록 한 후, 드로잉용 펀치가 형성된 상형을 하강하여 상형과 하형 사이에 위치한 판재가 드로잉용 펀치와 블랭크 홀더 사이에서 일정크기의 힘으로 바인딩된 상태에서 상형이 하사점까지 하강함으로써 판재가 정해진 형상의 성형물로 성형되도록 하는 것이다.

폼 타입 프레스 성형은 도 1에서와 같이 금형(100')을 이루는 상형(20')과 하형(40') 이외에 상형 패드(60')가 더 구비되어 도 2에서와 같이 상형(20')과 하형(40') 사이에 위치한 판재(1)의 중앙부가 상형(60')의 하강에 따른 상형 패드(60')의 하강으로 상형 패드(60')와 하형(40') 사이에서 일정 크기의 힘으로 바인딩된 후에 상형(20')이 하사점까지 하강하면서 판재(1)가 정해진 형상의 성형물로 성형되도록 하는 것이다.

여기서, 상기 드로우 타입 프레스 성형의 경우 판재의 가장자리 부위가 드로잉용 펀치와 블랭크 홀더에 의해 강한 힘으로 고정된 상태에서 성형이 이루어짐에 따라 판재가 복잡한 형상의 성형물로 성형되더라도 성형물에 주름이 발생되는 현상이 방지될 수 있었으나, 상기 폼 타입 프레스 성형의 경우 판재의 가장자리 부위가 구속되지 않음에 따라 성형과정에서 주름이 발생되는 문제점이 있었다.

이를 개선하여 성형과정에서 성형물에 주름이 발생되지 않도록 하기 위한 금형과 관련한 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0807213호 "포밍금형의 주름방지 성형방법 및 금형구조", 공개특허공보 공개번호 제10-2007-0059647호 "프레스 금형의 성형장치 및 성형방법" 등이 안출되어 있다.

상기 "포밍금형의 주름방지 성형방법 및 금형구조"는 상부금형과 하부금형으로 이루어지고, 하부금형에는 스프링에 지지되면서 하부금형에 구성하여 성형작동 전에 상승되어 있는 하부패드를 구성하는 금형에 있어서, 상부금형에는 스프링에 지지되면서 아래로 돌출되는 상부패드를 구성하고, 상부패드의 하단 일측에는 성형작업이 이루어지기 전부터 성형이 완료되기까지 소재의 일측을 직접 눌러주도록 압박부를 구성하며, 이러한 상부패드의 압박부는 하부금형에 고정되는 하-인서트스틸의 상면 일부와 맞닿도록 구성하되, 압박부의 저면과 하-인서트스틸의 상면은 성형되는 제품의 상절곡부가 갖는 각도 및 형태와 동일한 각도 및 형태를 갖도록 구성하고, 하-인서트스틸의 상면은 압박부의 저면보다 제품의 수직부 쪽으로 좀 더 길게 돌출되도록 구성하며, 상기 하-인서트스틸의 상면에서 압박부와 마찰되지 않는 부분과 하-인서트스틸의 측면은 상부금형에 고정되는 상-인서트스틸의 측면과 형상이 일치되면서 제품의 상절곡부 및 수직부를 성형하도록 구성하며, 상기 상-인서트스틸의 하면과 하부패드의 상면은 성형된 제품의 하절곡부가 갖는 각도 및 형태와 동일한 형태와 각도를 갖도록 구성하는 것을 특징으로 하는 포밍금형의 주름방지 금형구조를 제공한다.

