KR20130043310A - 분할 급속 냉각 금형 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

가열된 블랭크 소재를 프레스 금형 장치를 이용하여 성형함과 동시에 냉각하여 고강도의 부품을 제조하는 핫스탬핑 성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플랜지부의 냉각속도를 제어할 수 있는 분할 급속 냉각 금형 장치와, 이를 이용한 핫스탬핑 성형 방법에 관하여 개시한다.
본 발명은 요입된 성형 공간을 형성하는 하부 다이 금형; 상기 성형 공간에 삽입되며 블랭크를 성형하는 상부 펀치 금형; 상기 하부 다이 금형과 상기 상부 펀치 금형을 급속냉각시키는 급속냉각수단; 상기 상부 펀치 금형의 둘레에 형성되어 상기 하부 다이 금형과의 사이에 블랭크를 고정하는 블랭크 홀더; 및 상기 블랭크 홀더가 일정한 온도 범위를 유지할 수 있도록 열을 공급하는 열공급수단;을 포함하는 분할 급속 냉각 금형 장치를 제공한다.

Description

분할 급속 냉각 금형 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 성형 방법{SEPERATED COOLING HOT PRESS DEVICE AND HOT STAMPING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 가열된 블랭크 소재를 프레스 금형 장치를 이용하여 성형함과 동시에 냉각하여 고강도의 부품을 제조하는 핫스탬핑 성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플랜지부의 냉각속도를 제어할 수 있는 분할 급속 냉각 금형 장치와, 이를 이용한 핫스탬핑 성형 방법에 관한 것이다.
차량의 고연비화와 경량화가 추구됨에 따라, 차량 부품들은 지속적으로 고강도화가 이루어지고 있다.
핫스탬핑 성형 방법은 경화능을 가지는 강판을 가열한 상태에서 열간 프레스 성형하고, 급속 냉각함으로써 고강도의 부품을 제조하는 방법이다.
그런데, 급속 냉각을 거친 부품은 강도가 높아 프레스 절단이 어려워 레이저를 이용하여 트리밍 작업을 수행하고 있었다.
레이저를 이용한 트리밍 작업은 공정시간이 길어 생산성이 낮은 문제점을 가지고 있었다.
또한, 급속 냉각을 거친 부품은 마르텐사이트 조직을 가지는데, 마르텐사이트 조직은 용접특성이 좋지 않은 문제점을 가지고 있었다.
관련선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-076152호(공고일자 2007년 9월 18일)가 있다.
본 발명의 목적은 국부적으로 냉각속도를 달리함으로써 트리밍이 수행될 부분이나, 용접될 부분이 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직을 가지게 하는 핫스탬핑 성형 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 커팅이 이루어지는 플랜지부의 냉각속도를 제어하여 플랜지부의 미세조직이 베이나이트 조직을 포함한 혼합 조직이 될 수 있도록 하는 분합 급속 냉각 금형 장치를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 요입된 성형 공간을 형성하는 하부 다이 금형; 상기 성형 공간에 삽입되며 블랭크를 성형하는 상부 펀치 금형; 상기 하부 다이 금형과 상기 상부 펀치 금형을 급속냉각시키는 급속냉각수단; 상기 상부 펀치 금형의 둘레에 형성되어 상기 하부 다이 금형과의 사이에 블랭크를 고정하는 블랭크 홀더; 및 상기 블랭크 홀더가 일정한 온도 범위를 유지할 수 있도록 열을 공급하는 열공급수단;을 포함하는 분할 급속 냉각 금형 장치를 제공한다.
이 때, 상기 열공급수단은, 상기 블랭크 홀더의 온도를 300~400℃ 범위로 유지시키는 것이 바람직하다.
상기 열공급수단은 전열히터를 포함하거나, 스팀 또는 오일을 열매체로 사용할 수 있다.
아울러, 상기 열공급수단은 상기 블랭크 홀더와 대면하는 상기 하부 다이 금형에 열을 공급하도록 할 수도 있다.
한편, 상기 급속냉각수단은 상기 하부 다이 금형과, 상기 상부 펀치 금형의 온도를 100℃ 이하로 유지시키는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 상기 급속냉각수단은 상기 하부 다이 금형의 성형 공간 주변에 배치되는 다이 냉각 유로; 상기 상부 펀치 금형의 내부에 배치되는 펀치 냉각 유로; 상기 냉각 유로들에 냉각매체를 공급하여 순환시키는 냉매순환부;를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명은 블랭크를 성형온도까지 가열하는 블랭크 가열 단계; 가열된 블랭크 소재를 상부 펀치 금형과 하부 다이 금형으로 가압하여 성형하고, 성형부는 급냉하고 플랜지부는 서냉하여 플랜지부의 미세조직이 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직이 되도록 하는 성형 및 냉각 단계; 상기 성형 및 냉각 단계를 거친 부품을 플랜지부의 냉각속도를 제어하며 이송하는 온도 제어 이송 단계: 및 상기 온도 제어 이송 단계를 거친 부품의 플랜지부를 절단하는 트리밍 단계;를 포함하는 핫스탬핑 성형 방법을 제공한다.
