KR20150075302A

KR20150075302A - 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조

Info

Publication number: KR20150075302A
Application number: KR1020130163352A
Authority: KR
Inventors: 서민홍; 정현주; 안강환; 유윤하
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2015-07-03
Also published as: KR101543914B1

Abstract

본 발명은, 내부에 중공이 형성되고 블랭크가 삽입되는 금형부와, 상기 금형부에 형성된 중공으로 삽입되어 블랭크를 성형하는 펀치부 및, 블랭크의 열변형 구간을 감소시키기 위해, 상기 금형부와 분리되어 블랭크의 설정된 부분을 국부적으로 가열하는 가열부를 포함하여 구성되는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 블랭크의 열변형구간을 감소하여 블량크의 열변형을 저감할 수 있다.

Description

열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조 {PARTIAL HEATING MOLD STRUCTURE FOR REDUCING THERMAL DEFORMATION}

본 발명은 금형구조에 관한 것으로, 상세하게는 블랭크를 국부적으로 가열하고, 성형 전후의 온도편차를 감소시켜 블랭크의 변형을 방지하는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조에 관한 것이다.

온간 프레스 성형은, 상부금형(11)과 하부금형(12) 사이에 블랭크를 삽입하고, 블랭크를 특정온도로 가열하여 적절한 온도구배를 형성한 후, 금형 내부에 형성된 중공으로 펀치(13)를 밀어 블랭크(b)를 가압함으로써 성형품을 생산하는 방법이다.

그런데, 온간 성형방법에서는 형상의 복잡성과 성형 난이도에 따라서, 2회 이상 단계를 나누어 성형품을 가공하고, 통상적으로 1차 성형단계에서 최종 형상의 80%에서 90%를 성형하고, 2차 성형단계 이후에서 나머지 부분을 가공한다.

그래서, 2차 성형단계 이후에는 블랭크 전체를 가열할 필요없이 국부적으로 가공이 필요한 특정부분만 가열하고, 펀치(13)를 삽입하여 성형품을 가공한다.

한편, 블랭크의 열변형과 관련하여, 변형률(dL_e)과 금형과 블랭크의 열팽창계수의 차이(α_p-α_g), 열변형 구간(L_f ₎ 및 온도편차(dt)는 dL_e=(α_p-α_g) * L_f * dt를 만족한다.

여기서, 열변형구간은 가열수단에 의해 블랭크가 가열되는 가열구간의 길이를 말하며, 온도편차는 성형 전후의 온도의 차이를 말한다.

즉, 블랭크의 변형률은 열변형구간과 온도편차에 비례함을 알 수 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 온간 프레스 성형방법에 사용되는 금형구조(10)는 상부금형(11)과 하부금형(12)의 내측에 가열장치(열선, 히터 카트리지 등)을 구비하고 가열장치를 구동하여 블랭크의 일부분을 가열한다.

그런데, 종래의 금형구조(10)는, 금형 내부에 가열장치(14)를 구비함에 따라, 열전도에 의하여 금형 전체의 온도가 상승함으로 인해, 블랭크의 온도분포가 넓은 범위에서 경사진 분포를 유지하게 되어 넓은 경사온도 분포를 형성하여 열변형구간 값이 크게 되어 블랭크의 변형률이 큰 문제가 있었다.

그리고, 온도편차 또한, 펀치(13)에 냉각수단이 구비되어 있지 않아, 성형 당시 블랭크의 온도와 성형 후 냉각된 후의 블랭크의 온도의 차이가 커 블랭크의 변형률이 크게 되어 성형하고자 하는 블랭크가 냉각과정에서 열변형이 심화되어 성형품의 품질이 저하되는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일측면으로서, 블랭크가 성형된 후 성형품의 열변형이 저감될 수 있는 금형구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 일측면으로서, 블랭크를 성형시 성형시간을 단축할 수 있는 금형구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 일측면으로서, 블랭크를 성형시 발생되는 비용을 저감할 수 있는 금형구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서 본 발명은, 내부에 중공이 형성되고 블랭크가 삽입되는 금형부와, 상기 금형부에 형성된 중공으로 삽입되어 블랭크를 성형하는 펀치부 및, 블랭크의 열변형 구간을 감소시키기 위해, 상기 금형부와 분리되어 블랭크의 설정된 부분을 국부적으로 가열하는 가열부를 포함하여 구성되는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조를 제공한다.

