KR20160001788A

KR20160001788A - 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160001788A
Application number: KR1020140079016A
Authority: KR
Inventors: 주재혁; 박국남; 조대기; 이덕영; 최보성
Original assignee: 대구대학교 산학협력단; 주재혁
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-01-07
Also published as: KR101591874B1

Abstract

본 발명은 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법에 관한 것으로, 상부다이(10)와; 상기 상부다이(10)의 저부에 설치된 블랭크(20)와; 상기 블랭크(20)의 저부에 복수개 설치되어 이의 하부에 위치되어 성형되는 루프 레일의 서로 다른 위치에 성형이 이루어지도록 높이차가 있는 펀치(30)와; 상기 펀치(30)가 설치되도록 하고, 이를 가이드 하는 홀더(40)로 구성되어 패드(A) 및 패드(C) 부위 상부다이(10)가 상승하는 다이 상승단계(S1단계)와; 패드(B)의 플랜지 부위가 패널을 잡는 패널 홀딩단계(S2단계)와; 패드(B)의 스탬핑(stamping)과 동시에 패드(A), 패드(B) 및 패드(C) 부위를 패딩(padding)하는 스탬핑 및 패딩단계(S3단계) 및; 패드(A)와 패드(C) 부위의 상부다이(10)의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하는 성형단계(S4단계)로 이루어져 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정으로 모자형 단면(

)으로 길이가 긴 자동차 차체 패널의 멤버 및 레일류와 같은 형태의 자동차 차체 패널을 프레스 성형하는 과정에서 리스트라이킹 공정이 필요 없는 더블 크로스 패드 금형 구조를 개발함으로써 드로잉 또는 포밍과정에서 치수 변형을 잡으면, 리스트라이크 공정을 삭제할 수 있는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법{Double cross pad of upper die for compensating deformation after stamping automotive structure panel and method thereof}

본 발명은 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반적인 루프 레일의 드로잉 금형 구조에서 상형 금형을 다이와 패드로 분할하고 상형 금형의 패드를 3등분으로 구간을 나누어 중앙의 패드는 패널의 모자형 형상으로 제작하지만, 좌, 우 패드 부위는 플랜지 부위를 제외한 윗면만을 잡아주는 구조로 하여 드로잉 성형 후 리스트라이크의 기능이 가능한 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1에 나타낸 자동차 차체 패널(루프 레일)을 프레스 성형으로 생산하기 위해서는 형상에 따라 차이는 있으나 일반적으로 도 2에 나타낸 바와 같이 블랭킹(blanking), 한차례 또는 그 이상의 드로잉(drawing) 혹은 포밍(forming), 트리밍(trimming), 피어싱(piercing), 리스트라이킹(restriking) 등 일련의 공정을 거쳐야 한다. 이때 특히 굽힘(bending)이나 플랜지(flange) 공정을 수반하는 경우, 강판의 탄성복원에 의한 스프링백( springback) 현상을 겪게 되어 성형된 패널 형상이 목적한 제품의 형상을 벗어나게 된다.

일반적인 루프 레일의 드로잉 금형 구조는 도 3에 나타낸 바와 같이 하형 홀더와 상형 금형의 다이가 플랜지 부위를 홀딩한 후 하형 펀치 금형 성형에 의해 최종 제품을 제작한다. 루프 레일과 같이 단면의 폭에 비해 길이가 길고 길이 방향으로도 곡률이 있을 경우, 패널의 중앙부위보다 양 끝단에서 비틀림 및 스프링 백이 더 크게 발생한다.

특히, 차체 패널 중 멤버류 또는 레일류는 모자형 기본단면(

)으로 제품의 길이가 길어 길이 방향으로 비틀림 변형도 발생하므로 제품의 정밀도를 확보하기가 더욱 어렵다.

최근 연비 향상을 위하여 700MPa 이상의 인장 강도를 갖는 초고장력 강판의 사용이 늘고 있는데, 소재 강판의 인장 강도가 높아질수록 신율은 낮아져 성형성이 떨어질 뿐 아니라 인장 강도에 비례하여 길이 방향의 비틀림 및 스프링백 변형을 해결하는데 많은 어려움이 있다.

