KR20110097524A - 프레스 금형 장치 및 이를 이용한 냉각 방법 - Google Patents

프레스 금형 장치 및 이를 이용한 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모세관을 이용한 프레스 금형 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것으로, 하부 금형 및 상부 금형의 측면으로 냉각매체가 주입되도록 하는 냉각 모세관을 형성하되, 상기 냉각 모세관이 상기 하부 금형 및 상부 금형의 표면으로 연장되도록 하여, 상기 하부 금형 및 상부 금형이 서로 압착되는 면 또는 상기 하부 금형 및 상부 금형 내의 제품 성형 공간에 각각 냉각이 이루어지도록 함으로써, 금형 및 성형 제품 전체에 부분 냉각 공정이 효율적으로 이루어지도록 하고, 생산 공정의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

프레스 금형 장치 및 이를 이용한 냉각 방법{PRESS MOLD APPARATUS AND METHOD FOR COOLING USING THEREOF}
본 발명은 프레스 금형 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 급냉에 의한 고강도 조직과 서냉에 의한 고연신 조직을 동시에 갖는 성형 제품을 제조하기 위하여 프레스 성형을 위한 금형 압착 단계에서 금형의 내부면 또는 제품 성형 공간으로 냉각수가 주입되도록 하는 모세관을 형성하되, 일측 모세관에는 냉각수가 주입되도록 하고, 나머지 부분에는 열풍이 주입되도록 함으로써, 부분 냉각 공정의 효율을 향상시키고 제품의 품질을 더 향상시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
강판 또는 강관을 이용하여 자동차용 부품을 생산하는 경우 프레스 성형 중 핫스탬핑 공정을 이용하고 있다.
핫스탬핑 공정의 경우 고온으로 가열된 강판 또는 강관을 프레스 금형 장치에 삽입한 후 프레스 성형을 통하여 제품 형상을 제작함과 동시에 프레스 금형을 급냉시켜서 성형 제품을 냉각하는 방법을 사용하고 있다.
본 발명은 프레스 금형을 냉각하는데 있어서, 성형 제품이 급냉에 의한 고강도 조직과 서냉에 의한 고연신 조직을 동시에 가질 수 있도록 하기 위하여, 프레스 금형의 성형이 이루어지는 부분 중 제 1 영역에 냉각수가 주입되도록 하고, 제 2 영역에 열풍이 주입되도록 하여, 프레스 가공 시 상기 제 1 영역에 대응되는 성형제품 부분에 급냉에 의한 고강도 조직이 형성되고, 상기 제 2 영역에 대응되는 성형제품 부분에 서냉에 의한 고연신 조직이 형성되도록 하는 것을 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
아울러, 본 발명에 따른 프레스 금형 장치는 상기와 같은 모세관을 이용하여 냉각 효율을 극대화시킬 수 있으며, 급냉 구간과 서냉 구간의 경계를 명확히 함으로써, 성형 제품의 품질을 더 향상시킬 수 있고, 부분 냉각 공정의 효율 향상 및 성형 시간을 단축시킬 수 있도록 하는 프레스 금형 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 침수에 의해서 냉각수가 주입되도록 하는 방식과, 냉각수 순환 펌프에 의해서 냉각수가 주입되도록 하는 방식에 관한 각각의 실시예로 사용될 수 있는 프레스 금형 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법은 프레스 금형의 성형이 이루어지는 부분 중 제 1 영역에 냉각수가 주입되도록 하고, 제 2 영역에 열풍이 주입되도록 하여, 프레스 가공 시 상기 제 1 영역에 대응되는 성형제품 부분에 급냉에 의한 고강도 조직이 형성되고, 상기 제 2 영역에 대응되는 성형제품 부분에 서냉에 의한 고연신 조직이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 금형에 냉각수가 주입되는 방법은 침수 방식인 것을 특징으로 하고, 상기 금형에 냉각수가 주입되는 방법은 순환 펌프 방식인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열풍은 상기 프레스 가공 이전에 수행되는 블랭크 가열 공정의 가열로를 통하여 공급받는 것을 특징으로 하고, 상기 열풍은 상기 프레스 금형의 성형이 이루어지는 부분 중 상기 제 1 영역과 반대 방향이 되는 상기 제 2 영역의 외곽으로 배출되도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 성형이 이루어지는 부분은 상기 금형 내에서 상기 제 1 영역이 하측이 되고, 상기 제 2 영역이 상측이 되는 형태로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 프레스 금형 장치는 상부 금형 및 하부 금형을 포함하는 프레스 금형 장치에 있어서, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 중 하나 이상에 형성되며, 상기 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분 중 급냉을 필요로 하는 제 1 영역에 형성되어 냉각수가 주입되도록 하는 냉각 모세관 및 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 중 하나 이상에 형성되며, 상기 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분 중 서냉을 필요로 하는 제 2 영역에 형성되어 열풍이 주입되도록 하는 열풍주입구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 냉각 모세관 및 상기 열풍주입구는 상기 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분 이외의 영역에도 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 열풍주입구는 상기 프레스 금형 장치에 이송되는 블랭크 가열장치인 가열로와 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 성형이 