그리고, 본 발명의 일 측면으로서, 상기 금형부는, 상기 가열부에 의해 공급된 열이 상기 금형부에 의해 블랭크에 전달되는 것을 방지하여 블랭크의 열변형 구간을 감소하기 위해, 상기 금형부의 내측에 단열부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 일 측면으로서, 상기 가열부는, 블랭크의 일측에 가열된 공기를 분사하여 블랭크를 가열하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 일 측면으로서, 상기 가열부는, 상기 금형부 외부에 구비되며, 가열된 공기를 공급하는 가열공기 공급부와, 블랭크를 국부적으로 가열하도록, 상기 가열공기 공급부에 저장된 가열된 공기를 공급받아 상기 금형부 내부의 중공에 위치하며, 상기 중공에 위치하는 블랭크에 가열된 공기를 분사하는 노즐부 및, 상기 가열공기 공급부와 상기 노즐부를 연결하는 배관부를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 측면으로서, 상기 펀치부는, 블랭크를 성형시 블랭크의 성형 전후 온도편차를 감소시키기 위해, 내부에 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 일 측면으로서, 상기 냉각부는 상기 펀치부에서 유로를 형성하고 물이 상기 유로를 통과하며 상기 펀치부를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 일 측면으로서, 상기 냉각부는, 상기 펀치부의 길이방향으로 형성된 수평유로와 펀치부의 높이방향으로 형성된 수직유로가 폐회로를 형성하며, 냉각물질이 폐회로로 형성된 유로에서 자연순환하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 블랭크의 열변형구간을 감소하여 블량크의 열변형을 저감할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 블랭크의 온도 편차를 저감시켜 블랭크의 열변형을 저감할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 펀치부에 냉각장치를 구비하여, 빠른 냉각에 의한 성형시간을 단축할 수 있는 효과를 제공한다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열풍에 의해 블랭크의 일부를 가열함으로써, 금형 내부에 구비된 가열장치를 구동하여 가열하는 것에 비해 열손실을 최소화하여 성형비용이 감소하는 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 금형구조의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조의 개념도.
도 3 내지 도 4는 종래와 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조에 의해 성형된 블랭크의 온도 분포도.
도 5는 종래와 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조에 의해 성형된 성형품의 온도분포도.
도 6은 도 5에서 X-X'의 단면도.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조를 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 의한 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조(100)는, 전술한 것과 같이, 블랭크의 선열 팽창에 의한 변형률과 관련된 식 dL_e=(α_p-α_g) * L_f * dt 에서, 열변형 구간(L_f ₎ 및 온도편차(dt)를 감소시키기 위해, 블랭크(B)가 삽입되는 금형부(110)와, 상기 금형부(110)에 형성된 중공으로 삽입되어 블랭크를 성형하는 펀치부(120) 및 블랭크에서 설정된 부분을 국부적으로 가열하는 가열부(140)를 포함하여 구성된다.

도 2를 참조하면, 상기 금형부(110)는 상부금형(111)과 하부금형(112)으로 구비되고, 상기 상부금형(111)과 상기 하부금형(112) 사이에 블랭크가 삽입된다.

그리고, 상기 펀치부(120)는 상기 금형부(110) 내측으로 삽입되어 블랭크를 가압하며 블랭크를 성형품으로 성형하며, 이를 위해 상기 금형부(110)의 중심부는 상기 펀치부(120)가 삽입될 수 있도록 중공이 형성된다.

이때, 상기 금형부(110)에 중공이 형성된 중심부의 내주면과, 상기 펀치부(120)의 외주면은 성형하고자 하는 성형품의 외부형상에 따라 다양한 형상으로 구비될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조(100)는, 블랭크의 열변형 구간을 감소시키기 위해, 상기 금형부(110)과 분리되어 블랭크의 설정된 부분(B1)을 국부적으로 가열하는 가열부(140)를 포함하여 구성된다.