스프링백은 주름(wrinkling), 크랙(crack)과 함께 프레스에 의한 판재 성형 과정에서 발생하는 대표적인 성형 불량이다. 스프링백 현상은 판재 성형 과정에서 금형에 의한 구속이 풀려 외력이 제거되었을 때, 판재 내의 잔류응력에 의해 정적 평형상태를 유지하기 위하여 탄성적으로 재편되면서 형상이 변하는 것을 말한다. 스프링백은 제품의 치수정밀도를 떨어뜨려 품질 저하 및 각 부품 사이의 외관 불량, 조립 불량의 원인이 되므로 반드시 해결하여야 한다.

스프링백은 성형품의 기하학적 형상변수, 소재의 두께 및 물성치 등의 재료변수, 블랭크 홀딩력, 펀치 속도, 마찰이나 윤활 상태와 같은 공정변수 등 여러 인자들로부터 복합적인 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 스프링백의 주원인으로 공정변수인 경우에는 경험, 시행착오 및 직관에 의하여 해결할 수 있는 경우가 많다. 그리고 형상 및 재료변수가 스프링백의 주원인인 경우에는 변형 형상 및 각도, 항복강도, 탄성계수, 재료의 두께 등이 복합적으로 영향을 미친다.

산업현장에서는 숙련자의 경험 또는 금형 트라이-아웃(try-out) 과정에서 성형을 위한 적정 조건을 구하거나 금형을 수정하는 시행착오를 겪으며 금형을 수정, 보완하여 스프링백 발생량을 줄인다. 또한 형상동결성 확보를 위하여 리스트라이크 공정 등을 추가하여 해결하고 있다. 특히 공정이 증가하면 신차 개발비 및 개발 시간 증가 등의 악영향을 미친다. 특히 고강도강판은 일반 강판에서 경험하지 않은 피어싱, 트리밍 공정에서도 스프링백이 발생하는 등 판이한 성형 특성을 보이므로 고강도강판의 스프링백을 보다 정확히 예측하여 스프링백 발생량을 저감시켜야만 고강도강판의 적용 확대를 통한 경량화를 실현할 수 있다.

리스트라이크 보정 방법은 스프링백을 제거하기 위하여 현재 프레스금형 설계 시 가장 보편적으로 적용되는 공법이다. 우선 강판을 제 1공정에서 블랭킹하여 블랭크를 만든 후, 두 차례에 걸친 포밍공정(제 2, 3공정)을 통하여, 1차 포밍공정에서 스프링백을 제어하고 감소시키는 동시에 2차 포밍공정에서 경험적으로 스프링백 양을 추정하여 미리 약 1°∼ 2°를 보정한다. 그리고 마지막 공정(제 4공정)에서 측면에서 다시 리스트라이킹 공정으로 스프링백 양을 최종 보정한다.

그러나 이러한 방법은 블랭킹공정 이외에 두 번의 포밍 공정과 리스트라이킹 공정 등 총 4번의 공정이 필요하다. 따라서 공수가 증가하며 당연히 금형의 수 및 제작비도 증가한다. 또한 일반적으로 블랭크 형상이 자유 곡면인 경우 블랭크의 유입량이 일정하지 않다. 그러므로 이 공법은 최종 공정인 제 4공정의 결과치를 통하여 제 1공정에서 초기 블랭크의 형상을 반복적으로 수정하여 변경하여야만 하며, 제 1공정을 위한 블랭킹 금형 또한 반복적으로 수정(즉, 육성 또는 NC 절삭가공)하여야 한다. 마지막으로 제 4공정의 결과치를 바탕으로 제 3공정에서 스프링백 양을 재보정하기 위하여 금형을 다시 수정하여야 한다.

결과적으로 이 공법은 금형개발 비용의 증가, 금형개발 기간의 증가, 완성차업체에서의 패널 성형을 위한 스탬핑 공수 증가 및 패널의 정밀도 저하로 인하여 총체적인 경쟁력 확보가 어렵다고 하는 결점이 있다.