그리고, 상기 "프레스 금형의 성형장치 및 성형방법"은 상형과 하형 사이에 소재를 위치시켜 소재에 플랜지부가 형성되게 제품을 성형하는 프레스 금형에 있어서, 상기 하형에 형성된 수용공간부에는 상기 플랜지부를 받치면서 상하로 이동하는 블랭크 홀더가 설치되고, 상기 블랭크 홀더의 상측에는 상기 플랜지부를 누르면서 상하로 이동하는 한편 좌우방향으로 슬라이딩하는 슬라이딩 다이가 설치되되, 상기 하형의 수용공간부의 일측내벽에는 상기 소재의 측벽에 스텝부를 형성하는 단턱이 형성되고, 상기 슬라이딩 다이의 일측에는 상기 단턱에 대응하는 대응단턱이 형성되며, 상기 하형의 수용공간부의 타측내벽에는 상기 슬라이딩 다이를 좌우방향으로 안내하는 경사 안내부가 구비되고, 상기 슬라이딩 다이의 타측에는 상기 경사 안내부를 따라 미끄러지면서 슬라이딩 다이와 함께 좌우방향으로 이동하는 대응 경사 안내부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 프레스 금형의 성형장치를 제공한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 주름방지용 금형은 드로우 타입 프레스 성형에 사용되는 블랭크 홀더를 금형에 적용시킨 것으로, 금형의 구성이 복잡해지는 문제점과 함께 제조공정이 번거로워지는 문제점을 동시에 안고 있었으므로, 이에 대한 개선이 요구되고 있는 실정이라 하겠다.

한편, 차량을 이루는 차체(chassis)의 구성요소들은 강(steel) 소재의 판재(blank)가 프레스 성형에 의해 제조되는 것이 일반적인데, 충돌시의 차량 안정성이나 연료소모량의 절감 등을 위해 높은 강도/강성을 가지면서도 얇은 두께로 제조되어 차량을 경량화시킬 수 있는 차체 제조기술의 개발이 요구되고 있는 실정이었다.

이를 위하여, TRIP강, DP강, 알루미늄/마그네슘 합금 강 등으로 된 소재의 판재를 사용하거나, 재단용접블랭크(Tailer Weided Blank:TWB) 공정, 하이드로 포밍(Hydro Forming) 공정, 핫스탬핑(Hot Stamping) 공정 등을 적용하여 차체를 제조하는 기술들이 개발되어 사용되고 있다.

그러나, TRIP강, DP강과 같은 고강도 강판은 낮은 연신률(elongation)과 높은 항복강도를 가짐에 따라 차체로 성형할 시 소재의 째짐, 크랙의 발생, 낮은 치수정밀도, 성형 후의 잔류응력에 의한 스프링백(springback) 현상의 발생 등으로 성형성이 떨어지는 문제점이 있었으며, 이를 개선하기 위해서는 높은 성형기술이 요구되는 문제점이 있었다.

그리고, 알루미늄/마그네슘 합금 강판을 차체의 소재로 사용하는 경우 일반 강판에 비해 차체 중량을 감소시키는 효과는 가지고 있으나, 고가 소재로 인하여 제조비용이 증대되는 문제점과 상온 조건에서 낮은 성형성을 가지는 소재특성에 의해 높은 성형기술이 요구되는 문제점이 있었다.

한편, 도 3에는 핫스탬핑 공정의 실시예가 도시되어 있는데, 이와 같은 핫스탬핑 공정은 열처리성을 증대시키기 위하여 붕소(boron)이나 망간 등을 첨가한 강(steel) 소재의 판재(blank)(1)를 코일(3) 형태로 구비하여 절단설비(4)를 사용하여 정해진 크기로 절단하고, 절단된 판재(1)를 오븐(oven)이나 가열로(furnace)와 같은 가열설비(5)에 장입한 후 Ac3변태점 이상의 온도로 가열하여 강 소재의 판재(1)가 완전 오스테나이트(Austenite)화되도록 한 다음, 판재(1)를 곧바로 프레스(6)의 금형(100')으로 이송시켜 스탬핑에 의해 성형되도록 하는 동시에 닫힌 금형 내부에 판재가 정해진 압력을 받으며 위치된 상태에서 냉각시스템(7)을 이용하여 급랭(quenching)시켜 고강도의 마르텐사이트(Martensite)로 변태시키는 공법이다.

이와 같은 핫스탬핑 공정은 소재과 성형물의 특성에 따라 다양한 프로세스를 가질 수 있으며, 도 3에서와 같이 디스케일링(descaling) 설비(7)를 구비하여 제조과정에서 성형물 표면에 형성되는 산화철(scale)를 제거하는 프로세스를 가질 수도 있다.