이루어지는 부분은 상기 금형 내에서 상기 제 1 영역이 하측이 되고, 상기 제 2 영역이 상측이 되는 형태로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 성형이 이루어지는 부분은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 접하는 수평면을 기준으로 5 ~ 15°가 기울어지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스 금형 장치는 냉각수조에 침수되어 있는 하부 플레이트와, 상기 하부 플레이트의 상부에 형성되며, 제품 성형 공간을 포함하는 하부 금형과, 상기 하부 금형의 상부에 배치되며, 상기 하부 금형의 상기 제품 성형 공간을 압착시킬 수 있는 대응 패턴을 포함하는 상부 금형과, 상기 하부 금형의 측면으로부터, 상기 하부 금형의 압착면 부분 및 상기 제품 성형 공간 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 하부 금형의 모세관과, 상기 상부 금형의 측면으로부터, 상기 상부 금형의 압착면 부분 및 상기 대응 패턴 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 상부 금형의 모세관과, 상기 하부 금형의 외측으로부터, 상기 제품 성형 공간 중 상기 하부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 하부 금형의 열풍주입구와, 상기 상부 금형의 외측으로부터, 상기 대응 패턴 중 상기 상부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 상부 금형의 열풍주입구와, 상기 상부 금형의 상부에 형성되는 상부 플레이트 및 상기 상부 금형의 네 모서리 부분에 형성되며, 상기 하부 플레이트를 관통하는 형태로 형성되어, 상기 상부 금형의 압착 경로를 제공하는 프레스 가이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하부 금형의 모세관 및 상기 상부 금형의 모세관은 측면에서 주입되는 방향과 측면에서 주입된 냉각매체가 상기 금형의 표면으로 주입되는 방향이 이루는 예각이 30 ~ 50°가 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 하부 금형의 모세관 및 상기 상부 금형의 모세관은 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 압착되는 프레스 성형 공정시, 상기 하부 플레이트, 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 상기 냉각수조에 침수된 상태에서 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형으로 냉각수가 주입되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 하부 금형의 열풍주입구 및 상기 상부 금형의 열풍주입구는 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 압착되는 프레스 성형 공정시, 상기 하부 플레이트, 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 상기 냉각수조에 침수된 상태에서 각각의 금형 내부로 열풍이 주입될 수 있도록 하는 각각의 열풍 주입 장치와 연결되는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 열풍 주입 장치는 열풍 공급관 및 열풍 분배장치를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 열풍 주입 장치는 상기 상부 금형의 측벽 및 상기 하부 금형의 측벽에 연결되거나, 상기 각 금형의 상부 또는 하부 플레이트를 관통하는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 프레스 금형 장치는 하부 플레이트와, 상기 하부 플레이트 상부에 형성되며, 제품 성형 공간을 포함하는 하부 금형과, 상기 하부 금형 상부에 배치되며, 상기 하부 금형의 상기 제품 성형 공간을 압착시킬 수 있는 대응 패턴을 포함하는 상부 금형과, 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 압착되는 프레스 성형 공정시 상기 하부 금형 또는 상기 상부 금형의 측면으로 냉각수가 주입되도록 하는 냉각수 순환 펌프와, 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형의 측면으로 주입되는 냉각수가 압착면 표면으로 연장되도록 각각 형성되는 경로를 가지는 하부 금형의 모세관 및 상부 금형의 모세관과, 상기 하부 금형의 측면으로부터, 상기 하부 금형의 압착면 부분 및 상기 제품 성형 공간 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 하부 금형의 모세관과, 상기 상부 금형의 측면으로부터, 상기 상부 금형의 압착면 부분 및 상기 대응 패턴 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 상부 금형의 모세관과, 상기 하부 금형의 외측으로부터, 상기 제품 성형 공간 중 상기 하부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 하부 금형의 열풍주입구와, 상기 상부 금형의 외측으로부터, 상기 대응 패턴 중 상기 상부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 상부 금형의 열풍주입구와, 상기 상부 금형의 상부에 형성되는 상부 플레이트 및 상기 상부 금형의 네 모서리 부분에 형성되며, 상기 하부 플레이트를 관통하는 형태로 형성되어, 상기 상부 금형의 압착 경로를 제공하는 프레스 가이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 프레스 금형 장치 및 이를 이용한 냉각 방법은 부분적으로 적용되는 냉각 모세관 및 열풍주입구를 이용함으로써, 프레스 금형의 냉각 과정에서 성형 제품의 조직을 선택적으로 조절할 수 있는 효과를 제공한다.
