KR20160077433A - 냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 냉각 조절형 프레스 성형장치는 프레스기에 상부와 하부에 설치되는 상부금형과 하부금형으로 제공되는 메인금형;과, 상기 상부금형과 하부금형 중 적어도 하나에 설치되어 상기 소재에 접촉하고, 상기 메인금형에 대하여 독립적으로 이동하게 구비되어 상기 소재와 접촉 해제시에 상기 소재가 냉각되게 제공되는 보조금형;과, 상기 메인금형과 상기 보조금형에 연계되고, 상기 보조금형이 상기 소재와 접촉 또는 접촉 해제되는 것을 가이드하게 제공되는 냉각가이드수단; 및 상기 보조금형과 상기 냉각가이드수단에 연결되어, 상기 보조금형과 상기 냉각가이드수단을 이동하게 제공되는 구동수단;을 포함하여 구성될 수 있다.

Description

냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법{COOLING CONTROL TYPE APPARATUS FOR PRESS FORMING AND METHOD FOR PRESS FORMING}

본 발명은 냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성형품의 국부적 냉각 조절이 가능한 냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로 금형을 이용하여 소재를 성형하는 방법은 도 1에 보이는 것처럼 프레스기(1)에 소정의 형상으로 설계된 금형을 장착하고, 상기 금형으로 소재(M)를 가압하여 실시된다.

구체적으로, 프레스기(1)의 상부 슬라이더(2)에 상부금형(11)을 장착하고, 상부 슬라이더(2)와 마주보게 배치된 프레스기(1)의 볼스터(3)에 하부금형(12)을 장착한다. 그리고, 상기 상부금형과 상기 하부금형 사이에 소재(M)를 인입하고 프레스기(1)의 상부 슬라이더(2)의 하강에 의해 상기 소재(M)를 하부금형(12) 방향으로 가압하는 방법이다.

이와 같이 금형을 이용하여 소재를 성형하는 방법은 매우 다양한데, 그 중에서 열간 프레스 성형(Hot Press Forming)은 강판(소재)를 강의 Ac3온도 이상으로 가열한 후 성형하는 공법이다.

이때, 금형에는 소정의 냉각채널을 설치하여 냉각이 유지되게 하므로, 강판과 금형 간의 접촉에 의해 강판(소재)이 열처리(quenching)(담금질)되어 초고강도의 프레스 성형품이 제조된다.

그러나 이러한 초고강도 성형품은 연신율이 낮고 취성이 있으므로 변형 시 조기 파단하여 충돌 성능을 해칠 수 있는 단점이 있는데, 이를 극복하기 위한 대안으로써 다강도 열간 프레스 성형이 제안된 바 있으며, 이를 위해 다양한 방식의 부분 연화법(partial softening)이 열간 프레스 성형 공법에 접목되고 있다.

부분적인 연화를 위해서 크게 초기 블랭크 가열 온도를 영역별로 달리하는 방법 또는 가열은 균일하게 하되 냉각속도를 영역별로 제어하는 방법이 적용되는데, 이 방법을 이용하면 성형품의 취성을 개선할 수 있게 된다.

이를 위한 방법으로 금형에 발열체를 삽입하여 금형 온도를 올리는 방법, 열전도도가 낮은 금형용 강을 적용하는 방법이 알려진 바 있고, 이와 같은 방법은 모두 강판의 성형시에 국부적인 서냉을 실시하는 것을 기초로 하고 있으며, 이와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0083585호(2007.08.24.공개)에서는 금형면에 요철을 형성하여 강판과 금형의 접촉면적을 줄이는 방법을 개시하고 있다.

그러나 이러한 공법은 성형품 취출 후 필연적으로 서냉 종료온도로부터 상온까지의 최종 공랭을 수반하므로 성형품이 아무런 제약 없이 열변형을 일으키기 쉬울 뿐만 아니라 강판의 성형시에 금형이 밀리는 현상으로 인해 성형품이 스프링백을 일으켜 형상 동결성이 저하되는 문제가 있었다.

한편, 도 2에 보이는 것처럼 다수개의 금형세트를 이용하여 냉각을 실시하는 방법도 제안된바 있다. 즉, 분리형 상부금형(5)은 각각 일측 상부금형(5a)과 타측 상부금형(5b)으로 나누어져 개별로 프레스기의 상부 슬라이더에 연결되게 구비된다. 그리고, 이에 대응되게 구비되는 분리형 하부금형(6)은 각각 일측 하부금형(6a)과 타측 하부금형(6b)으로 나누어져 개별로 프레스기의 볼스터에 설치된다.

이어, 프레스기의 상부 슬라이더의 하강 이후, 성형품(M')의 일측에 배치된 일측 상부금형(5a)과 일측 하부금형(6a)만을 개방하여 성형품(M')의 일정 영역을 공기중으로 개방하는 방법이다.