이 때, 상기 온도 제어 이송 단계는 부품의 플랜지가 이송플레이트에 접촉한 상태로 이루어지며, 상기 이송플레이트의 온도는 100~200℃ 로 유지되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 트리밍 단계는 프레스 커팅 방법을 사용하면 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 성형방법은 레이저 장비의 사용을 최소화하거나 또는 경우에 따라 전혀 사용하지 않고 프레스 금형을 사용하여 트림 작업을 수행할 수 있어서, 레이저 장비에 수반되는 가공비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 프레스 금형을 이용하는 트림 작업은 레이저를 이용하는 가공에 비하여 짧은 공정시간을 가지고 있어서, 가공에 소요되는 싸이클 타임을 단축하게 된다. 따라서 단위 시간당 생산량이 증가하는 효과를 가져온다.
아울러, 플랜지부가 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직을 가짐으로써 플랜지부의 용접특성을 향상시키는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 구조를 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치에 블랭크가 로딩된 상태를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 블랭크 홀더가 블랭크를 고정한 상태를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 상부 펀치 금형이 완전히 하강한 상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 구조를 나타낸 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 핫스탬핑 성형 방법을 나타낸 공정순서도,
도 7은 본 발명에 따른 핫스탬핑 성형 방법의 온도 제어 이송 단계를 나타낸 도면임.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치 및 이를 이용한 핫스탬핑 성형 방법의 실시예를 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 구조를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치는 경화능을 가지는 블랭크를 성형함과 동시에 냉각하여 고강도의 부품을 제조하기 위한 것으로,
요입된 성형공간(112)을 형성하는 하부 다이 금형(120)과, 상기 성형 공간(112)에 삽입되며 블랭크(10)를 성형하는 상부 펀치 금형(130)과, 상기 상부 펀치 금형(130)의 둘레에 형성되어 상기 하부 다이 금형(120)과의 사이에 블랭크(10)를 고정하는 블랭크 홀더(160)와, 상기 하부 다이 금형(120)과 상기 상부 펀치 금형(130)을 급속냉각시키는 급속냉각수단(140)과, 상기 블랭크 홀더(160)가 일정한 온도 범위를 유지할 수 있도록 상기 블랭크 홀더(160)에 열을 공급하는 열공급수단(170)을 포함한다.
블랭크(10)는 경화능을 가지는 소재로 마련되며, 성형온도 이상으로 가열된 상태로 공급된다.
급속냉각수단(140)은 하부 다이 금형(120)의 성형 공간 주변에 배치되는 다이 냉각 유로(142)와, 상기 상부 펀치 금형(130)의 내부에 배치되는 펀치 냉각 유로(144)와, 상기 다이 냉각 유로(142)와 상기 펀치 냉각 유로(144)에 냉각매체를 공급하여 성형된 제품을 급속냉각시킬 수 있도록 하는 냉매순환부(146)를 포함한다. 이때, 급속냉각수단(140)은 냉각매체로 냉수(Cool water) 또는 냉매(Refrigerant)가 사용될 수 있으며, 상기 냉매순환부(146)는 냉각매체를 냉각하기 위한 냉각탑(Chiller), 냉매를 압송하기 위한 펌프 등을 더 포함할 수 있다.
급속냉각수단(140)은 하부 다이 금형(120)과 상부 펀치 금형(130)이 100℃ 이하의 온도를 유지할 수 있도록 해준다. 따라서 하부 다이 금형(120)과 상부 펀치 금형(130)에 접촉하는 부분들은 급속냉각되어 풀 마르텐사이트 미세조직을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 블랭크 홀더는 300~400℃ 범위에서 온도가 유지되는 것이 바람직한데, 이는 블랭크 홀더에 의하여 고정되는 성형품의 플랜지부가 급속 냉각되지 않도록 하기 위한 것이다. 여기서 급속냉각이라 함은 미세조직이 풀 마르텐사이트 조직을 가지도록 하는 냉각속도를 의미한다.
블랭크 홀더(160)가 상기와 같은 온도 범위를 유지하게 되면, 성형품의 플랜지부는 상대적으로 느린 냉각속도를 가지게 되며, 이로 인하여 플랜지부의 미세조직은 풀 마르텐사이트 조직이 아닌, 마르텐사이트와 베이나이트 혼합 조직을 가지게 된다. 따라서 플랜지부는 다른 부분들에 비하여 상대적으로 낮은 강도를 유지할 수 있게 되며, 이로 인해 플랜지부 트리밍(Trimming) 가공에 레이저를 사용하지 않고 프레스를 사용할 수도 있게 된다.