즉, 냉각 모세관이 적용된 부분은 고강도의 마르텐사이트 조직이 형성되도록 하고, 열풍주입구가 적용된 부분은 고연신률을 가지는 조직이 형성되도록 함으로써, 프레스 성형 공정의 생산성을 향상 시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 금형의 제품 성형 공간을 경사지게 형성함으로써, 특별한 장치가 없더라도, 급냉 구간과 서냉 구간을 명확하게 분리시킬 수가 있고, 성형 제품의 전면에 대한 강도를 용이하게 조절할 수 있게 되므로, 성형제품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명은 침수형 냉각 시스템을 사용하고, 프레스 성형 공정 이전에 수행되는 가열 공정에서 사용되는 가열로에서 열풍을 공급받을 수 있도록 하는 시스템을 사용함으로써, 설비 투자 비용 및 유지 관리 비용을 절감시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법 및 장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모세관을 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모세관을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프레스 금형 냉각 장치의 배수 방법을 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법 및 장치를 도시한 개략도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모세관을 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모세관을 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 프레스 금형 장치에 열풍을 공급하는 시스템을 도시한 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 프레스 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분을 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 성형 제품의 일례를 나타낸 사시도.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 성형 제품의 2상 조직을 나타낸 SEM 사진들.
본 발명은 프레스 금형 장치를 이용하는 경우 자동차의 프론트 사이드 멤버(Front Side Member)와 같이 2상 조직을 가지는 성형 제품을 생산하지 못하는 문제를 해결하기 위한 것이다.
기존의 프레스 금형 장치는 모든 면적에 대하여 균일한 냉각이 이루어지는 것을 목적으로 하기 때문에 한 번에 다양한 조직을 형성할 수 없었다.
따라서, 성형 제품에 다양한 조직을 가지게 하기 위해서는 프레스 금형 장치를 이용하지 못하였는데, 이 경우 핫스탬핑 공정에 의한 고강도 특성을 얻을 수 없는 문제가 또 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 고강도 확보를 위한 프레스 금형 장치를 이용하되, 냉각 공정이 금형의 전면에서 이루어지지 않도록 함으로써, 다양한 조직을 가지는 성형제품을 용이하게 형성할 수 있도록 하는 프레스 금형의 냉각 방법을 제공하고 이를 위한 프레스 금형 장치를 제공할 수 있도록 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레스 금형 장치 및 이를 이용한 냉각 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법 및 장치를 도시한 개략도이다.
도 1은 먼저 침수 방식에 의해서 금형이 부분 냉각되는 방식에 대한 실시예를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 기술을 설명하기 위하여 필수적인 구성만을 간략하게 도시한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 도면에 생략되거나 기재되지 않은 장치에 의해서 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면 먼저 하부 구성으로, 냉각수조(미도시)에 침수되어 있는 하부 플레이트(100)와, 하부 플레이트(100)의 상부 형성되며, 중심부에 제품 성형 공간을 포함하는 하부 금형(120)이 구비된다.
다음으로, 상부 구성으로 상부 금형(160)과 상부 플레이트(180)가 구비되고, 프레스 가이드(190)가 상부 플레이트(180)에서부터 하부 플레이트(100)를 관통하는 형태로 구비된다.
여기서, 프레스 압착 공정시 하부 금형(120)과 상부 금형(160)이 접속되어야 하지만, 본 실시예에서는 모세관 구조를 강조하기 위하여 떨어져 있는 형태로 도시한 것이므로, 도시된 형태에 의해서 본 발명이 제한되지 않는다.
또한, 본 실시예에서는 프레스 압착 공정시 상부 금형(160)이 하부 금형(120)에 압착되면서 냉각수(200) 내부로 금형 전체 또는 일부가 침수되도록 하는 구조를 갖는다. 이때, 본 발명에서는 상부 금형(160) 또는 하부 금형(120)의 제 1 영역에 모세관을 형성하여 냉각수(200)가 주입될 수 있도록 한다.
여기서, 제 1 영역은 성형 제품에서 급냉에 의한 고강도 조직이 형성되어야 하는 부분을 정의하는 것으로, 도시된 바에 의하면 금형의 좌측면 전체가 되고 있으나, 항상 이에 제한되는 것은 아니다.