그러나, 이러한 방법 역시 다수개의 금형세트가 필요하고, 다수개의 금형세트를 사용하기 위해 프레스기의 슬라이드도 별도로 추가되어야 하기 때문에 금형 제작 및 설비 세팅에 비용이 증가하고, 금형의 부피가 커지면서 설비도 함께 복잡해진다는 문제가 있었다.

그러나 이러한 공법은 성형품 취출 후 필연적으로 서냉 종료온도로부터 상온까지의 최종 공랭을 수반하므로 성형품이 아무런 제약 없이 열변형을 일으키기 쉬울 뿐만 아니라 강판의 성형시에 금형이 밀리는 현상으로 인해 성형품이 스프링백을 일으켜 형상 동결성이 저하되는 문제가 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2007-0083585호(2007.08.24.공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 성형품의 형상 동결성을 향상시키고, 스프링백 현상을 방지하여 성형품의 전반적인 물성을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 금형을 이용한 성형 시에 소재의 국부적인 서냉을 효율적으로 실시하고, 금형이 소재 반대방향으로 밀리면서 성형품의 치수 정밀도가 저하되는 것을 방지하여 성형품의 품질을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 성형품의 냉각의 효과적인 금형 구조를 제안하여 작업 능률을 향상시킬 뿐만 아니라 생산성 향상을 도모하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 아래와 같은 냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법을 제공한다.

먼저, 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 냉각 조절형 프레스 성형장치는 프레스기에 상부와 하부에 설치되는 상부금형과 하부금형으로 제공되는 메인금형;과, 상기 상부금형과 하부금형 중 적어도 하나에 설치되어 상기 소재에 접촉하고, 상기 메인금형에 대하여 독립적으로 이동하게 구비되어 상기 소재와 접촉 해제시에 상기 소재가 냉각되게 제공되는 보조금형;과, 상기 메인금형과 상기 보조금형에 연계되고, 상기 보조금형이 상기 소재와 접촉 또는 접촉 해제되는 것을 가이드하게 제공되는 냉각가이드수단; 및 상기 보조금형과 상기 냉각가이드수단에 연결되어, 상기 보조금형과 상기 냉각가이드수단을 이동하게 제공되는 구동수단;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 보조금형은, 상기 상부금형 내에서 분할되어 형성되는 분리부를 복수개 구비하고, 상기 소재의 상면에 접촉하는 상부보조금형; 및 상기 하부금형에 내에서 분할되어 형성되는 분리부를 복수개 구비하고, 상기 소재의 하면에 접촉하는 하부보조금형;을 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 냉각가이드수단은, 상기 메인금형과 상기 보조금형 사이에 설치되어, 상기 보조금형을 상기 소재방향으로 가압하여 상기 소재에 밀착시키는 가압유닛; 및 상기 가압유닛과 상기 구동수단에 연결되어 이동하게 구비되고, 이동 완료 후에, 상기 분리부들 중 적어도 하나는 상기 소재와 접촉 해제되게 제공되는 이동유닛;을 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 분리부들은, 상기 소재와 접촉 여부에 따라 상기 소재 상에 냉각영역을 형성하되, 상기 냉각영역은, 상기 소재와 상기 분리부가 접촉을 유지하는 제1냉각영역; 및 상기 소재와 상기 분리부가 접촉이 해제되는 제2냉각영역;으로 형성될 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 이동유닛은, 상기 제2냉각영역에 대응되는 분리부에 연계되고, 상기 구동수단에 연결되어 이동하게 구비되어, 이동 시에 상기 분리부가 상기 제2냉각영역에서 상기 소재로부터 접촉 해제되도록 제공되는 인서트부재;를 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 인서트부재는, 경사면을 포함하는 쐐기로 제공될 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 구동수단은, 상기 인서트부재에 연결되는 제1구동실린더; 및 상기 상부보조금형 및 상기 하부보조금형 사이에 배치되어, 상기 제2냉각영역에 대응되는 분리부를 이동시키는 제2구동실린더;를 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 가압유닛은, 상기 인서트부재의 경사면에 대응하는 보조경사면을 구비하고, 상기 보조경사면이 상기 경사면에 접촉하게 배치되어, 상기 인서트부재와 슬라이딩 운동하는 배킹플레이트;로 제공될 수 있다.

한편, 다른 측면으로서의 본 발명은 상기 냉각 조절형 프레스 성형장치로 소재를 성형하는 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 프레스 성형방법은 상기 보조금형 사이에 소재를 인입하는 소재인입단계;와, 상기 메인금형을 이동시켜 상기 소재를 가압하는 소재성형단계; 및 상기 보조금형을 이동시키는 소재냉각단계;를 포함한다.

바람직하게, 상기 소재인입단계 이전에 실시되되, 상기 보조금형을 상기 메인금형 내에서 복수개로 분할되게 구비하여 상기 보조금형을 상기 메인금형에 대하여 독립적으로 이동하게 구비하는 금형분할단계;를 더 포함할 수 있다.

