KR20170137357A

KR20170137357A - 근적외선 집광가열장치, 이를 포함하는 판재의 성형 시스템 및 이를 이용한 판재의 성형방법

Info

Publication number: KR20170137357A
Application number: KR1020160069371A
Authority: KR
Inventors: 고세진; 이은호; 양동열
Original assignee: 현대자동차주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-13
Also published as: KR101846676B1

Abstract

본 발명은 근적외선 집광가열장치, 이를 포함하는 판재의 성형 시스템 및 이를 이용한 판재의 성형방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 근적외선 집광가열장치는 판재를 가열하는 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1); 및 상기 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1) 중 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들이 서로 접촉하거나 이격되면서 상기 판재의 표면에 밀착될 수 있도록, 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들을 연결하는 연결부(2);를 포함한다. 본 발명에 따르면, 굴곡이 형성된 판재의 표면에도 용이하게 밀착할 수 있으므로, 국부가열시 가열효율을 높일 수 있다.

Description

근적외선 집광가열장치, 이를 포함하는 판재의 성형 시스템 및 이를 이용한 판재의 성형방법{NEAR-INFRARED CONDENSING HEATING DEVISE, PRESSING SYSTEM FOR PANEL INCLUDING THE SAME, AND PRESSING METHOD FOR PANEL USING THE SAME}

본 발명은 근적외선 집광가열장치, 이를 포함하는 판재의 성형 시스템 및 이를 이용한 판재의 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 굴곡이 형성된 판재의 표면에도 용이하게 밀착할 수 있는 근적외선 집광가열장치, 이를 포함하는 판재의 성형 시스템 및 이를 이용한 판재의 성형방법에 관한 것이다.

상기와 같은 고강도 경량화가 가능한 소재의 이용방법 중 첫번째로는 강판을 이용한 경량화 방법이 있다. 차체 소재의 경량화를 위해서 590MPa 이상의 초고장력 강판을 소재로 적용하는 방법이다. 상기한 초고장력 강판은 자체 강성으로 인하여 성형이 어렵고, 크랙이 발생할 가능성이 높으며, 성형 후에도 스프링 백에 의해 치수편차가 발생하기 때문에, 이를 개선하기 위해 추가적인 후가공이 필요한 문제점이 있다.

이러한 초고장력 강판은 성형부 또는 전체적으로 가열을 통하여 연화시킨 상태에서 성형을 이루어 성형성을 개선할 수 있다. 이와 같이, 소개의 가열을 통한 연화상태의 성형방식은 온간성형, 열간성형, 핫 스탬핑 등의 프레스 성형공정에서 이용될 수 있으며, 통상 1500MPa 이상의 초고장력 장판의 성형도 가능한 것으로 알려져 있다.

이에, 최근에는 이러한 온간성형, 열간성형, 핫 스탬핑 등의 프레스 성형공정에서, 소재의 성형부를 가열하여 연화상태로 성형이 이루도록 다양한 소재가열장치의 개발이 진행되고 있으며, 성형조건의 영향을 덜 받으며, 사이클 타임을 최소화하기 위한 다양한 소재가열장치의 개발이 요구되고 있다.

그러나 종래의 근적외선 집광가열장치는 복수 개의 근적외선 집광가열모듈이 유니버셜조인트에 의해 체결되므로, 복수 개의 근적외선 집광가열모듈 사이의 배열의 자유도가 제한되었다. 이에 따라, 판재의 표면 형태가 불균일할 경우에는 판재의 표면에 밀착되기 어려웠다. 따라서, 1차 성형되어 표면에 굴곡이 형성된 판재에 대해, 2차 성형 전 국부가열시 가열효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 별도의 가열공정을 추가 수행함으로 인해, 성형공정의 연속성이 떨어져, 전체 생산라인의 생산성이 떨어지는 문제점이 있었다.