아울러, 하부 금형의 모세관(130)은 하부 금형(120)의 일측 측면에서부터 압착면 표면까지 연장되도록 형성한다. 이때, 압착면 표면에 노출되는 모세관을 하부 금형의 상측 모세관 입구(140)라 하고, 제품 성형 공간 내에 노출되는 모세관을 하부 금형의 제품 성형 공간에 연장되는 모세관 주입구(150)라 한다.
이와 같이, 하부 금형의 상측 모세관 입구(140)를 형성하여, 하부 금형(120)도 효율적으로 냉각이 될 수 있도록 하고, 후속 공정에서 냉각수가 용이하게 빠져 나가서 금형에 오염이 되지 않도록 할 수 있다.
또한, 하부 금형의 제품 성형 공간 내에도 모세관 입구(150)를 형성함으로써, 성형 제품이 부분적으로 급냉될 수 있도록 하고, 부분적인 고강도 조직 영역을 가질 수 있도록 한다.
아울러, 상부 금형의 모세관(170)도 하부 금형의 모세관(130)과 동일한 구조로 형성하며, 하부 금형의 제품 성형 공간에 대응되는 패턴에도 상부 금형의 모세관이 연장되도록 하여 프레스 성형 공정에서의 금형 및 성형 제품 모두에 효율적인 냉각이 이루어지도록 한다.
이때, 하부 금형의 모세관(130) 또는 상부 금형의 모세관(170) 개수 및 크기는 특별한 제한이 없고, 프레스 성형 온도 또는 전체 금형의 사이즈(size)에 따라서 자유롭게 조절될 수 있다.
또한, 측면에서 주입되는 냉각수가 금형의 표면으로 용이하게 흡입되도록 금형의 중심부에서 금형의 상측 표면으로 갈수록 모세관의 지름이 더 작게 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 대한 구체적인 형상은 하기 도 2를 통하여 상세히 설명하는 것으로 한다.
그리고, 상기 설명에 기재된 바와 같이 금형의 상측 표면은 압착면으로 표현될 수도 있으며, 이하 설명에서도 동일하게 적용되는 것으로 한다.
다음으로, 본 발명에서는 상부 금형(160) 또는 하부 금형(120)의 제 2 영역에 열풍주입구(155)를 형성하고, 상부 플레이트(180) 또는 하부 플레이트(100)를 관통하여 상기 열풍주입구(155)와 연결되는 열풍 주입 장치를 형성한다.
여기서, 제 2 영역은 성형 제품에서 서냉에 의한 고연신률을 가지는 조직이 형성되어야 하는 부분을 정의하는 것으로, 도시된 바에 의하면 금형 중 성형이 이루어지는 부분의 우측면 전체가 되고 있으나, 항상 이에 제한되는 것은 아니다.
그리고, 열풍 주입 장치는 정의된 제 2 영역에 열풍을 고르게 분해할 수 있도록 구비되는 열풍 분배 장치(250)와 열풍을 직접적으로 공급할 수 있는 열풍 공급관(260, 270)을 포함한다. 이때, 하부 금형의 열풍 분배 장치는 생략되어 도시되었는데, 하부 금형에 형성되는 열풍 분배 장치는 침수 시에 열풍주입구(155)로 냉각수가 주입되지 않도록 하는 역할도 수행한다.
또한, 여기서 나타나는 열풍 주입 장치의 위치는 항상 플레이트를 관통하는 형태로 형성되어야 하는 것은 아니며, 상부 및 하부 금형의 측벽에 직접 연결되는 형태로도 형성될 수 있다.
다만, 열풍주입구(155)가 금형의 성형이 이루어지는 부분 중 제 2 영역으로 이어지도록 하여 서냉에 의한 고연신률을 가지는 조직이 성형 제품에 형성될 수 있도록 한다.
아울러, 상술한 열풍주입구(155) 또는 모세관(130)들은 그 형상에 따라서 본 발명에 따른 프레스 금형 냉각 성능을 좌우 할 수 있다. 이하에서는, 냉각에 직접적으로 연관되는 모세관을 중심으로 그 성능을 시험한 예를 설명하는 것으로 한다. 그러나, 하기 모든 사항은 열풍주입구(155)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모세관을 나타낸 개략도이다.
도 2를 참조하면, 하부 금형(120) 내에 형성되는 하부 금형의 모세관(130) 하나만을 나타내었으며, 하부 금형의 측면 모세관 입구(130a)는 금형의 침수 시 냉각수 주입이 용이하게 이루어 질 수 있도록 최대한 넓게 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 하부 금형(120)의 표면으로 연장되는 하부 금형의 상측 모세관 입구(140)는 하부 금형의 측면 모세관 입구(130a)의 1/3~1/2의 크기가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
하부 금형의 상측 모세관 입구(140) 크기가 하부 금형의 측면 모세관 입구(130a)의 1/3미만으로 작게 형성되는 경우 후속의 배수 공정이 정상적으로 이루어지지 못할 수 있으며, 1/2을 초과하는 크기로 형성되는 경우에는 모세관 현상이 약하게 발생되어 냉각 효율이 떨어질 수 있다.