보다 바람직하게, 상기 금형분할단계는, 상기 보조금형이 분할되는 영역을 설정하되, 상기 메인금형의 이동 완료 이후에, 상기 보조금형의 분할된 영역이 상기 소재 상에 위치하도록 분할 영역을 설정하는 분할설정단계;를 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 소재냉각단계는, 상기 메인금형의 이동 완료 이후에, 상기 보조금형의 분할된 영역을 이동시켜 상기 소재를 냉각할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 소재인입단계는, 상기 소재를 일정온도로 가열하여 상기 보조금형 사이에 인입할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면 성형품의 국부적인 서냉을 포함한 성형품 전체의 냉각을 금형을 이용하여 용이하게 실시할 수 있다.

따라서, 성형품의 국부적인 서냉 이후에도 성형품의 전체적인 급랭이 가능하여 연속적인 냉각이 가능할 뿐만 아니라 서로 다른 성격의 냉각을 금형 안에서 일률적으로 실시할 수 있다.

또한, 금형의 치수정밀도 및 형상동결성을 향상시키면서 스프링백 및 열변형의 발생은 억제하여 품질이 향상된 성형품을 얻을 수 있다.

아울러, 금형 및 설비의 간소화가 실현되어, 작업 능률이 향상되고 설비비 및 인건비가 감소하므로, 제조원가를 감소시킬 수 있다.

도 1은 통상의 프레스기를 이용한 소재 성형모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 종래에 다수개의 금형세트를 이용하여 소재의 냉각을 실시하는 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 냉각 조절형 프레스 성형장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4a는 도 3의 A-A'의 부분 단면도로서, 성형 초기의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4b는 도 3의 A-A'의 부분 단면도로서, 성형 말기의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4c는 도 3의 A-A'의 부분 단면도로서, 소재가 냉각되는 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 프레스 성형방법을 단계별로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의해 소재가 성형되고 냉각되는 동안 시간 변화에 따른 소재의 온도 변화를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 소재의 온도 및 변형률 이력과 기존 금형가열법에 의한 소재의 온도 및 변형률 이력을 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다.

다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 당업자에 의해 특정 구성요소가 추가, 변경, 삭제된 다른 형태로도 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명과 동일한 사상의 범위 내에 포함됨을 밝혀 둔다.

또한, 아래에서 서술하는 소재는 프레스의 상부 슬라이더의 하강 이전에 금형 사이에 인입되어 놓인 것을 말하며, 성형품은 초기의 상기 소재가 프레스의 상부 슬라이더의 하강 완료 이후에 금형에 의해 가압된 상태에 놓인 것을 의미한다.

먼저, 도 3에 보이는 것처럼 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 냉각 조절형 프레스 성형장치는 프레스기에 상부와 하부에 설치되는 상부금형과 하부금형으로 제공되는 메인금형(미도시)과, 상기 메인금형 중 적어도 하나에 설치되어 소재에 접촉하되, 상기 메인금형에서 분할되고, 상기 메인금형에 대하여 독립적으로 이동하게 제공되는 보조금형과, 상기 메인금형과 상기 보조금형에 연계되어, 상기 소재의 냉각을 조절하는 냉각가이드수단(30) 및 상기 냉각가이드수단에 연결되어 동력을 제공하는 구동수단을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에서 상기 프레스기는 도 1에 보이는 것처럼, 유압식 프레스기로 구비될 수 있고, 상부금형(11)은 프레스기의 상부 슬라이더(2)에 장착되고, 하부금형(12)은 프레스기의 볼스터(3)에 장착될 수 있다.

도 3에 보이는 보조금형은 상기 상부금형에 설치되어 상기 소재에 접촉하는 상부보조금형(21) 및 상기 하부금형에 설치되어 상기 소재에 접촉하는 하부보조금형(22)으로 구비된다.

그리고, 상기 상부보조금형(21) 및 상기 하부보조금형(22)은 각각 상부금형(11) 및 하부금형(12) 내에서 분할되게 형성된다.

구체적으로, 도 3에 보이는 것처럼 상부보조금형 및 하부보조금형은 그 자체를 분할하는 분할선을 하나 이상 구비할 수 있다. 하부보조금형(22)을 예로 들어 설명하면, 하부금형(12) 내부에 구비된 하부보조금형(22)은 제1분할선(L1) 및 제2분할선(L2)을 구비한다. 그리고 상기 제1분할선 및 상기 제2분할선은 하부보조금형(22) 상에 두 개의 영역을 형성하게 된다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 일예로서, 작업환경 및 작업자에 의해 분할선의 개수는 변경될 수 있으며, 분할선의 개수에 의해 하부보조금형(22) 상에 형성되는 영역의 개수 또한 달라질 수 있다.