여기서, 블랭크의 설정된 부분이란, 블랭크를 1차 성형단계 후에 성형이 완료되지 못하고, 2차 성형이 필요한 부분을 의미하며, 상기 블랭크의 설정된 부분(B1)은 상기 금형부(110) 내부에 상기 펀치부(120)를 삽입하여 성형하기 위해, 상기 금형부(110)에 펀치부(120)가 삽입되는 중공에 위치한다.

그리고, 상기 가열부(140)는 상기 블랭크의 설정된 부분(B1)을 가열하기 위해, 상기 금형부(110) 내부의 중공에 위치하게 된다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 가열부(140)는, 종래의 금형부(110) 내부에 열선, 히트 카트리지 등의 구성으로 금형 내부에 구비되는 것과 달리, 금형과 분리되도록 구비된다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 가열부(140)는 상기 블랭크의 설정된 부분(B1)을 국부적으로 가열하기 위해, 상기 블랭크의 설정된 부분(B1)에 가열된 열을 분사하도록 구비될 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 가열부(140)는 가열된 공기를 블랭크에 분사하도록, 상기 금형부(110) 외부에 구비되며 가열된 공기를 공급하는 가열공기 공급부(141)와, 상기 가열공기 공급부(141)에 저정된 가열된 공기를 공급받아 상기 블랭크의 설정된 부부에 분사하는 노즐부(142) 및 상기 챔버부와 상기 노즐부(142)를 연결하는 배관부(143)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 노즐부(142)는, 전술한 것과 같이, 블랭크에서 2차 성형이 필요한 부분에 가열된 공기를 분사하도록 상기 금형부(110)에서 분리된 상태로 상기 금형부(110) 내측에 형성된 중공에 위치한다.

그리고, 가열된 공기가 저장되는 상기 가열공기 공급부(141)는 상기 금형부(110)의 외부에 구비되고, 상기 가열공기 공급부(141)에 저장된 공기를 가열하는 장치는 공지의 다양한 실시예가 채용될 수 있다.

그리고, 상기 가열공기 공급부(141)와 상기 노즐부(142)를 연결하는 배관부(143)에는 상기 배관부(143)의 개폐를 통해 상기 노즐부(142)에 가열된 공기의 분사를 조절할 수 있는 개폐밸브(144)가 더 구비될 수 있다.

그래서, 본 발명의 일 실시예에 의한 노즐부(142)에 가열된 공기를 상기 블랭크에 분사하면, 상기 블랭크의 설정된 부분(B1)이 가열될 수 있다.

다만, 상기 가열부(140)가 가열된 공기를 분사하여 블랭크를 가열하는 방법은 상기 가열부(140)의 일 실시예에 불과하고, 상기 금형부(110) 외부에서 초음파, 전자빔, 레이져 등을 상기 블랭크에 주사하여 상기 블랭크를 가열할 수 있는 한 다양한 실시예가 채용될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 금형부(110)는, 상기 블랭크가 상기 가열부(140)에 의해 일부분(B1)이 가열된 후, 블랭크의 가열된 부분 이외(B2)에 다른 부분으로 열전도에 의해 전도에 의해 열이 전달되는 것을 방지하기 위해, 상기 금형부(110)의 내측에 단열부재(113)를 구비할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 단열부재(113)는, 상기 금형부(110)의 내측, 즉 상기 금형부(110)에서 상기 금형부(110) 내부에 형성된 중공과 인접한 부분에 내주면을 따라 구비될 수 있다.

종래의 금형장치에서는, 블랭크가 상기 상부금형(111)과 상기 하부금형(112) 사이에 삽입되고 접촉한 상태로 가압되기 때문에, 상기 가열부(140)에 의해 상기 블랭크의 설정된 부분(B1)이 가열된 후에는 상기 블랭크에 전달된 열이 상기 금형부(110)를 통해 가열되지 않은 다른 부분으로 전달될 수 있었다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 금형부(110)는 상기 단열부재(113)를 구비하여, 금형에 의한 열전도에 의해 블랭크의 가열부(140)에 의해 가열되지 않은 부분(B2)으로 열이 전달되는 것을 차단할 수 있다.