최근 스프링백 발생을 원천적으로 해결하기 위하여 U형 차체 패널과 같은 자동차 차체 패널을 프레스 성형할 때, 수직벽 플랜지 끝단을 하형 금형이 위 방향으로 압력을 가하여 밀어 올림으로써 패널의 모서리 부위가 금형과 더 밀착되게 하여 탄성 변형을 억제하는 업폼 공법이 소개되었다.

또한 스프링백의 제거를 위하여 현재 프레스금형 설계시 흔히 사용하는 두 번째 방법으로 드로 비드(draw bead)에 의한 금형 보정법이 있다. 이 공법은 블랭크에 인장응력을 증가시켜 스프링백을 감소시키기 위하여, 도 4와 같이 제품 형상의 바깥쪽(trim line 외측)에 여육(addendum)을 만든 후 드로 비드를 추가 가공하여 블랭크를 인장시키는 방법이다. 즉, 작업공정은 우선 1 공정인 드로잉 공정, 2 공정인 트림 라인을 따라 블랭크의 트리밍 공정, 3 공정인 피어싱, 커팅, 캠 커팅등의 공정, 그리고 마지막으로 4 공정인 캠 플랜징의 공정으로 제품이 완성된다.

이 공법은 여육면이 더해짐으로써 초기 블랭크 크기가 실 제품보다 약 30% 정도 커지게 되어 블랭크 소재비가 증가하며 드로 금형 제작비도 증가한다. 또한 스프링백의 양을 측정하여 다시 금형을 수정하여야한다. 마지막으로 4 공정인 캠 플랜징에 필요한 캠 금형의 경우 금형 수정의 난이성과 수정 시간이 일반금형의 수정보다 2배 이상 소요되므로 금형의 제작비 및 수정비가 급격히 증가하고 납기 지연 등으로 금형제작업체의 경쟁력이 저하된다.

이와 같이 멤버류나 레일류 패널의 경우 우선 길이 방향의 스프링백을 해결하기 위하여 변형을 예측한 후, 금형에서 실제 패널 치수와 달리 길이 방향으로 전체 형상의 예측된 변형을 고려한 역보정 기술을 적용하여 길이 방향으로의 스프링백을 잡은 후 측벽의 플랜지 경사를 변형하는 등의 보정 순서를 적용하고 있다. 그러나 초고장력 소재를 드로잉 혹은 포밍 공법에 의해 패널을 제작할 경우, 트리밍(trimming) 또는 피어싱 후 리스트라이크 공정이 추가되는 경우가 보편적이다. 따라서 본 발명에서와 같이 더블 크로스 패드 금형 구조를 적용하여 드로잉 혹은 포밍 성형 과정에서 치수 변형을 잡으면 리스트라이크 공정을 삭제할 수 있다.

이와 같이 자동차 차체 패널 중 멤버(member) 또는 레일(rail)의 기본 단면은 모자형이며, 길이가 긴 경우가 대부분이다. 멤버나 레일을 성형하면, 길이가 길어 비틀림 변형이 발생하고 기본 단면의 측벽으로는 스프링백(springback) 변형이 발생하는데, 제품의 양 끝단 부위에서 스프링백은 비틀림 변형과 함께 더욱 심하게 발생한다.

이러한 변형을 제어하기 위해 금형의 상형 다이(die)를 3등분으로 분할하여 변형이 적은 중앙 부위는 제품 전체 형상으로, 변형이 큰 좌, 우는 모자형 단면의 윗부분을 잡아주는 패드(pad)와 측벽 플랜지(flange)를 성형하는 다이로 구분하는 더블 크로스 패드 금형으로 제작된다. 프레스 성형 과정에서 도 5의 패드(A) 및 패드(C) 부위 다이가 상승되어 있는 상태에서 패드(B)의 플랜지 부위가 패널을 먼저 잡은 후, 패드(B)의 플랜지 부위 스탬핑(stamping)과 동시에 패드(A), 패드(B) 및 패드(C) 부위의 패딩(padding)이 수행된다. 그런 후 마지막으로 패드(A)와 패드(C) 부위의 상형 다이의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하면, 패드(A) 및 패드(C) 플랜지 부위에 발생하는 스프링백에 대한 비틀림 및 스프링백 변형을 보다 효과적으로 제어할 수 있다.