상기와 같은 고강도 경량화가 가능한 소재의 이용방법 중 두번째 방법으로는 차체에 적용하여 차량을 경량화하는 방법이다. 이에 가장 가능성 있는 소재는 알루미늄 판재인데, 알루미늄 판재 또한 성형이 어렵고 스프링백이 큰 문제로 적용이 어려운 문제가 있다. 이를 개선하기 위해, 약간의 열을 가하여 성형성 개선 여부를 확인하였다. 그 결과, 성형 전에 열을 부여하게 되면 초기에는 성형성이 개선되지 않았으나, 소재를 최종형상과 유사하게 가성형한 후 열처리하면 가성형시에 발생된 전위가 회복되면서 성형성이 추가로 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한, 이에 대한 열원으로는 고주파, 적외선 등이 10sec 이내에 400도 이상으로 가열되므로 모두 적용 가능 한 것을 확인하였다. 그러나, 상기와 같은 별도의 가열공정을 추가 수행함으로 인해, 성형공정의 연속성이 떨어지고 전체 생산라인의 생산성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 제1994-033137호 (1993.02.23)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 굴곡이 형성된 판재의 표면에도 용이하게 밀착할 수 있도록, 링크 및 바를 이용하여 복수 개의 근적외선 집광가열모듈을 연결한 근적외선 집광가열장치, 이를 포함하는 판재의 성형 시스템 및 이를 이용한 판재의 성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 근적외선 집광가열장치는 판재를 가열하는 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1); 및 상기 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1) 중 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들이 서로 접촉하거나 이격되면서 상기 판재의 표면에 밀착될 수 있도록, 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들을 연결하는 연결부(2);를 포함한다.

상기 근적외선 집광가열유닛(1)은, 일측에 개방부(11)가 형성되고, 내부에 설치면(13)이 형성되는 프레임(10); 상기 프레임(10)의 설치면(13)에 설치되어 상기 개방부(11)에 대응하는 개구부(21)를 가지며, 타원의 궤적을 따라 적어도 반타원 이상의 단면 형상을 갖는 반사판(20); 및 상기 반사판(20)의 개구부(21) 반대측에 대응하도록 배치되며, 양단이 소켓(31)을 통해 상기 프레임(10)에 장착되는 램프(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들은, 어느 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)의 일단과, 다른 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)의 타단이 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들은, 어느 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)와, 다른 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)가 서로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 연결부(2)는, 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들의 상기 프레임(10)의 상면에 각각 장착되며, 서로 평행한 회동축(2-11)을 각각 구비한 복수 개의 링크(2-1); 상기 복수 개의 링크(2-1)에 각각 일단이 장착되어, 상기 복수 개의 링크(2-1)와 회동가능하게 연결되는 복수 개의 바(2-2); 및 상기 복수 개의 바(2-2)를 서로 회동가능하면서도, 서로 병진운동할 수 있도록 체결하는 샤프트(2-3);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수 개의 바(2-2) 중 어느 하나의 바(2-2)는 중심으로부터 길이방향을 따라 양단을 향해 형성된 슬롯(2-21);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 샤프트(2-3)는 상기 슬롯(2-21)을 관통하면서, 상기 복수 개의 바(2-2) 중 다른 하나의 바(2-2)에 장착되어, 상기 복수 개의 바(2-2)를 서로 체결하는 것을 특징으로 한다.

상기 샤프트(2-3)는 상기 슬롯(2-21)을 따라 병진운동할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 샤프트(2-3)가 상기 다른 하나의 바(2-2)를 관통하는 지점으로부터 상기 다른 하나의 바(2-2)의 일단까지의 길이는, 상기 샤프트(2-3)가 상기 다른 하나의 바(2-2)를 관통하는 지점으로부터 상기 다른 하나의 바(2-2)의 타단까지의 길이의 기설정된 배수의 길이인 것을 특징으로 한다.

상기 기설정된 배수는 1배 내지 2배 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 샤프트(2-3)에 의해 체결된 상기 복수 개의 바(2-2)는, 기설정된 각도 이내의 범위에서만 서로 회동가능한 것을 특징으로 한다.

상기 프레임(10)의 상면으로부터 기설정된 각도 이내의 범위에서만 상기 링크(2-1)에 대해 회동가능한 것을 특징으로 한다.