그 결과, 성형과정에서 열구간 길이가 상기 가열부(140)에 의해 가열된 부분에 한정되어 열구간 길이가 종래의 금형부(110)에 비해 감소하게 된다.

그리고, 상기 단열부재(113)는 목재, 세라믹 소재, 수지, 플라스틱 등 열전달계수가 작은 물질로 구비되는 한 공지의 다양한 실시예가 채용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시에에 의한 금형구조(100)에 의하면, 상기 가열부(140)는 블랭크를 국부적으로 가열함으로써 열구간 길이를 감소시킬 수 있고, 상기 금형부(110)에 구비된 단열부재(113)에 의해 가열된 블랭크에 의해 전달될 수 있는 열을 차단함으로써 블랭크의 열구간 길이가 감소하게 된다.

도 2를 참조하면, 상기 펀치부(120)는, 블랭크를 성형시 성형 전후의 온도편차를 감소시키기 위해, 내부에 냉각부(130)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 냉각부(130)는, 상기 펀치부(120) 내부에 냉각유로를 형성하고, 유로에 물과 같은 냉각물질을 흐르게 하여 상기 펀치부(120)를 냉각시키도록 구비될 수 있다.

특히, 상기 냉각부(130)에 물이 냉각유로에 흐르게 되는 경우, 물의 끓는점은 100도이기 때문에, 상기 냉각유로에 흐르는 냉각물질은 100도 이하로 유지되고, 상기 펀치부(120)는 100도 이하의 온도로 유지될 수 있다.

그리고, 상기 냉각부(130)는 펌프 등에 의해 냉각물질이 강제순환되도록 구비될 수 있고, 자연순환되도록 구비될 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각부(130)는, 상기 펀치부(120) 상부면의 하단에 수평방향으로 흐르는 수평유로(132)가 형성되고, 상기 수평유로(132)와 연결되어 상기 펀치부(120)의 수직방향으로 수직유로(131)가 형성된다.

그리고, 상기 수직유로(131)의 하단에는 각각의 수직유로(131)가 연결되며, 상기 수직유로(131)와 수평유로(132)는 폐회로를 형성하고, 폐회로를 형성하는 유로는 냉각물질 공급부(134)에서 냉각물질이 유입되도록 공급유로(133)가 연결될 수 있다.

그래서, 상기 펀치부(120)의 상부면 하단에 구비되는 수평유로(132)에 흐르는 냉각물질의 온도가 상승하면, 냉각물질의 열팽창에 의해, 냉각물질은 열팽창 하여 점진적을 상기 수직유로(131)로 유입되며 하강하여 상기 수평유로(132)와 수직유로(131)에 의해 형성되는 폐회로에 냉각물질이 자연순환 할 수 있게 된다.

그래서, 별도의 동력없이도 상기 펀치부(120)가 설정된 온도를 유지하도록 구비될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시에에 의한 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조(100)의 작용 효과에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 블랭크를 가열한 후 블랭크의 온도분포를 나타내는 그래프로, 각각 열변형구간(L_f)이 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 금형구조(100)에서는 가열수단이 금형 내부에 구비되어 있어, 가열수단에 의해 블랭크의 중심부가 가열된 경우에도 열전도에 의해 가열영역 외측으로 열이 전달되어 열변형구간(L_f)이 도 3(a)에 도시된 것과 같이 형성된다.

반면, 본원 발명에는 상기 가열부(140)에 의해 상기 블랭크의 중심부에서 설정된 영역에 한정하여 블랭크를 국부적으로 가열되고, 상기 금형부(110)의 내측에는 열전도를 저감할 수 있는 단열부재(113)가 구비되어 있어 블랭크의 열변형구간(L_f)이 도 3(b)에 도시된 것과 같이, 종래의 금형구조(100)에 비해 감소된다.