본 발명에서는 상기 제1분할선 및 제2분할선에 의해 두 개의 영역이 형성된 경우를 일실시예로서 제공하며, 상기 하부보조금형(22) 상에는 상부금형(11)의 하강 완료 이후에 성형품(M')과 접촉을 유지하는 제2하부보조금형(22c)의 영역, 즉, 제1냉각영역(A1)과 성형품(M')과 접촉이 해제되는 제1하부보조금형(22b)의 영역, 즉, 제2냉각영역(A2)이 형성된다. 이는 분할선의 설정에 의해 달라질 수 있고, 소재 또는 성형품의 특성에 따라 분할선은 다른 위치에 설치될 수 있으며, 이는 본 발명에 의해 제한되지 않는다.

선술한 것과 같이 소재와 접촉하는 보조금형 상에서 분할선이 정해지고, 이에 따라 보조금형 상에는 분리부가 정해지게 된다. 본 발명의 바람직한 일실시예에서 분리부는 도 3에 보이는 것처럼, 제1분할선(L1)과 제2분할선(L2)에 의해 보조금형에 설정되는 제2냉각영역(A2)을 일컫는다.

이와 같이 분리부가 설정되어 하부보조금형(22)에 제1하부보조금형(22b)의 영역과 제2하부보조금형(22c)의 영역이 나누어져 정해지면(다만, 분할선 및 분리부의 위치와 개수를 결정하는 것은 작업자에 의해 판단된 소재의 특성 또는 성형품의 특성에 의해 좌우될 수 있다), 상기 제1하부보조금형(22b)은 후술될 방법에 의해 제2하부보조금형(22c)으로부터 분리 이동되어, 하부금형(12) 밖으로 이탈되며, 이로써, 제1하부보조금형(22b)은 성형품(M')의 하면과 접촉 해제된다.

이와 동일한 원리로 상부보조금형(21)도 제1하부보조금형(22b)에 대응되는 위치에 제1상부보조금형(21b)으로, 제2하부보조금형(22c)에 대응되는 위치에 제2상부보조금형(21c)으로 분할되어 제공된다.

따라서, 선술한 것처럼 제1하부보조금형(22b)이 하부금형(12) 밖으로 이탈되어 이동할 때, 제1상부보조금형(21b)도 동시에 제2상부보조금형(21c)으로부터 분리 이동되어 상부금형(11) 밖으로 이탈되어 이동하며, 다만 제1하부보조금형(22b)이 하강할 때, 제1상부보조금형(21b)은 상승하게 되고, 이로써, 성형품(M')의 상면으로부터 접촉 해제되는 것이다.

이와 같은 제1상부보조금형(21b) 및 제1하부보조금형(22b)의 상승 및 하강으로 성형품(M')의 제2냉각영역(A2)은 메인금형 또는 보조금형으로부터 개방되어 공기 중에 노출되면서 공랭이 실시되게 된다.

한편, 냉각가이드수단(30)은 상기 메인금형과 상기 보조금형 사이에 설치되어, 상기 보조금형을 상기 소재방향으로 가압하는 가압유닛 및 상기 구동수단 및 상기 분리부들에 연결되고, 상기 보조금형으로부터 상기 분리부들 중 적어도 하나를 이동시켜 상기 소재와 접촉 해제시키는 이동유닛을 포함한다.

이동유닛은 상기 성형품(M')에서 상기 분리부와 접촉 해제된 영역을 공기 중으로 개방하여 상기 소재 상에 냉각영역을 형성하도록 상기 제2냉각영역(A2)에 대응되는 보조금형의 분리부에 연계되고, 상기 구동수단(40)에 연결되어 이동하게 구비되어, 이동 시에 상기 분리부가 상기 제2냉각영역에서 상기 성형품(M')으로부터 접촉 해제되도록 제공되는 인서트부재(32)를 포함한다.

상기 인서트부재(32)는 도 4a에 보이는 것처럼 상부금형(11) 및 하부금형(12)에 모두 구비될 수 있고, 상부금형(11)의 하강 이전 또는 하강 동안에는 상기 상부금형(11) 및 상기 하부금형(12) 내부에 삽입된 상태로 존재하며, 경사면(32a)을 포함하는 쐐기로 제공된다.

그리고, 상기 가압유닛은 상기 인서트부재(32)의 경사면(32a)에 대응하는 보조경사면(31a)을 구비하고, 상기 보조경사면이 상기 경사면에 접촉하게 배치되어, 상기 인서트부재와 슬라이딩 운동하는 배킹플레이트(31)로 제공된다.