더블 크로스 패드 금형 구조는 일반적으로 첫 번째 공정에 적용할 수 있으며, 최근 자동차 차체 경량화를 위해 폭넓게 적용되고 있는 초고장력 강판의 경우 드로잉(drawing) 공정에 적용하면 리스트라이크(restrike) 공정을 삭제할 수 있으므로 합리적으로 프레스 성형 공정 및 공법을 결정할 수 있고 공정 삭제에 따른 생산성 증가 등의 경제적인 효과도 커질 수 있다.

본 발명은 종래 일반적인 루프 레일의 드로잉 금형 구조에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점 들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정으로 모자형 단면(

)으로 길이가 긴 자동차 차체 패널의 멤버 및 레일류와 같은 형태의 자동차 차체 패널을 프레스 성형하는 과정에서 리스트라이킹 공정이 필요 없는 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정장치는 상부다이(10)와; 상기 상부다이(10)의 저부에 설치된 블랭크(20)와; 상기 블랭크(20)의 저부에 복수개 설치되어 이의 하부에 위치되어 성형되는 루프 레일의 서로 다른 위치에 성형이 이루어지도록 높이차가 있는 펀치(30)와; 상기 펀치(30)가 설치되도록 하고, 이를 가이드하는 홀더(40)로 이루어져 패드(A)와 패드(C) 부위의 상부다이(10)의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정으로 모자형 단면(

)으로 길이가 긴 자동차 차체 패널의 멤버 및 레일류와 같은 형태의 자동차 차체 패널을 프레스 성형하는 과정에서 리스트라이킹 공정이 필요 없는 더블 크로스 패드 금형 구조를 개발함으로써 플랜지 부위에 발생하는 스프링백에 대한 독립적인 제어가 가능하므로 제품의 양 끝단에서 크게 발생하는 비틀림 및 스프링백 변형을 보다 효율적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 금형의 측벽의 모서리 반지름이나 기울기를 자유롭게 역 보정하여 성형할 수 있으므로 루프 레일 양 끝단에서의 비틀림 변형이나 스프링백 변형을 보정할 수 있고, 드로잉 또는 포밍과정에서 치수 변형을 잡으면, 리스트라이크 공정을 삭제할 수 있는 각별한 장점이 있다.

도 1은 자동차 차체 패널(루프 레일)을 나타낸 도면,
도 2는 차체 패널 프레스 성형 표준 4공정 레이아웃,
도 3은 종래 일반적인 루프 레일의 드로잉 금형 구조도,
도 4는 드로비드 보정방법의 2 공정인 트리밍(trimming) 공정 및 4 공정인 캠 플랜징(cam flanging)을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 더블 크로스 패드 전체 금형의 기본 구조를 나타낸 도면,
도 6a 내지 도 6d는 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정방법을 실시하는 공정도,
도 7은 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정방법을 실시하는 순서도 이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 더블 크로스 패드 전체 금형의 기본 구조를 나타낸 도면, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정방법을 실시하는 공정도, 도 7은 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정방법을 실시하는 순서도로서, 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정장치는 상부다이(10)와; 상기 상부다이(10)의 저부에 설치된 블랭크(20)와; 상기 블랭크(20)의 저부에 복수개 설치되어 이의 하부에 위치되어 성형되는 루프 레일의 서로 다른 위치에 성형이 이루어지도록 높이차가 있는 펀치(30)와; 상기 펀치(30)가 설치되도록 하고, 이를 가이드 하는 홀더(40)로 이루어져 패드(A)와 패드(C) 부위의 상부다이(10)의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하도록 구성되어 있다.