상기 근적외선 집광가열장치(100)에 의해 가열되는 상기 판재의 성형부위의 온도는 기설정된 온도범위 이내인 것을 특징으로 한다.

상기 판재는 알루미늄 판재이고, 상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 판재의 성형 시스템은 판재를 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형하는 제 1 프레스(1000); 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형된 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)로부터 제 2 프레스(3000)로 이송하며, 상기 판재의 성형부위를 가열하는 이송 및 가열장치(2000); 및 상기 이송 및 가열장치(2000)로부터 상기 판재를 이송받아 기설정된 목표형상으로 성형하는 제 2 프레스(3000);를 포함한다.

상기 이송 및 가열장치(2000)는, 상기 판재의 성형부위의 표면에 밀착되어 상기 판재의 성형부위를 가열하는, 상기 근적외선 집광가열장치(100); 및 상기 근적외선 집광가열장치(100)를 상기 판재의 표면에 밀착시키고, 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)로부터 제 2 프레스(3000)로 이송하는 이송로봇(200);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 판재의 성형방법은 제 1 프레스(1000)에서 판재를 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형하는 제 1 성형단계(S100); 상기 제 1 성형단계(S100) 후, 상기 이송 및 가열장치(2000)가 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)에서 제 2 프레스(3000)로 이송하는 단계(S200); 및 상기 이송하는 단계(S200) 후, 상기 제 2 프레스(3000)에서 상기 판재를 이송받아 기설정된 목표형상으로 성형하는 제 2 성형단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이송하는 단계(S200)는, 이송로봇(200)이 상기 판재를 파지(grab)하여, 상기 제 1 프레스(1000)로부터 이탈시키는 단계(S210); 상기 판재의 성형부위의 표면에 근적외선 집광가열장치(100)를 밀착시키는 단계(S220); 상기 근적외선 집광가열장치(100)가 상기 판재의 성형부위를 가열하는 단계(S230); 및 상기 판재의 성형부위의 표면에서 상기 근적외선 집광가열장치(100)를 이탈시키고, 상기 판재를 상기 제 2 프레스(3000)로 이송하는 단계(S240);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 굴곡이 형성된 판재의 표면에도 용이하게 밀착할 수 있으므로, 국부가열시 가열효율을 높일 수 있다.

또한, 1차 성형 및 2차 성형을 별도로 수행하고, 1차 성형 후 2차 성형 전 이송과정에서 국부가열을 수행함으로써, 연속된 전체 생산공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 알루미늄 판재에 대한 국부가열시 상기 알루미늄 판재의 가열온도를 최적 성형온도 이내로 제한하여, 크랙 또는 스프링백에 의한 제품품질의 산포를 방지할 수 있다.

또한, 타원궤적을 따라 형성된 반사판을 통하여 근적외선 램프의 빛을 반사판의 외측에 집광시켜 에너지 밀도가 높은 집광영역을 형성하고, 이 집광영역에 소재의 성형부를 위치시켜 가열할 수 있도록 함으로써 순간적으로 소재를 가열할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 반사판이 반타원구간과 상기 반타원구간의 양 단부에서 타원의 궤적을 따라 연장되는 연장구간을 갖도록 개구부를 가지며 타원궤적을 따라 형성되어 상기 집광영역에서의 집광밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 반사판의 반사면이 양극산화처리에 의한 표면처리로 집광율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 반사판의 내부는 개구부를 통하여 외부공기와의 대류가 자유로우며, 프레임은 방열성이 좋은 알루미늄 소재로 제작됨과 동시에, 반사판의 외면이 노출되도록 개방부를 형성하여 장치의 과열을 방지하는 효과가 있다.

또한, 모듈단위의 다수의 근적외선 집광가열유닛을 연결 조인트로 연결하여 소재의 성형부를 따라 자유롭게 배치가 가능한 근적외선 집광가열장치를 구성함으로써, 곡선의 복잡한 성형부에도 국부적인 가열이 가능하고, 사양이 다른 소재에 대해서도 공용화하여 사용이 가능한 이점이 있다.