배킹플레이트(31) 또한 상부금형(11) 및 하부금형(12)에 모두 구비될 수 있고, 그 위치는 하부금형(12)을 예로 들어, 제1하부보조금형(22b)의 하부와 하부금형(12)의 상부 사이에 놓일 수 있고, 도 4a에 보이는 것처럼 인서트부재(32) 또한 제1하부보조금형(22b)의 하부와 하부금형(12)의 상부 사이에 놓이는바, 인서트부재(32)의 상부에 배치되어, 보조경사면(31a)이 하부로 놓이게 배치될 수 있다.

이러한 경우 인서트부재(32)의 경사면(32a)이 보조경사면(31a)과 접촉되게 상부로 놓이게 배치되어 인서트부재(32)와 배킹플레이트(31)는 상호 슬라이딩 운동하게 구비된다.

배킹플레이트(31)는 상부보조금형 또는 하부보조금형을 소재(M) 방향으로 가압하고, 프레스기의 상부금형(11)의 하강시 반력에 의해 상부보조금형 또는 하부보조금형이 소재의 반대 방향으로 밀리는 것을 방지하기 위한 부재로서, 인서트부재(32)에 의해 그 효과가 더욱 증대될 수 있다. 즉, 배킹플레이트(31) 및 인서트부재(32)는 제1상부보조금형(21b) 및 제1하부보조금형(22b)이 분리됨으로써 발생할 수 있는 상부금형(11) 및 하부금형(12) 내부의 공극을 제거하도록 상부보조금형 및 하부보조금형을 더욱 압착시키는 역할을 하게 되고, 이에 따라, 성형 공정에서 성형품(M')의 성형 반력으로 인하여 보조금형이 성형품의 반대방향으로 밀리는 것을 방지할 뿐만 아니라, 오히려 성형품(M') 방향으로 보조금형을 가압하면서 성형품의 치수 정밀도 및 형상 동결성을 향상시키는 효과를 창출하게 된다.

이하에서는, 도 4a 내지 도 4c를 참고로 하여, 선술한 보조금형의 분리 및 이동에 관하여 보다 상세히 설명하도록 한다.

먼저, 도 4a는 프레스기의 상부 슬라이더가 하강하기 이전으로 상부금형(11)과 하부금형(12)에 각각 구비된 상부보조금형과 하부보조금형 사이에 소재(M)가 인입된 상태를 도시하고 있다.

이때, 구동수단(40)으로 구비되는 지지브라켓(41)이 각각 상부금형(11) 및 하부금형(12)에 고정 설치되어, 일정길이 연장되게 구비되며, 여기에는 소재(M)의 상면에 평행한 방향으로 제1구동실린더(42)가 복수개 고정 설치되어 있다.

그리고 상기 제1구동실린더(42)의 피스톤로드의 단부는 인서트부재(32)에 연결되어, 피스톤로드의 신장 또는 수축에 의해 인서트부재(32)를 이동하게 구비되며, 제1구동실린더(42)의 피스톤로드는 신장되어 있다.

또한, 구동수단(40)으로 구비되는 제2구동실린더(43)는 제1하부보조금형(22b)에 고정되어 피스톤로드의 단부가 제1상부보조금형(21b)에 설치된 상부관통홀(21a)에 삽입된다. 이 상태에서 제1구동실린더 상부관통홀(21a)은 상부보조금형 및 하부보조금형의 분리부의 이동을 보다 용이하고 안정적으로 하는 효과가 있으며, 제2구동실린더(43)의 일측을 지지하는 역할도 수행한다.

그리고 하부보조금형에는 상기 상부관통홀(21a)에 대응되는 위치에 하부관통홀(22a)이 구비되며, 하부관통홀(22a)은 제2구동실린더(43)의 실린더몸체를 보다 안정적으로 지지할 수 있도록 한다.

또한, 상기 상부관통홀 및 상기 하부관통홀은 피스톤로드가 완전히 접철되어 실린더몸체 내로 수축할 때, 상기 제2구동실린더(43)의 실린더몸체의 도피 공간 역할을 하기도 한다. 따라서, 제2구동실린더(43)의 규격을 고려하여 상부관통홀(21a) 및 하부관통홀(22a)의 크기를 설정하면, 소재(M)의 치수정밀도에 영향을 미치지 않게 된다.

다만, 이와 같은 구성에서 상부관통홀(21a)이 하부보조금형에 설치되고, 제2구동실린더(43)가 상부보조금형에 고정 설치되며, 피스톤로드의 단부가 하부보조금형에 연결되는 역방향 구동도 얼마든지 가능함은 통상의 기술자에게는 자명한 사항일 것이다.

소재(M)가 인입되는 동안 제2구동실린더(43)의 피스톤로드는 신장되어 있다가, 프레스의 상부 슬라이더의 하강에 의해 상부금형(11)이 하강하면, 이에 대응되게 단계적으로 수축되면서, 상부금형(11)의 하강완료 이후에는 실린더몸체 내로 완전히 들어가게 되고, 실린더몸체는 상부관통홀(21a) 및 하부관통홀(22a)에 마련된 공간으로 도피하면서 상부금형(11)의 하강에 반력을 미치지 않게 된다.