열공급수단(170)은 블랭크 홀더(160)가 상기 온도 범위를 유지할 수 있도록 하는 것으로, 전열히터를 포함하여 구성될 수 있다. 다른 형태로는 스팀 또는 오일을 열매체로 사용하여 블랭크 홀더(160)를 가열하도록 할 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치에 블랭크가 로딩된 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 블랭크 홀더가 블랭크를 고정한 상태를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 상부 펀치 금형이 완전히 하강한 상태를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 로딩된 블랭크(10)는 하부 다이 금형(120) 상에 안착된 상태가 된다. 이 때 하부 다이 금형(120)과 상부 펀치 금형(130)의 온도는 100℃ 이하로 유지되며, 블랭크 홀더(160)는 300~400℃ 범위의 온도로 유지된다. 블랭크(10)는 성형온도 이상으로 가열된 상태에서 로딩된다. 블랭크 홀더(160)의 온도가 상기 온도 범위를 초과하게 되면 열공급수단(170)의 에너지 소비가 지나치게 많아 원가상승의 요인으로 작용하고, 블랭크 홀더(160)의 온도가 상기 범위보다 낮으면 플랜지부의 냉각속도가 빨라져 원하는 혼합조직을 얻을 수 없다.
성형이 시작되면, 먼저 블랭크 홀더(160)가 하강하게 된다. 블랭크 홀더(160)는 블랭크(10)의 표면에 밀착할 때까지 하강하여 도 3과 같은 상태가 된다. 블랭크(10)는 블랭크 홀더(160)와 하부 다이 금형(120)의 안착면(124) 사이에 끼워져 고정된 상태가 된다.
이렇게 블랭크(10)가 고정되면, 상부 펀치 금형(130)이 하강하여 블랭크(10)를 성형하게 된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 상부 펀치 금형(130)이 완전히 하강하게 되면, 블랭크(10)의 표면은 하부 다이 금형(120), 상부 펀치 금형(130) 및 블랭크 홀더(160)에 접촉하여 이들과 열교환이 이루어지게 된다.
그런데, 하부 다이 금형(120)과 상부 펀치 금형(130)은 급속냉각수단(140)에 의하여 100℃ 이하의 온도로 유지되고, 블랭크 홀더(160)는 열공급수단(170)에 의하여 300~400℃ 의 온도를 유지하게 되므로, 블랭크 홀더(160)와 접촉하는 성형품의 플랜지부는 서냉되고, 상기 금형들(120, 130)과 접촉하는 부분은 급속냉각된다.
따라서, 급속냉각되는 부분들의 미세조직은 풀 마르텐사이트 조직이되어 고강도를 가지게되고, 서냉되는 플랜지부의 미세은 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직이 되어 상대적으로 낮은 강도를 가지게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분할 급속 냉각 금형 장치의 구조를 나타낸 구성도이다.
본 실시예는 열공급수단(170)이 블랭크 홀더(160)와 대면하며 블랭크(10)를 고정하는 하부 다이 금형(120) 상단의 안착면(124)에도 열을 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
도시한 바와 같이, 열공급수단(170)을 하부 다이 금형(120)의 안착면(124)에 구비하게 되면, 성형품의 플랜지부의 냉각속도를 보다 확실하게 제어할 수 있는 효과를 가져온다.
도 6은 본 발명에 따른 핫스탬핑 성형 방법을 나타낸 공정순서도이다.
상술한 바와 같은 분할 급속 냉각 금형 장치를 이용한 핫스탬핑 성형 방법은, 블랭크를 성형온도까지 가열하는 블랭크 가열 단계(S-61)와, 가열된 블랭크 소재를 상부 펀치 금형과 하부 다이 금형으로 가압하여 성형하고, 성형부는 급냉하고 플랜지부는 서냉하여 플랜지부의 미세조직이 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직이 되도록 하는 성형 및 냉각 단계(S-62)와, 상기 성형 및 냉각 단계를 거친 부품을 플랜지부의 냉각속도를 제어하며 이송하는 온도 제어 이송 단계(S-63)와, 상기 온도 제어 이송 단계를 거친 부품의 플랜지부를 절단하는 트리밍 단계(S-64)를 포함한다.
여기서 성형부라 함은 하부 다이 금형과 상부 펀치 금형에 의하여 형상이 변화되는 부분을 의미하며, 플랜지부는 블랭크 상태일 때와 동일하게 평판 형상을 가지는 테두리부분을 의미한다.