이와 같은 핫스탬핑 공정에 의해 제조되는 차체는 마르텐사이트 조직을 가짐에 따라 1500MPa 이상의 높은 인장강도를 가지게 되어 얇은 두께로 차체를 성형할 수 있으므로 차체의 경량화를 도모할 뿐만 아니라, 고온 조건에서 성형됨에 따라 높은 연신율을 가지게 되고, 닫힌 금형의 내부에 판재가 구속된 상태에서 성형과 동시에 냉각이 이루어짐에 따라 스프링백 현상이 방지되는 한편 치수정밀도가 향상되는 효과를 가지게 되어 높은 성형성을 가지게 된다.

그런데, 차체를 이루는 센터 필라(center pillar)를 포함한 프론트 필라(front pillar), 리어 필라(rear pillar) 등의 구성요소들은 다양한 굴곡면을 포함하는 복잡한 형상으로 이루어지는 한편, 끝단부 둘레를 따라 플랜지(flange)가 형성되어 있는데, 이에 따라 상기와 같은 핫스탬핑 공정을 적용하게 되더라도 종래의 드로잉 타입 프레스 성형/폼 타입 프레스 성형에 사용되는 금형을 사용하게 될 경우 도 4에서와 같이 여전히 성형물(2)의 플랜지(2a) 부위에 주름이 발생되는 문제점이 있었으므로, 이에 대한 개선이 요구되고 있는 실정이라 하겠다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 금형을 이루는 상형과 하형에 해당되는 제1금형체와 제2금형체 표면 가장자리 둘레를 따라 둘레단과 돌출단이 형성되어 판재의 가장자리 부위가 둘레단과 돌출단에 의해 구속되도록 함으로써 정해진 형상으로 성형되는 판재가 판재의 표면 방향으로 인장력을 받을 수 있게 되어 인장효과에 의해 판재의 가장자리 부위의 소성유동이 제어되어 주름의 형성 없이 판재가 정해진 형상으로 프레스성형할 수 있는 새로운 형태의 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 차체부품의 열간 프레스 성형에 적용되어 성형성 및 치수정밀도가 증대되는 동시에 높은 인장강도를 가지는 차체부품이 주름의 형성 없이 제조될 수 있도록 하여 불량률을 최소화시키고, 생산성을 증대시킬 수 있는 새로운 형태의 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 단순한 구성의 금형구조를 통해서도 판재가 성형물로 성형되는 과정에서 주름이 발생되지 않도록 할 수 있는 새로운 형태의 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 판재(blank)를 정해진 형상의 성형물로 프레스성형하기 위한 금형에 있어서, 일측 표면 중앙부에 상기 성형물의 형상에 대응하는 성형단이 돌출형성되고, 상기 성형단으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 성형단을 둘러싸는 둘레단이 돌출형성되는 제1금형체와; 일측 표면에 중앙부에 상기 제1금형체의 성형단에 대응하는 성형홈이 형성되고, 상기 성형홈으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 제1금형체의 둘레단에 대응하는 둘레홈이 형성되어 상기 성형홈과 둘레홈 사이에 돌출단이 형성되도록 하는 제2금형체를 포함하여, 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재의 가장자리 부위는 상기 제1금형체의 둘레단 내주면과 상기 제2금형체의 돌출단 외주면 사이에 끼워져 구속되도록 하고, 상기 판재의 중앙부는 상기 제1금형체의 성형단과 상기 제2금형체의 성형홈 사이에 고정되도록 하여 상기 판재의 표면 방향으로 상기 판재가 인장력을 받으면서 프레스 