그리고, 하부금형(12)에는 일측에 일정높이 돌출되는 제1결합돌기(12a)가 제공된다. 그리고, 상기 하부금형(12)의 상부에 설치되는 인서트부재(32)에는 상기 제1결합돌기(12a)에 대응되는 위치에 제1결합홈(12b)이 제공되며, 상기 인서트부재(32)의 상부에 설치되는 배킹플레이트에는 상기 제1결합돌기(12a)에 대응되는 위치에 제2결합홈(12c)이 제공된다. 이와 같은 구성은 도 4a에 보이는 것처럼 상부금형(11)에도 동일하게 적용될 수 있다.

상기 제1결합돌기, 제1결합홈 및 제2결합홈은 상부금형(11)의 하강에 따라 이동하는 인서트부재(32) 및 배킹플레이트(31)의 결합을 원활하게 하며, 상호 결합 또는 결합 해제됨으로써 성형 반력에 의해 보조금형이 소재(M)의 반대방향으로 밀려나는 것을 서포트하는 효과가 있다.

즉, 인서트부재(32)가 보조금형 내에 삽입되어 있을 때는 제1결합돌기(12a)가 제1결합홈(12b)에 삽입되어 인서트부재(32)의 삽입력을 보다 강하게 하고, 도 4c에 보이는 것처럼 인서트부재(32)가 보조금형 내에서 이동하여 이탈되어 있을 때는 제1결합돌기(12a)가 제2결합홈(12c)에 삽입되어, 배킹플레이트(31)로 각각의 부재들 간에 결합력을 높이고 공극을 없애주는 역할을 하게 되는 것이다.

한편, 도 4b에 보이는 것처럼, 상부금형(11)이 하강하여 소재가 성형품(M')의 형상대로 가압된 상태가 되면, 인서트부재(32)의 경사면과 배킹플레이트(31)의 보조경사면 사이에는 상기 부재들 간에 슬라이딩 운동 공간이기도 한 결합공간(S1)이 형성된다.

이어, 제1구동실린더(42)의 피스톤로드를 수축시켜 인서트부재(32)를 보조금형에서 인출해내되, 이는 상부보조금형 및 하부보조금형에 설치된 인서트부재에서 모두 동시에 수행하는 것이 바람직하다.

그러면, 배킹플레이트(31)의 보조경사면(31a)과 인서트부재(32)의 경사면(32a)이 상호 슬라이딩 운동하고, 제1결합돌기(12a)는 배킹플레이트에 구비된 제2결합홈(12c)과 결합된다.

이러한 상태에서, 상부금형(11)의 하강과 함께 수축되었던 제2구동실린더(43)의 피스톤로드를 신장시켜 상부보조금형(21b)을 들어올린다. 여기서, 상기 제1구동실린더(42) 및 제2구동실린더(43)는 선술한 실린더 이외에도 다양한 유압, 공압, 유공압 액츄에이터로 제공될 수 있음은 물론이다.

도 4b에 나타난 결합공간(S1)이 도 4c에 보이는 것과 같은 인서트부재(32)의 이탈로 배킹플레이트(31)가 도피할 수 있는 공간이 되면서, 상부금형(11) 및 하부금형(12)에 상기 결합공간(S1)만큼의 공간이 생기고, 그 공간으로 각각 제1상부보조금형(21b) 및 제1하부보조금형(22b)이 들어가게 되면서, 성형품(M')은 상기 제1상부보조금형 및 상기 제1하부보조금형과 접촉하고 있던 영역이 공기 중으로 개방되게 되는 것이다.

이렇게 개방된 영역은 선술한 제2냉각영역(A2)이 되면서 공기에 의한 공랭, 즉, 서냉이 시작되게 되고, 여전히 보조금형에 접촉하고 있는 제1냉각영역(A1)은 금형에 설치된 냉각수채널(50)에 의해 급냉이 진행되어 동일한 상부금형(11) 및 하부금형(12) 사이에 있는 성형품(M')에서 동시에 서로 다른 냉각이 진행되게 된다.

즉, 도 6에 보이는 것처럼, 열간 프레스 성형의 경우 가열된 상태에서 높은 온도를 띄고 있는 블랭크(소재)가 가열온도(E)로 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 냉각 조절용 프레스 성형장치에 구비된 메인금형으로 이송된다.

그러면 성형 시작온도(F)로 다소 떨어진 상태에서 금형에 의한 성형이 진행되고, 상부금형(11)의 하강 완료로 성형이 완료되면, 상기 블랭크(소재)의 온도는 금형 열처리 시작온도(G)를 띄게 된다.