또한, 측면 모세관 입구에서 상측 모세관 입구로 이어지는 모세관의 각도 또한 모세관 현상에 주요 요인이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모세관을 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 하부 금형의 측면 모세관 입구(130a)를 통하여 냉각수가 주입되는 방향에 대한 연장선과, 상측 모세관 입구(140)로 냉각수가 주입되는 방향에 대한 연장선이 이루는 각 중 작은 각인 예각(θ1)의 크기가 30 ~ 50°가 되도록 모세관을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 예각(θ1)의 크기가 30°미만으로 형성되는 경우 상측으로 연결되는 모세관(140)의 개수도 감소되고, 모세관의 경로가 증가되어 냉각 효율이 떨어질 수 있고, 50°를 초과하는 각도로 형성되는 경우에는 수직에 가까운 경로가 형성되어 모세관 현상에 의한 냉각수 주입이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해서 프레스 압착 가공 시 냉각수가 하부 금형(120) 및 상부 금형(160)의 전면에 주입되어 효율적인 냉각이 이루어질 수 있도록 한다. 또한, 프레스 압착 해제 시 상기 모세관을 통하여 냉각수 배출이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프레스 금형 냉각 장치의 배수 방법을 나타낸 개략도이다.
도 4를 참조하면, 프레스 압착 해제가 이루어지면서 하부 금형(120)과 상부 금형(160)이 분리되고, 냉각수(200)가 하부 플레이트(100)의 중심부까지 내려가게 되고, 하부 금형의 모세관(130)과 상부 금형의 모세관(170)에 채워져 있던 냉각수도 자연스럽게 배출되는 구조를 갖는다.
따라서, 냉각수 잔류에 의한 금형의 오염 위험이 감소되고, 별도의 냉각수 제거 공정이 필요하지 않게 되므로, 작업 전환시간이 절약되고, 그 만큼 생산 공정의 효율도 증가하게 된다.
이상의 결과는 침수형 프레스 금형 장치에 대하여 설명하였으나, 금형의 표면으로 연장되는 모세관 구조는 순환 펌프 방식의 냉각수 구조를 가지는 프레스 금형 장치에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법 및 장치를 도시한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 상기 도 1의 실시예와 동일한 구조로 하부 플레이트(300) 하부 금형(320), 하부 금형 모세관(330), 하부 금형의 상측 모세관 입구(340), 하부 금형의 제품 성형 공간 중 제 1 영역에 연장되는 모세관 입구(350), 상부 금형(360), 상부 금형의 모세관(370), 상부 플레이트(380) 및 프레스 가이드(390)가 구비된다.
이때, 하부 플레이트(300)가 냉각수조에 담겨 있는 구조가 아니라 순환 펌프에 의해서 하부 금형 모세관(330)으로 냉각수가 주입되는 구조를 갖는다. 이때, 순환 펌프에 의한 방식은 냉각수에만 한정되지 않고, 냉매가스, 냉각오일등과 같은 냉각 매체들이 사용될 수 있다.
아울러 본 발명에 따른 제 2 실시예로서, 상부 금형(360) 또는 하부 금형(320)의 제 2 영역에 열풍주입구(355)가 구비되고, 상부 금형(360) 또는 하부 금형(320)의 측벽으로부터 열풍이 주입될 수 있도록 하는 열풍 주입 장치가 구비된다.
여기서, 열풍 분배 장치(450, 455) 및 열풍 공급관(460, 470)은 상부 금형(360) 또는 하부 금형(320)의 일측 측벽에만 구비된 형태로 도시되었으나, 항상 이에 제한 되는 것은 아니다. 제 1 영역에 냉각수를 공급하는 모세관이 형성되지 않는 부분에는 모두 열풍 주입 장치가 구비될 수 있으며, 그 개수도 제한되지 않는다.
그 외에 하부 금형 모세관(330) 구조 및 기능 또한 상기 제 1 실시예의 경우와 동일하게 적용될 수 있으며, 그 구체적 형태는 하기 도 6 및 도 7과 같이 나타난다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모세관을 나타낸 개략도이다.