상기와 같은 핫스탬핑 성형방법을 사용하게 되면, 플랜지부와 풀마르텐사이트 조직이 아닌, 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직을 가지게 됨으로써, 트리밍 단계(S-64)에서 레이저 커팅을 사용하지 않고, 프레스 커팅 방법을 사용할 수 있게 된다.
프레스 커팅 방법은 레이저 커팅 방법에 비하여 공정싸이클이 짧아 생산성이 우수하며, 설비 비용이 저렴한 장점을 가진다.
도 7은 본 발명에 따른 핫스탬핑 성형 방법의 온도 제어 이송 단계를 나타낸 도면이다.
온도 제어 이송 단계(S-63)는 금형 장치에서 추출된 성형품을 트리밍 장치까지 이송하는 공정이다. 성형품(20)은 금형 장치에 구속된 상태로 냉각되는데 이 때 성형품(20)이 상온이 될때 까지 냉각하면 공정시간이 길어져 생산성이 저하되므로 냉각이 완료되기 이전에 금형장치에서 추출하여 트리밍 장치로 이송하게 된다.
이러한 이송 과정에서 성형품은 공기와 접촉하여 냉각되는데, 본 발명은 이 때 플랜지부가 급속냉각되는 것을 방지하기 위해 플랜지부의 냉각 속도를 제어한다. 구체적으로 살펴보면 온도 제어 이송 단계(S-63)는, 도시한 바와 같이 성형품(20)의 플랜지부(22)가 이송플레이트(60)에 접촉한 상태로 이루어지는데, 이 때 이송플레이트(60)의 온도를 100~200℃ 로 유지하면, 플랜지부(22)가 공기와 접촉하여 급속냉각되는 것을 방지할 수 있다.
이송플레이트(60)를 100~200℃ 유지하기 위해서, 전열히터 등의 가열수단을 사용할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
120 : 하부 다이 금형
130 : 상부 펀치 금형
140 : 급속냉각수단
160 : 블랭크 홀더
170 : 열공급수단
S-61 : 블랭크 가열 단계
S-62 : 성형 및 냉각 단계
S-63 : 온도 제어 이송 단계
S-64 : 트리밍 단계

Claims (10)

  1. 요입된 성형 공간을 형성하는 하부 다이 금형;
    상기 성형 공간에 삽입되며 블랭크를 성형하는 상부 펀치 금형;
    상기 하부 다이 금형과 상기 상부 펀치 금형을 급속냉각시키는 급속냉각수단;
    상기 상부 펀치 금형의 둘레에 형성되어 상기 하부 다이 금형과의 사이에 블랭크를 고정하는 블랭크 홀더; 및
    상기 블랭크 홀더가 일정한 온도 범위를 유지할 수 있도록 열을 공급하는 열공급수단;을 포함하는 분할 급속 냉각 금형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열공급수단은
    상기 블랭크 홀더의 온도를 300~400℃ 범위로 유지시키는 것을 특징으로 하는 분할 급속 냉각 금형 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열공급수단은
    전열히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 분할 급속 냉각 금형 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열공급수단은
    스팀 또는 오일을 열매체로 사용하는 것을 특징으로 하는 분할 급속 냉각 금형 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열공급수단은
    상기 블랭크 홀더와 대면하는 상기 하부 다이 금형에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 분할 급속 냉각 금형 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 급속냉각수단은
    상기 하부 다이 금형과, 상기 상부 펀치 금형의 온도를 100℃ 이하로 유지시키는 것을 특징으로 하는 분할 급속 냉각 금형 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 급속냉각수단은
    상기 하부 다이 금형의 성형 공간 주변에 배치되는 다이 냉각 유로;
    상기 상부 펀치 금형의 내부에 배치되는 펀치 냉각 유로;
    상기 냉각 유로들에 냉각매체를 공급하여 순환시키는 냉매순환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분할 급속 냉각 금형 장치.
  8. 블랭크를 성형온도까지 가열하는 블랭크 가열 단계;
    가열된 블랭크 소재를 상부 펀치 금형과 하부 다이 금형으로 가압하여 성형하고, 성형부는 급냉하고 플랜지부는 서냉하여 플랜지부의 미세조직이 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직이 되도록 하는 성형 및 냉각 단계;
    상기 성형 및 냉각 단계를 거친 부품을 플랜지부의 냉각속도를 제어하며 이송하는 온도 제어 이송 단계: 및
    상기 온도 제어 이송 단계를 거친 부품의 플랜지부를 절단하는 트리밍 단계;를 포함하는 핫스탬핑 성형 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 온도 제어 이송 단계는
    부품의 플랜지가 이송플레이트에 접촉한 상태로 이루어지며, 상기 이송플레이트의 온도는 100~200℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 성형 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 트리밍 단계는
    프레스 커팅 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 성형 방법.
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