이후, 냉각을 진행하기 위해 상기 제1상부보조금형(21b) 및 상기 제2상부보조금형(22b)을 개방하는 시간(J)을 설정하고 그 시간 동안 상기 제1상부보조금형 및 상기 제2상부보조금형을 이동하여 서냉 시작온도(H)를 띄고 있는 블랭크(소재)의 일부 영역을 공기 중에 개방하면 블랭크(소재)의 제2냉각영역(A2)에서는 공기에 의한 서냉이 진행되면서 연질부가 형성되게 된다. 그동안 제1냉각영역(A1)은 상부보조금형(21) 및 하부보조금형(22)과 접촉이 계속 진행되고, 냉각수 채널(50)에 의해 제2냉각영역보다 빠르게 냉각되면서 경질부가 형성되게 된다.

상기 제1상부보조금형(21b) 및 상기 제2상부보조금형(22b)을 개방하는 시간(J)이 지나고 블랭크(소재)가 2차 금형 열처리 시작온도(I)를 띄게 되면 개방하였던 제1상부보조금형 및 상기 제2상부보조금형을 다시 폐쇄하고, 상부보조금형(21) 및 하부보조금형(22)으로 블랭크(소재)를 가압하는 시간(K)을 설정하고, 그 시간 동안 블랭크(소재)의 전체 영역을 가압하면 2차 금형 열처리 시작온도(I)에서부터 전체 블랭크(소재)의 온도는 계속 떨어지면서 냉각이 급속히 진행된다.

그러면, 공기 중에 개방하였던 블랭크(소재)의 제2냉각영역(A2)은 공냉에 의해 자유로운 수축이 진행되다가, 다시 폐쇄되는 제1상부보조금형 및 상기 제2상부보조금형에 접촉함으로써 급냉이 일어나게 되는데, 이에 따라, 상기 제2냉각영역(A2)에서는 자유로운 수축이 방지되면서 형상 동결성이 향상되게 된다.

이와 같은 과정의 수행을 위하여, 블랭크(소재)의 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단(미도시)을 추가로 구비할 수 있으나, 이는 작업자 및 작업환경에 의해 적절히 선택될 수 있는 사항이다.

한편, 다른 측면으로서의 본 발명은 프레스기의 상부와 하부에 설치되는 상부금형과 하부금형으로 제공되는 메인금형 및 상기 메인금형에 설치되는 보조금형으로 소재를 성형하고 냉각하는 방법으로, 도 5에 보이는 것처럼 상기 보조금형 사이에 소재를 인입하는 소재인입단계(300)와, 상기 메인금형을 이동시켜 상기 소재를 가압하는 소재성형단계(400) 및 상기 보조금형을 이동시키는 소재냉각단계(500)를 포함하는 프레스 성형방법을 제공한다.

여기서, 본 발명에 의한 프레스 성형방법은, 상기 소재인입단계 이전에 실시되되, 상기 보조금형을 상기 메인금형 내에서 복수개로 분할되게 구비하여 상기 보조금형을 상기 메인금형에 대하여 독립적으로 이동하게 구비하는 금형분할단계(200)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 금형분할단계(200)는 상기 보조금형이 분할되는 영역을 설정하되, 상기 메인금형의 이동 완료 이후에, 상기 보조금형의 분할된 영역이 상기 소재 상에 위치하도록 분할 영역을 설정하는 분할설정단계(210)를 포함할 수 있는데, 이는 블랭크(소재)가 금형에 의해 가압되어 성형품으로 되는 영역에 냉각영역이 존재하도록 하기 위한 것으로, 성형품과 관계없이 상기 블랭크 상에서 스크랩 처리되는 영역에 보조금형의 분할된 영역이 설정되지 않도록 하기 위한 것이다.

이어, 상기 소재냉각단계에서는 상기 메인금형의 이동 완료 이후에, 상기 보조금형의 분할된 영역을 이동시켜 상기 블랭크(소재)를 냉각할 수 있다.

다만, 프레스 성형이 열간 성형으로 진행될 경우에 상기 소재인입단계(300)에서는 상기 소재를 일정온도로 가열하여 상기 보조금형 사이에 인입하는 단계가 추가될 수 있다.

정리하면, 본 발명에 의한 냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법에 의하면, 동일한 소재에서 서로 다른 냉각영역을 형성하여 경질부와 연질부를 동시에 구비하는 소재를 일체형으로 성형할 수 있다는 것이다.

즉, 도 7에는 본 발명에 의한 냉각 조절형 프레스 성형장치 및 프레스 성형방법에 의해 성형된 소재의 온도 및 변형률 이력(P1)과 기존 금형가열법에 의한 소재의 온도 및 변형률 이력(P2)이 도시되어 있다.

도 7에 보이는 것과 같이, 내부금형이 개방되어 있는 동안 본 발명에 의해 성형되는 소재는 공냉에 의해 자유로운 수축을 일으키면서 해당영역에 연질부를 형성하는데, 일정시간 이후 다시 내부금형을 폐쇄하게 되면 금형에 의해 해당영역에서 자유로운 수축이 방지될 뿐만 아니라, 급냉이 실시되게 된다.