성형되도록 함에 따라 주름의 형성이 방지되면서 상기 판재가 상기 성형물로 가공되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형에서 상기 제2금형체는 상기 성형홈을 상하방향으로 관통하는 관통홀이 형성되도록 하되, 상기 제2금형체의 관통홀 상에 설치되고, 패드용 스프링에 고정되어 탄성력을 전달받게 되는 고정패드가 더 구비되어 상기 제1금형체, 제2금형체 및 고정패드가 폼 타입(form type) 프레스 성형에 적용되도록 하여, 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재가 상기 제1금형체의 성형단과 상기 고정패드 사이에서 상기 패드용 스프링의 탄성력에 의해 유도되는 압력을 받으며 고정되어 상기 제1금형체와 제2금형체에 의해 프레스 성형되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 강(steel) 소재로 된 판재(blank)를 정해진 형상의 성형물로 열간 프레스 성형하기 위한 방법에 있어서, 일측 표면 중앙부에 상기 성형물의 형상에 대응하는 성형단이 돌출형성되고 상기 성형단으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 성형단을 둘러싸는 둘레단이 돌출형성되는 제1금형체와, 일측 표면에 중앙부에 상기 제1금형체의 성형단에 대응하는 성형홈이 형성되고 상기 성형홈으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 제1금형체의 둘레단에 대응하는 둘레홈이 형성되어 상기 성형홈과 둘레홈 사이에 돌출단이 형성되도록 하는 제2금형체를 상하방향으로 서로 이격되게 프레스에 배치하고, 상기 제2금형체의 성형홈을 상하방향으로 관통하는 관통홀 상에 설치되어 패드용 스프링과 결합되면서 탄성력을 전달받게 되는 고정패드가 배치되는 단계와; 상기 판재의 오스테나이트(austenite)화 온도까지 상기 판재를 가열한 후 상기 프레스로 이송하여 서로 이격된 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 배치하는 단계와; 상기 고정패드가 이동하여 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재가 상기 제1금형체의 성형단과 상기 고정패드 사이에서 정해진 압력을 받으며 고정되는 단계와; 상기 프레스의 작동에 따라 상기 제1금형체와 제2금형체 사이 간격이 좁혀지면서 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재의 가장자리 부위가 상기 제1금형체의 둘레단 내주면과 상기 제2금형체의 돌출단 외주면 사이에 끼워져 상기 판재의 표면 방향으로 상기 판재가 인장력을 받아 주름의 형성이 방지되면서 정해진 형상의 성형물로 프레스성형되는 단계와; 상기 제1금형체와 제2금형체 내부에 설치되는 냉각장치에 의해 서로 맞물리는 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치한 상기 성형물이 담금질(quenching)되면서 상기 성형물을 이루는 강 소재가 마르텐사이드(martensite)화되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법에 의하면, 판재(blank)의 가장자리 부위가 구속되면서 프레스성형이 이루어짐에 따라 판재의 소성유동이 제어되어 주름의 형성 없이 판재가 정해진 형상으로 프레스성형되어 불량률이 최소화되고, 제조 생산성이 향상되는 효과를 가지게 된다.