한편 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정방법은 패드(A) 및 패드(C) 부위 상부다이(10)가 상승하는 다이 상승단계(S1단계)와; 패드(B)의 플랜지 부위가 패널을 잡는 패널 홀딩단계(S2단계)와; 패드(B)의 스탬핑(stamping)과 동시에 패드(A), 패드(B) 및 패드(C) 부위를 패딩(padding)하는 스탬핑 및 패딩단계(S3단계) 및; 패드(A)와 패드(C) 부위의 상부다이(10)의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하는 성형단계(S4단계)로 이루어져 있다.

상기 패널의 양 끝단을 패널의 중앙과 분리하여 독립적으로 제어할 수 있는 구조로 금형의 측벽의 모서리 반지름이나 기울기를 자유롭게 역 보정하여 성형함으로써 드로잉 성형 후 리스트라이크 기능이 동시에 가능하다.

실시예

도 6 및 도 7에 도시한 본 발명 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형을 보정하였다.

먼저 도 7에 나타낸 다이 상승단계(S1단계)에서 패드(A) 및 패드(C) 부위 상부다이(10)를 상승시키고(도 6a), 이어서 패널 홀딩단계(S2단계)에서 패드(B)의 플랜지 부위가 패널을 잡아(도 6b) 스탬핑 및 패딩단계(S3단계)에서 패드(B)의 스탬핑(stamping)과 동시에 패드(A), 패드(B) 및 패드(C) 부위를 패딩(padding)하고(도 6c), 마지막으로 성형단계(S4단계)에서 패드(A)와 패드(C) 부위의 상부다이(10)의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하였다(도 6d).

이와 같이 함으로써 패드(A) 및 패드(C)는 패드(B)와 별개의 상부 금형의 작동이 이루어지고 금형의 측벽의 모서리 반지름이나 기울기를 자유롭게 역 보정하여 성형할 수 있으므로 루프 레일 양 끝단에서의 비틀림 변형이나 스프링백 변형을 용이하게 보정할 수 있음을 확인할 수 있었다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한 정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.

10 : 상부다이 20 : 블랭크
30 : 펀치 40 : 홀더

Claims

상부다이(10)와; 상기 상부다이(10)의 저부에 설치된 블랭크(20)와; 상기 블랭크(20)의 저부에 복수개 설치되어 이의 하부에 위치되어 성형되는 루프 레일의 서로 다른 위치에 성형이 이루어지도록 높이차가 있는 펀치(30)와; 상기 펀치(30)가 설치되도록 하고, 이를 가이드 하는 홀더(40)로 이루어져 패드(A)와 패드(C) 부위의 상부다이(10)의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하도록 구성된 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정장치.
제 1항에 있어서, 상기 패널의 양 끝단을 패널의 중앙과 분리하여 독립적으로 제어할 수 있는 구조로 금형의 측벽의 모서리 반지름이나 기울기를 자유롭게 역 보정하여 성형함으로써 드로잉 성형 후 리스트라이크 기능이 동시에 가능한 것을 특징으로 하는 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정장치.
패드(A) 및 패드(C) 부위 상부다이(10)가 상승하는 다이 상승단계(S1단계)와; 패드(B)의 플랜지 부위가 패널을 잡는 패널 홀딩단계(S2단계)와; 패드(B)의 스탬핑(stamping)과 동시에 패드(A), 패드(B) 및 패드(C) 부위를 패딩(padding)하는 스탬핑 및 패딩단계(S3단계) 및; 패드(A)와 패드(C) 부위의 상부다이(10)의 플랜지 부위가 패널의 측벽을 성형하는 성형단계(S4단계)로 이루어진 것을 특징으로 하는 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정방법.
제 3항에 있어서, 상기 패널의 양 끝단을 패널의 중앙과 분리하여 독립적으로 제어할 수 있는 구조로 금형의 측벽의 모서리 반지름이나 기울기를 자유롭게 역 보정하여 성형함으로써 드로잉 성형 후 리스트라이크 기능이 동시에 가능한 것을 특징으로 하는 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정방법.