이와 같은 원리로 하나의 다이세트를 가지고 동일한 소재(M) 상에서 형상 동결성 뛰어난 연질부와 경질부를 동시에 구비하는 성형품(M')을 제조할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 사항은 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한 것이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

1 : 프레스기 10 : 메인금형
11 : 상부금형 12 : 하부금형
21 : 상부보조금형 22 : 하부보조금형
30 : 냉각가이드수단 31 : 배킹플레이트
32 : 인서트부재 50 : 냉각수 채널
M : 소재 M' : 성형품

Claims (13)

1. 프레스기에 상부와 하부에 설치되는 상부금형과 하부금형으로 제공되는 메인금형;
   상기 상부금형과 하부금형 중 적어도 하나에 설치되어 상기 소재에 접촉하고, 상기 메인금형에 대하여 독립적으로 이동하게 구비되어 상기 소재와 접촉 해제시에 상기 소재가 냉각되게 제공되는 보조금형;
   상기 메인금형과 상기 보조금형에 연계되고, 상기 보조금형이 상기 소재와 접촉 또는 접촉 해제되는 것을 가이드하게 제공되는 냉각가이드수단; 및
   상기 보조금형과 상기 냉각가이드수단에 연결되어, 상기 보조금형과 상기 냉각가이드수단을 이동하게 제공되는 구동수단;
   을 포함하여 구성되는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 보조금형은,
   상기 상부금형 내에서 분할되어 형성되는 분리부를 복수개 구비하고, 상기 소재의 상면에 접촉하는 상부보조금형; 및
   상기 하부금형에 내에서 분할되어 형성되는 분리부를 복수개 구비하고, 상기 소재의 하면에 접촉하는 하부보조금형;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 냉각가이드수단은,
   상기 메인금형과 상기 보조금형 사이에 설치되어, 상기 보조금형을 상기 소재방향으로 가압하여 상기 소재에 밀착시키는 가압유닛; 및
   상기 가압유닛과 상기 구동수단에 연결되어 이동하게 구비되고, 이동 완료 후에, 상기 분리부들 중 적어도 하나는 상기 소재와 접촉 해제되게 제공되는 이동유닛;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 분리부들은,
   상기 소재와 접촉 여부에 따라 상기 소재 상에 냉각영역을 형성하되,
   상기 냉각영역은,
   상기 소재와 상기 분리부가 접촉을 유지하는 제1냉각영역; 및
   상기 소재와 상기 분리부가 접촉이 해제되는 제2냉각영역;
   으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 이동유닛은,
   상기 제2냉각영역에 대응되는 분리부에 연계되고, 상기 구동수단에 연결되어 이동하게 구비되어, 이동 시에 상기 분리부가 상기 제2냉각영역에서 상기 소재로부터 접촉 해제되도록 제공되는 인서트부재;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 인서트부재는,
   경사면을 포함하는 쐐기로 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 구동수단은,
   상기 인서트부재에 연결되는 제1구동실린더; 및
   상기 상부보조금형 및 상기 하부보조금형 사이에 배치되어, 상기 제2냉각영역에 대응되는 분리부를 이동시키는 제2구동실린더;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 가압유닛은,
   상기 인서트부재의 경사면에 대응하는 보조경사면을 구비하고, 상기 보조경사면이 상기 경사면에 접촉하게 배치되어, 상기 인서트부재와 슬라이딩 운동하는 배킹플레이트;
   로 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각 조절형 프레스 성형장치.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 냉각 조절형 프레스 성형장치로 소재를 성형하는 방법으로,
   상기 보조금형 사이에 소재를 인입하는 소재인입단계;
   상기 메인금형을 이동시켜 상기 소재를 가압하는 소재성형단계; 및
   상기 보조금형을 이동시키는 소재냉각단계;
   를 포함하는 프레스 성형방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 소재인입단계 이전에 실시되되,
    상기 보조금형을 상기 메인금형 내에서 복수개로 분할되게 구비하여 상기 보조금형을 상기 메인금형에 대하여 독립적으로 이동하게 구비하는 금형분할단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 금형분할단계는,
    상기 보조금형이 분할되는 영역을 설정하되,
    상기 메인금형의 이동 완료 이후에, 상기 보조금형의 분할된 영역이 상기 소재 상에 위치하도록 분할 영역을 설정하는 분할설정단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형방법.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 소재냉각단계는,
    상기 메인금형의 이동 완료 이후에, 상기 보조금형의 분할된 영역을 이동시켜 상기 소재를 냉각하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형방법.
    
13. 제9항에 있어서,
    상기 소재인입단계는,
    상기 소재를 일정온도로 가열하여 상기 보조금형 사이에 인입하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형방법.

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