그리고, 본 발명은 차체부품의 제조에 적용되어 고온 조건에 의한 높은 연신율의 구현으로 차체부품의 성형성 및 치수정밀도가 증대되도록 하는 동시에 높은 인장강도의 구현으로 차체부품의 두께를 줄일 수 있어 차량의 경량화를 획득할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 금형구조가 단순화되어 금형의 내구성이 증대되는 한편, 금형의 유지보수작업이 용이하게 이루어질 수 있게 된다.

도 1은 종래 폼 타입 프레스 성형에 사용되는 금형을 보여주기 위한 도면;
도 2는 종래 폼 타입 프레스 성형 공정을 보여주기 위한 도면;
도 3은 열간 프레스 성형 공정을 보여주기 위한 도면;
도 4는 종래 열간 프레스 성형방법에 의해 제조된 센터 필라의 플랜지 부위에 주름이 형성된 상태를 보여주기 위한 도면;
도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 주름방지용 금형을 보여주기 위한 도면;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 주름방지용 금형의 사용 상태를 보여주기 위한 도면;
도 7은 본 발명에 따른 열간 프레스 성형방법의 공정을 보여주기 위한 도면;
도 8은 본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법에 의해 제조된 센터 필라의 플랜지 부위에 주름이 형성이 최소화된 상태를 보여주기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 주름방지용 금형(100)은 판재(blank)를 정해진 형상의 성형물로 성형하게 되는 프레스성형에 적용되도록 프레스에 설치되는 것으로, 특히 핫스탬핑 공정을 포함하는 열간 프레스 성형에 적용되어 주름의 발생이 없이 판재(blank)가 정해진 형상의 성형물로 성형될 수 있도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형을 사용한 열간 프레스 성형방법은 센터 필라(center pillar), 프론트 필라(front pillar), 리어 필라(rear pillar) 등과 같이 다양한 굴곡면을 포함하는 형상으로 이루어지고, 플랜지(flange)가 끝단부 둘레를 따라 형성된 차체(chassis) 부품의 핫스탬핑 제조공정에 적용되어 고온 조건에 의한 높은 연신율의 구현으로 차체부품의 성형성 및 치수정밀도를 증대시키고, 높은 인장강도의 구현으로 차체부품의 두께를 줄여 차량의 경량화를 도모할 뿐만 아니라, 플랜지 부위에 주름이 발생되지 않아 불량 없이 차체 부품을 제조할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형(100) 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법은 금형(100)을 이루는 상형과 하형에 해당되는 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 표면 가장자리 둘레를 따라 둘레단(24)과 돌출단(46)이 형성되어 판재(1)의 가장자리 부위가 둘레단(24)과 돌출단(46)에 의해 구속되도록 하는 한편, 판재(1)의 중앙부는 제1금형체(20)의 성형단(22)과 제2금형체(40)의 성형홈(42) 사이에 고정되도록 하여 판재(1)의 표면 방향으로 판재(1)가 인장력을 받으면서 프레스 성형되도록 하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이에 따라, 정해진 형상으로 성형되는 판재(1)가 판재(1)의 표면 방향으로 인장력을 받을 수 있게 되어 인장효과에 의해 판재(1)의 가장자리 부위의 소성유동이 제어되어 주름의 형성 없이 판재가 정해진 형상으로 프레스성형되는 것이다.

이로써, 플랜지(flange)(2a)가 형성된 성형물(2)을 프레스가공으로 성형할 시 열간 프레스 성형을 포함하는 종래의 프레스 성형에서 성형물의 플랜지에 주름이 지게 되는 것과 달리 본 발명에서는 주름이 지지 않게 되어 성형물의 품질이 향상되고, 불량률이 낮아지게 되는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 5 내지 도 8에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 금형 또는 주름방지용 금형 및 핫스탬핑 공정을 포함하는 열간 프레스 성형방법으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.

도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 주름방지용 금형을 보여주기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 주름방지용 금형의 사용 상태를 보여주기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 열간 프레스 성형방법의 공정을 보여주기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법에 의해 제조된 센터 필라의 플랜지 부위에 주름이 형성이 최소화된 상태를 보여주기 위한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형(100)은 폼 타입(form type) 프레스 성형에 적용되는 것으로, 도 5와 도 6에서와 같이 제1금형체(20), 제2금형체(40) 및 고정패드(60)를 포함한다.

여기서, 제1금형체(20)와 제2금형체(40)는 금형(100)의 상형과 하형에 해당되는 것으로, 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 중의 어느 하나가 금형(100)의 상형에 해당되어 하강하게 되고, 나머지 어느 하나는 금형(100)의 하형에 해당되어 고정된 상태에서 하강하는 상형과 맞물리게 된다.

제1금형체(20)는 일측 표면 중앙부에 성형물(2)의 형상에 대응하는 성형단(22)이 돌출형성되어 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치하게 되는 판재(1)의 프레스 성형을 유도하게 된다.

이와 같은 제1금형체(20)는 성형단(22)으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 성형단(22)을 둘러싸는 둘레단(24)이 돌출형성되도록 한다. 이에 따라 제1금형체(20)의 성형단(22)과 둘레단(24) 사이에는 요홈(26)이 형성되게 된다.

이와 같은 둘레단(24)은 판재(1)의 크기와 형상 및 판재(1)로부터 성형되는 성형물의 크기와 형상에 대응하는 형상과 크기를 가지도록 한다.

제2금형체(40)는 일측 표면에 중앙부에 제1금형체(20)의 성형단(22)에 대응하는 성형홈(42)이 형성된 것으로, 이에 따라 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치되는 판재(1)는 프레스의 스탬핑 동작에 따라 제1금형체(20)의 성형단(22)과 제2금형체(40)의 성형홈 사이에서 정해진 형상으로 성형되게 된다.