도 6을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 하부 금형(320) 내에 형성되는 하부 금형의 모세관(330) 하나만을 나타내었으며, 하부 금형의 측면 모세관 입구(330a)는 금형의 침수 시 냉각수 주입이 용이하게 이루어 질 수 있도록 최대한 넓게 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 하부 금형(320)의 표면으로 연장되는 하부 금형의 상측 모세관 입구(340)는 하부 금형의 측면 모세관 입구(330a)의 1/3~1/2의 크기가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 제 2 실시예의 경우에는 순환 펌프의 압력에 의해서 하부 금형의 상측 모세관 입구(340)로 주입되는 냉각수의 양이 조절될 수 있으므로, 항상 상기 크기 범위에 제한되지 않아도 된다.
또한, 측면 모세관 입구에서 상측 모세관 입구로 이어지는 모세관의 각도 또한 동일하게 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모세관을 나타낸 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 하부 금형의 측면 모세관 입구(330a)를 통하여 순환하는 냉각수의 압력에 의해서 하부 금형의 상측 모세관 입구(340)로 주입되는 냉각수의 양이 조절될 수 있으므로, 두 경로가 이루는 각(θ2)의 크기가 30 ~ 50°에 제한되어야 하는 것은 아니다. 그러나, 안정적인 냉각성능을 확보하기 위해서는 상기 범위내에서 모세관의 형태가 결정되도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 설명한 모세관의 구조 또한 상술한 열풍주입구(355)에 동일하게 적용될 수 있으며, 그 형태나 개수에 의해서 본 발명이 제한되지 않도록 한다.
이상의 실시예에서는 제 1 영역에 냉각수가 주입되는 침수형 구조 및 순환 펌프 구조를 중심으로 설명하였다. 이하에서는 열풍 주입에 대한 구체적인 실시예를 들어서 설명하는 것으로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 프레스 금형 장치에 열풍을 공급하는 시스템을 도시한 개략도로서, 프레스 성형에 의한 성형 제품 형성 과정을 개략적으로 도시한 것이며, 그 과정에서 자연스럽게 프레스 금형 장치에 열풍이 공급될 수 있음을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 먼저 코일(600)을 절단하여 블랭크(620)를 형성하고, 프레스 성형을 위해서 블랭크(620)를 가열로(650)에 통과시키는 과정을 수행한다.
이때, 성형을 위해서 블랭크는 600℃이상으로 가열되는 경우가 대부분이다. 따라서, 가열로(650)에서 발생하는 고온의 공기를 모아서 하부 금형(520) 및 상부 금형(560)을 가지는 프레스 금형 장치에 공급될 수 있도록 하는 시스템을 구축함으로써, 별도의 투자 비용이 없이도 프레스 금형 장치에 열풍을 용이하게 공급할 수 있도록 한다.
여기서, 열풍은 하부 및 상부 금형의 모세관(530, 570)이 형성되지 않은 영역에 공급될 수 있도록 하며, 침수형인 경우 상부 플레이트(580) 및 하부 플레이트(500)를 관통하는 형태로 공급될 수 있도록 한다.
이때, 본 발명에서 중요한 것은 금형의 성형이 이루어지는 부분 중 열풍에 의한 제 2 영역과, 냉각수에 의한 제 1 영역이 명확히 구분이 되어야 하는 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 2상 조직 강이 항상 명확한 경계를 요구하는 것은 아니나, 냉각수가 제 2 영역으로 침범하게 되거나, 열풍이 제 1 영역으로 침범되는 경우 성형 제품의 특성이 일부 저하될 수 있으므로, 이를 조절하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 프레스 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분을 나타낸 단면도이다.
도 9를 참조하면, 성형 제품의 단면이 표시될 수 있도록 상부 금형(760) 및 하부 금형(720)의 단면을 표시하였으며, 버블로 표시된 부분이 열풍이 공급되는 제 2 영역이고, 그 외 영역은 냉각수가 공급되는 제 1 영역으로 표시하였다.
이때, 열풍이 제 1 영역으로 침범되지 않도록 하여야 하는데, 이를 위해서 열풍은 제 1 영역과 반대 방향이 되는 부분으로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 금형 내에 성형이 이루어지는 부분은 제 1 영역이 하측이 되고, 제 2 영역이 상측이 되는 형태로 경사지게 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 그 구체적인 경사각(θ3)은 금형의 수평면을 기준으로 5 ~ 15°가 되도록 하는 것이 바람직하다.
경사각(θ3)이 5°미만이 되는 경우 열풍이 제 1 영역으로 침범되는 경우가 발생하였으며, 경사각(θ3)이 15°를 초과하는 경우에는 냉각수가 경사 방향으로 흐르게 되어, 제 1 영역에 균일한 냉각이 이루어지지 못하는 현상이 발생하였다.