그리고, 도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 종래 금형구조(100) 및 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조(100)를 이용하여, 블랭크를 가열한 후 펀치를 상기 금형부(110) 내부에 삽입한 뒤 블랭크의 온도분포를 나타낸 그래프이다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 펀치부(120)는, 내부에 냉각부(130)를 구비하고, 상기 냉각부(130)에 흐르는 냉각물질이 물인 경우, 상기 펀치부(120)의 온도가 100도 미만으로 유지될 수 있어, 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조(100)는 성형 당시의 온도가 종래의 금형구조(100)에 비해 낮게 형성되어 있음을 알 수 있다.

따라서, 블랭크가 상기 펀치부(120)에서 성형된 후, 상온으로 냉각된 후에는, 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조(100)에 의해 성형된 블랭크의 온도편차(dt)가 종래의 금형구조(100)에 의해 성형된 온도편차(dt)에 의해 적은 값을 갖게 된다.

따라서, 전술한 블랭크의 성형후 변형율과 관련된 식 dL_e=(α_p-α_g) * L_f * dt에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조(100)에 의해 성형시, 열변형구간(L_f)과, 온도편차(dt) 값이 모두 감소하게 된다.

그래서, 성형 후 블랭크의 변형률이 종래의 금형구조(100)에 의해 성형한 것에 비해 저감될 수 있고, 이는 도 6에서 도시된 블랭크의 변형정도를 나타낸 결과그래프에서 확인할 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 금형구조(100)에 의해 블랭크를 성형시, 블랭크의 열변형을 저감할 수 있고, 상기 펀치부(120)에 자연순환되는 냉각부(130)를 구비하여 성형후 블랭크의 온도를 종래보다 낮게 형성할 수 있어 성형시간을 단축할 수 있으며, 상기 가열부(140)에 의해 국부적으로 블랭크를 집중적으로 가열할 수 있어 금형 내부에 가열장치를 구비하는 종래에 비해 열손실을 최소화할 수 있어 성형비용이 저감되는 효과를 제공할 수 잇다.

그리고, 본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

100: 금형구조 110: 금형부
111: 상부금형 112: 하부금형
113: 단열부재 120: 펀치부
130: 냉각부 131: 수직유로
132: 수평유로 133: 공급유로
134: 냉각물질 공급부 140: 가열부
141: 가열공기 공급부 142: 노즐부
143: 배관부 144: 밸브

Claims

내부에 중공이 형성되고 블랭크가 삽입되는 금형부;
상기 금형부에 형성된 중공으로 삽입되어 블랭크를 성형하는 펀치부; 및
블랭크의 열변형 구간을 감소시키기 위해, 상기 금형부와 분리되어 블랭크의 설정된 부분을 국부적으로 가열하는 가열부;를 포함하여 구성되는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조.
제1항에 있어서,
상기 금형부는,
상기 가열부에 의해 공급된 열이 상기 금형부에 의해 블랭크에 전달되는 것을 방지하여 블랭크의 열변형 구간을 감소하기 위해, 상기 금형부의 내측에 단열부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조.
제2항에 있어서,
상기 가열부는,
블랭크의 일측에 가열된 공기를 분사하여 블랭크를 가열하는 것을 특징으로 하는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조.
제3항에 있어서,
상기 가열부는,
상기 금형부 외부에 구비되며, 가열된 공기를 공급하는 가열공기 공급부;
블랭크를 국부적으로 가열하도록, 상기 가열공기 공급부에 저장된 가열된 공기를 공급받아 상기 금형부 내부의 중공에 위치하며, 상기 중공에 위치하는 블랭크에 가열된 공기를 분사하는 노즐부; 및
상기 가열공기 공급부와 상기 노즐부를 연결하는 배관부;를 포함하는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조.
제4항에 있어서,
상기 펀치부는,
블랭크를 성형시 블랭크의 성형 전후 온도편차를 감소시키기 위해, 내부에 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조.
제5항에 있어서,
상기 냉각부는,
상기 펀치부에서 유로를 형성하고 물이 상기 유로를 통과하며 상기 펀치부를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조.
제6항에 있어서,
상기 냉각부는,
상기 펀치부의 길이방향으로 형성된 수평유로와 펀치부의 높이방향으로 형성된 수직유로가 폐회로를 형성하며, 냉각물질이 폐회로로 형성된 유로에서 자연순환하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 열변형 저감을 위한 국부가열 금형구조.