이와 같은 제2금형체(40)는 성형홈(42)으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 제1금형체(20)의 둘레단(24)에 대응하는 둘레홈(44)이 형성되도록 한다, 이에 따라 제2금형체(40)의 성형홈(42)과 둘레홈(44) 사이에 돌출단(46)이 형성되게 된다.

여기서, 제2금형체(40)는 성형홈(42)을 상하방향으로 관통하는 관통홀(48)이 형성되어 고정패드(60)가 설치될 수 있도록 한다.

고정패드(60)는 상기와 같이 제2금형체(40)의 성형홈(42) 상에 설치되는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 고정패드(60)는 제2금형체(40)에 일단부가 고정된 패드용 스프링(80')의 타단부에 고정되어 탄성력을 전달받게 된다.

이에 따라, 제2금형체(40)의 상하방향 이동에 따라 고정패드(60)가 이동하게 되면서, 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치하게 되는 판재(1)가 제1금형체(20)의 성형단(22)과 고정패드(60) 사이에서 패드용 스프링(80')의 탄성력에 의해 유도되는 압력을 받으며 고정되는데, 이와 같이 제1금형체(20)의 성형단(22)과 고정패드(60)에 의해 고정된 상태에서 판재(1)는 제1금형체(20)와 제2금형체(40)에 의해 프레스 성형되게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 주름방지용 금형(100)은 도 6에서와 같이 제1금형체(20)의 성형단(22)과 제2금형체(40)의 성형홈(42), 제1금형체(20)의 둘레단(24)과 제2금형체(40)의 돌출단(46)이 각각 서로 짝을 이루면서 판재(1)를 구속시키게 되는데, 제1금형체(20)의 성형단(22)과 제2금형체(40)의 성형홈(42)은 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치하게 되는 판재(1)의 중앙부를 구속시키게 되고, 제1금형체(20)의 둘레단(24)과 제2금형체(40)의 돌출단(46)은 판재(1)의 가장자리 부위를 구속시키게 된다.

즉, 프레스의 스탬핑 동작에 따라 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치하게 되는 판재(1)의 가장자리 부위는 제1금형체(20)의 둘레단(24) 내주면과 제2금형체(40)의 돌출단(46) 외주면 사이에 끼워져 구속되도록 하는 동시에, 판재(1)의 중앙부는 제1금형체(20)의 성형단(22)과 제2금형체(40)의 성형홈(42) 사이에 고정되게 되는 것이다.

이에 따라, 판재(1)는 판재(1)의 표면 방향으로 인장력을 받으면서 프레스 성형되어 인장효과에 의해 판재(1)의 가장자리 부위의 소성유동이 제어되어 주름의 형성이 방지되면서 판재(1)가 성형물(2)로 가공될 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 주름방지용 금형을 사용한 열간 프레스 성형방법은 강(steel) 소재로 된 판재(1)를 핫스탬핑 제조공정으로 정해진 형상의 성형물로 성형하기 위한 것으로, 이를 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 판재(1)의 성형이 이루어지는 프레스에 본 발명에 따른 제1금형체(20)와, 제2금형체(40) 및 고정패드(60)를 설치하게 된다.

여기서 제1금형체(20)과 제2금형체(40)는 금형의 하형과 상형에 각각 해당되는 것으로, 제1금형체(20)는 프레스의 볼스터(bolster)에 고정되어 정위치를 유지하게 되고, 제2금형체(40)는 프레스의 슬라이드에 고정되어 슬라이드와 일체로 상하방향으로 이동하면서 스탬핑 동작을 수행하게 된다.

또한, 고정패드(60)는 제2금형체(40)의 성형홈(42) 상에 상하방향으로 설치되는 것으로, 제2금형체(40)에 일단부가 고정된 패드용 스프링(80')의 타단부에 고정되어 하측 방향으로 탄성력을 부여하게 된다.

다음으로, 강 소재로 된 판재(1)의 오스테나이트(austenite)화 온도까지 판재(1)를 가열한 후, 조직이 오스테나이트화된 판재(1)를 곧바로 프레스로 이송하여 서로 이격된 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 배치하게 된다.