따라서, 본 발명에서는 금형 내에 성형이 이루어지는 부분 설계시 5 ~ 15°경사지게 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법에 대한 다양한 실시예를 제공함으로써, 성형 제품에 고강도 조직을 가지는 부분과 고연신 조직을 가지는 부분이 동시에 형성될 수 있도록 한다.
도 10은 본 발명에 따른 성형 제품의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 성형 제품의 일례로서 막대형 성형 제품(800)을 나타낸 것이다. 이때, 본 발명에서는 고강도 조직 영역(810)과 고연신 조직 영역(820)에 대한 실제 조직 상태를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)를 이용하여 촬영하였으며, 그 결과는 하기 도 11 및 도 12와 같다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 성형 제품의 2상 조직을 나타낸 SEM 사진들이다.
도 11은 고강도 조직 영역을 나타낸 사진이고, 도 12는 고연신 조직 영역을 나타낸 사진이다. 도 11과 도 12에 표시된 50㎛ 축척을 비교하면, 도 11이 더 고배율로 촬영된 것임에도 불구하고 도 12의 조직들 보다 훨씬 더 미세 조직을 가지는 것을 볼 수 있다. 이는 급냉에 의한 마르텐사이트 조직들을 나타내는 것이다.
이와 같은 구조가 자동차 부품의 프론트 사이드 멤버에 적용되는 경우 고강도 조직 영역은 외부 충격시 구조물을 유지하여 운전자 보호를 유도 할 수 있게 되 고, 고연신 조직 영역은 외부 충격시 구부러지면서 충격량을 충분히 흡수할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 모세관 및 열풍주입구를 이용한 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법을 이용하면, 상기 프론트 사이드 멤버와 같은 성형 제품을 용이하게 제조 할 수 있다. 즉, 프레스 금형의 냉각 과정에서 성형 제품의 조직을 선택적으로 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 금형의 제품 성형 공간 설계를 경사지게 형성함으로써, 특별한 장치가 없더라도, 급냉 구간과 서냉 구간을 명확하게 분리시킬 수가 있도록 한다.
또한, 가열로에서 열풍을 공급받을 수 있도록 하는 시스템을 사용함으로써, 설비 투자비용 및 유지 관리 비용을 절감시킬 수 있도록 하고, 그 적용 분야도 자유롭게 확장시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100, 300, 500 : 하부 플레이트
120, 320, 520, 720 : 하부 금형
130, 330, 530 : 하부 금형의 모세관
130a, 330a : 하부 금형의 측면 모세관 입구
140, 340 : 하부 금형의 상측 모세관 입구
150, 350 : 하부 금형의 제품 성형 공간에 연장되는 모세관 입구
155, 355 : 열풍주입구
160, 360, 560, 760 : 상부 금형
170, 370, 570 : 상부 금형의 모세관
180, 380, 580 : 상부 플레이트
190, 390, 590 : 프레스 가이드
200 : 냉각수
250, 450 : 열풍 분배 장치
260, 270, 460, 470 : 열풍 공급관
600 : 코일
620 : 블랭크
650 : 가열로
800 : 성형 제품
810 : 고강도 영역
820 : 고연신 영역

Claims (18)

  1. 프레스 금형의 성형이 이루어지는 부분 중 제 1 영역에 냉각수가 주입되도록 하고, 제 2 영역에 열풍이 주입되도록 하여, 프레스 가공 시 상기 제 1 영역에 대응되는 성형제품 부분에 급냉에 의한 고강도 조직이 형성되고, 상기 제 2 영역에 대응되는 성형제품 부분에 서냉에 의한 고연신 조직이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형을 이용한 냉각 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금형에 냉각수가 주입되는 방법은 침수 방식인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금형에 냉각수가 주입되는 방법은 순환 펌프 방식인 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열풍은 상기 프레스 가공 이전에 수행되는 블랭크 가열 공정의 가열로를 통하여 공급 받는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열풍은 상기 프레스 금형의 성형이 이루어지는 부분 중 상기 제 1 영역과 반대 방향이 되는 상기 제 2 영역의 외곽으로 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 성형이 이루어지는 부분은 상기 금형 내에서 상기 제 1 영역이 하측이 되고, 상기 제 2 영역이 상측이 되는 형태로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치를 이용한 냉각 방법.