그리고, 제2금형체(40)를 하강시키게 되는데, 제2금형체(40)의 하강에 따라 제2금형체(40)에 고정된 고정패드(60)가 하강하게 되면서 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치하게 되는 판재(1)가 제1금형체(20)의 성형단(22)과 고정패드(60) 사이에서 고정되도록 하는데, 고정패드(60)는 패드용 스프링(80')으로부터 탄성력을 전달받아 판재(1)를 가압하면서 고정시킬 수 있게 된다.

이와 같이 판재(1)가 제1금형체(20)의 성형단(22)과 고정패드(60)에 의해 고정된 상태에서 제2금형체(40)의 하강에 의한 스탬핑 동작이 수행되어 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이 간격이 좁혀지면서 판재(1)가 프레스 성형되게 된다.

이 과정에서 판재(1)의 가장자리 부위는 제1금형체(20)의 둘레단(24) 내주면과 제2금형체(40)의 돌출단(46) 외주면 사이에 끼워지고 되고, 판재(1)의 중앙부는 상기에서와 같이 제1금형체(20)의 성형단(22)과 고정패드(60)에 의해 고정됨에 따라 판재(1)의 표면 방향으로 판재(1)가 인장력을 받게 되는데, 이로써 인장효과에 의해 판재(1)의 가장자리 부위의 소성유동이 제어되어 판재(1)는 주름의 형성이 방지되면서 도 8에서와 같이 정해진 형상의 성형물(2)로 성형되게 된다.

그리고, 상기와 같이 제2금형체(40)의 스탬핑 동작에 의해 서로 맞물리게 된 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치한 판재(1)가 정해진 형상의 성형물로 성형되면, 성형물이 서로 맞물린 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 사이에 위치한 상태를 유지하면서 담금질(quenching)되도록 하는데, 이는 제1금형체(20)와 제2금형체(40) 내부에 설치되는 냉각장치에 의해 이루어지게 된다. 이와 같은 담금질에 의해 성형물을 이루는 강 소재가 마르텐사이드(martensite)화되면서 성형물은 높은 인장강도를 가질 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명의 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형을 사용한 열간 프레스 성형방법을 센터 필라(center pillar), 프론트 필라(front pillar), 리어 필라(rear pillar) 등과 같이 다양한 굴곡면을 포함하는 형상으로 이루어지고, 플랜지(flange)가 끝단부 둘레를 따라 형성된 차체(chassis) 부품의 핫스탬핑 제조공정에 적용될 수 있는데, 이와 같이 차체 부품의 핫스탬핑 제조공정에 본 발명의 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형을 사용한 열간 프레스 성형방법이 적용되면, 고온 조건에 의한 높은 연신율의 구현으로 차체부품의 성형성 및 치수정밀도를 증대시킬 수 있게 되고, 높은 인장강도의 구현으로 차체부품의 두께를 줄여 차량의 경량화를 도모할 수 있으며, 특히 차체부품의 플랜지 부위에 주름이 발생되지 않아 불량 없이 차체 부품을 제조할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형 및 그를 사용한 열간 프레스 성형방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

1 : 판재 2 : 성형물
2a : 플랜지 3 : 코일
4 : 절단설비 5 : 가열설비
6 : 프레스 7 : 냉각시스템
8 : 디스케일링 설비
20' : 상형 40' : 하형
60' : 상형 패드 80' : 패드용 스프링
100' : 금형 20 : 제1금형체
22 ; 성형단 24 : 둘레단
26 : 요홈 40 : 제2금형체
42 : 성형홈 44 : 둘레홈
46 : 돌출단 48 : 관통홀
60 : 고정패드 62 : 패드용 스프링
100 : 주름방지용 금형

Claims (3)