  7. 상부 금형 및 하부 금형을 포함하는 프레스 금형 장치에 있어서,
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 중 하나 이상에 형성되며, 상기 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분 중 급냉을 필요로 하는 제 1 영역에 형성되어 냉각수가 주입되도록 하는 냉각 모세관; 및
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 중 하나 이상에 형성되며, 상기 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분 중 서냉을 필요로 하는 제 2 영역에 형성되어 열풍이 주입되도록 하는 열풍주입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각 모세관 및 상기 열풍주입구는 상기 금형 장치의 성형이 이루어지는 부분 이외의 영역에도 형성되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 열풍주입구는 상기 프레스 금형 장치에 이송되는 블랭크 가열장치인 가열로와 연결되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 성형이 이루어지는 부분은 상기 금형 내에서 상기 제 1 영역이 하측이 되고, 상기 제 2 영역이 상측이 되는 형태로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 성형이 이루어지는 부분은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 접하는 수평면을 기준으로 5 ~ 15°가 기울어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  12. 냉각수조에 침수되어 있는 하부 플레이트;
    상기 하부 플레이트의 상부에 형성되며, 제품 성형 공간을 포함하는 하부 금형;
    상기 하부 금형의 상부에 배치되며, 상기 하부 금형의 상기 제품 성형 공간을 압착시킬 수 있는 대응 패턴을 포함하는 상부 금형;
    상기 하부 금형의 측면으로부터, 상기 하부 금형의 압착면 부분 및 상기 제품 성형 공간 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 하부 금형의 모세관;
    상기 상부 금형의 측면으로부터, 상기 상부 금형의 압착면 부분 및 상기 대응 패턴 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 상부 금형의 모세관;
    상기 하부 금형의 외측으로부터, 상기 제품 성형 공간 중 상기 하부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 하부 금형의 열풍주입구;
    상기 상부 금형의 외측으로부터, 상기 대응 패턴 중 상기 상부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 상부 금형의 열풍주입구;
    상기 상부 금형의 상부에 형성되는 상부 플레이트; 및
    상기 상부 금형의 네 모서리 부분에 형성되며, 상기 하부 플레이트를 관통하는 형태로 형성되어, 상기 상부 금형의 압착 경로를 제공하는 프레스 가이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하부 금형의 모세관 및 상기 상부 금형의 모세관은 측면에서 주입되는 방향과 측면에서 주입된 냉각매체가 상기 금형의 표면으로 주입되는 방향이 이루는 예각이 30 ~ 50°가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 하부 금형의 모세관 및 상기 상부 금형의 모세관은 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 압착되는 프레스 성형 공정시, 상기 하부 플레이트, 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 상기 냉각수조에 침수된 상태에서 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형으로 냉각수가 주입되도록 하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 하부 금형의 열풍주입구 및 상기 상부 금형의 열풍주입구는 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 압착되는 프레스 성형 공정시, 상기 하부 플레이트, 상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 상기 냉각수조에 침수된 상태에서 각각의 금형 내부로 열풍이 주입될 수 있도록 하는 각각의 열풍 주입 장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 열풍 주입 장치는 열풍 공급관 및 열풍 분배장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 열풍 주입 장치는 상기 상부 금형의 측벽 및 상기 하부 금형의 측벽에 연결되거나, 상기 각 금형의 상부 또는 하부 플레이트를 관통하는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
  18. 하부 플레이트;
    상기 하부 플레이트 상부에 형성되며, 제품 성형 공간을 포함하는 하부 금형;
    상기 하부 금형 상부에 배치되며, 상기 하부 금형의 상기 제품 성형 공간을 압착시킬 수 있는 대응 패턴을 포함하는 상부 금형;
    상기 하부 금형 및 상기 상부 금형이 압착되는 프레스 성형 공정시 상기 하부 금형 또는 상기 상부 금형의 측면으로 냉각수가 주입되도록 하는 냉각수 순환 펌프;
    상기 하부 금형 및 상기 상부 금형의 측면으로 주입되는 냉각수가 압착면 표면으로 연장되도록 각각 형성되는 경로를 가지는 하부 금형의 모세관 및 상부 금형의 모세관;
    상기 하부 금형의 측면으로부터, 상기 하부 금형의 압착면 부분 및 상기 제품 성형 공간 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 하부 금형의 모세관;
    상기 상부 금형의 측면으로부터, 상기 상부 금형의 압착면 부분 및 상기 대응 패턴 중 급냉을 필요로 하는 부분으로 연장되는 상부 금형의 모세관;
    상기 하부 금형의 외측으로부터, 상기 제품 성형 공간 중 상기 하부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 하부 금형의 열풍주입구;
    상기 상부 금형의 외측으로부터, 상기 대응 패턴 중 상기 상부 금형의 모세관 형성 영역을 제외한 타 영역으로 연장되는 상부 금형의 열풍주입구;
    상기 상부 금형의 상부에 형성되는 상부 플레이트; 및
    상기 상부 금형의 네 모서리 부분에 형성되며, 상기 하부 플레이트를 관통하는 형태로 형성되어, 상기 상부 금형의 압착 경로를 제공하는 프레스 가이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형 장치.
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