1. 판재(blank)를 정해진 형상의 성형물로 프레스성형하기 위한 금형에 있어서,
   일측 표면 중앙부에 상기 성형물의 형상에 대응하는 성형단이 돌출형성되고, 상기 성형단으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 성형단을 둘러싸는 둘레단이 탄성패드용 스프링에 의해 지지되면서 돌출형성되는 제1금형체와;
   일측 표면 중앙부에 상기 제1금형체의 성형단에 대응하는 성형홈이 형성되고, 상기 성형홈으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 제1금형체의 둘레단에 대응하는 둘레홈이 형성되어 상기 성형홈과 둘레홈 사이에 돌출단이 형성되도록 하는 제2금형체를 포함하여,
   상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재의 가장자리 부위는 상기 제1금형체의 둘레단 내주면과 상기 제2금형체의 돌출단 외주면 사이에 끼워져 구속되도록 하고, 상기 판재의 중앙부는 상기 제1금형체의 성형단과 상기 제2금형체의 성형홈 사이에 고정되도록 하여 상기 판재의 표면 방향으로 상기 판재가 인장력을 받으면서 프레스 성형되도록 함에 따라 주름의 형성이 방지되면서 상기 판재가 상기 성형물로 가공되도록 하는 것을 특징으로 하는 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제2금형체는 상기 성형홈을 상하방향으로 관통하는 관통홀이 형성되도록 하되,
   상기 제2금형체의 관통홀 상에 설치되고, 패드용 스프링에 고정되어 탄성력을 전달받게 되는 고정패드가 더 구비되어 상기 제1금형체, 제2금형체 및 고정패드가 폼 타입(form type) 프레스 성형에 적용되도록 하여,
   상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재가 상기 제1금형체의 성형단과 상기 고정패드 사이에서 상기 패드용 스프링의 탄성력에 의해 유도되는 압력을 받으며 고정되어 상기 제1금형체와 제2금형체에 의해 프레스 성형되는 것을 특징으로 하는 프레스성형에 사용되는 주름방지용 금형.
3. 강(steel) 소재로 된 판재(blank)를 정해진 형상의 성형물로 열간 프레스 성형하기 위한 방법에 있어서,
   일측 표면 중앙부에 상기 성형물의 형상에 대응하는 성형단이 돌출형성되고 상기 성형단으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 성형단을 둘러싸는 둘레단이 돌출형성되는 제1금형체와, 일측 표면에 중앙부에 상기 제1금형체의 성형단에 대응하는 성형홈이 형성되고 상기 성형홈으로부터 정해진 거리만큼 이격된 위치의 일측 표면 가장자리부 둘레를 따라 상기 제1금형체의 둘레단에 대응하는 둘레홈이 형성되어 상기 성형홈과 둘레홈 사이에 돌출단이 형성되도록 하는 제2금형체를 상하방향으로 서로 이격되게 프레스에 배치하고, 상기 제2금형체의 성형홈을 상하방향으로 관통하는 관통홀 상에 설치되어 패드용 스프링과 결합되면서 탄성력을 전달받게 되는 고정패드가 배치되는 단계와;
   상기 판재의 오스테나이트(austenite)화 온도까지 상기 판재를 가열한 후 상기 프레스로 이송하여 서로 이격된 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 배치하는 단계와;
   상기 고정패드가 이동하여 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재가 상기 제1금형체의 성형단과 상기 고정패드 사이에서 정해진 압력을 받으며 고정되는 단계와;
   상기 프레스의 작동에 따라 상기 제1금형체와 제2금형체 사이 간격이 좁혀지면서 상기 제1금형체와 제2금형체가 서로 맞물리도록 하되, 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재의 가장자리 부위가 상기 제1금형체의 둘레단 내주면과 상기 제2금형체의 돌출단 외주면 사이에 끼워져 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치하게 되는 상기 판재의 가장자리 부위가 상기 제1금형체의 둘레단 내주면과 상기 제2금형체의 돌출단 외주면 사이에 끼워져 상기 판재의 표면 방향으로 상기 판재가 인장력을 받아 주름의 형성이 방지되면서 정해진 형상의 성형물로 프레스성형되는 단계와;
   상기 제1금형체와 제2금형체 내부에 설치되는 냉각장치에 의해 서로 맞물리는 상기 제1금형체와 제2금형체 사이에 위치한 상기 성형물이 담금질(quenching)되면서 상기 성형물을 이루는 강 소재가 마르텐사이드(martensite)화되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주름방지용 금형을 사용한 열간 프레스 성형방법.

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