또한, 프레스 성형공정 등의 공정 상에서 성형 직전에 소재의 성형부에 대해서만 국부적으로 가열하여 연화 처리된 상태로 성형이 이루어지도록 함으로써, 성형성 향상 및 전체적인 공정의 사이클타임을 단축할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 근적외선 집광가열유닛의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 집광가열유닛의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 A-A 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 근적외선 집광가열유닛의 반사원리도.
도 5는 본 발명에 따른 근적외선 집광가열장치의 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 근적외선 집광가열장치의 작동상태도.
도 7은 본 발명에 따른 판재의 성형 시스템의 개념도.
도 8은 본 발명에 따른 판재의 성형방법의 순서도.
도 9는 본 발명의 효과를 설명하는 도면.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 근적외선 집광가열유닛의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 근적외선 집광가열유닛의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1의 A-A 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 근적외선 집광가열유닛의 반사원리도이다. 도 1 내지 도 4를 참조할 때, 본 발명에 따른 근적외선 집광가열유닛은 반사판을 통하여 근적외선 램프의 빛을 소재의 성형부에 집광시켜 순간적으로 가열할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 근적외선 집광가열유닛(1)은 기본적으로 프레임(10), 반사판(20), 및 램프(30)로 구성된다. 상기 프레임(10)은 일측에 개방부(11)가 형성되고, 내부에 설치면(13)이 형성된다. 상기 반사판(20)은 상기 프레임(10)의 설치면(13)에 설치되어 상기 개방부(11)에 대응하는 개구부(21)를 갖는다. 또한, 상기 램프(30)는 상기 반사판(20)의 개구부(21) 반대측에 대응하도록 배치된 상태로, 양단이 소켓(31)을 통해 상기 프레임(10)에 장착된다.

이하, 이러한 구성의 근적외선 집광가열유닛(1)의 각 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 즉, 상기 프레임(10)은 일측이 개방된 개방부(11)를 갖는 사각의 구조물로 이루어지며, 상기 반사판(20)의 외면을 지지하도록 내면에 설치면(13)이 형성된다. 이때, 상기 프레임(10)은 반드시 사각의 구조물일 필요는 없으며, 필요에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 프레임(10)은 상기 반사판(20)의 양단이 끼워지도록 상기 개방부(11) 양측 단부를 따라 끼움홈(15)이 형성된다.

또한, 상기 프레임(10)은 상기 개방부(11)를 제외한 외 측면에 각각 상기 반사판(20)의 외면이 노출되도록 방열홀(17)이 형성된다. 이러한 방열홀(17)은 램프(30)의 빛을 반사하여 집광하는 과정에 고온 상태가 되는 반사판(20)의 냉각성능을 높이는 동시에, 상기 프레임(10)의 재료 및 제작비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 상기 프레임(10)은 전후 측면 각 모서리부에 연결홀(19)을 형성하고, 각 연결홀(19)을 통하여 연결 조인트로 연결되도록 단위모듈로 제작된다. 한편, 상기한 프레임(10)은 경량화와 방열성을 고려하여 알루미늄 소재 또는 플라스틱 소재로 제작될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 반사판(20)은 상기 프레임(10)의 설치면(13)에 설치되어 상기 램프(30)의 빛을 반사하여 반사판(20)의 외부에서 집광한다. 이러한 반사판(20)은 개구부(21)가 상기 프레임(10)의 개방부(11)에 대응하도록 배치된 상태로 설치되며, 타원의 궤적을 따라 반타원 이상의 단면 형상을 갖도록 형성되어 개구부(21) 양단이 상기 프레임(10)의 끼움홈(15)에 끼워져 고정된다.

즉, 상기 반타원 이상의 단면이라 함은 상기 반사판(20)이 타원의 궤적을 따라 형성되는 반타원구간(23)과 연장구간(25)을 가질 수 있다는 의미이다. 여기서, 상기 반타원구간(23)은 타원의 궤적을 따라 형성되어 상기 프레임(10)의 설치면(13)에 설치되는 구간이며, 상기 연장구간(25)은 상기 반타원구간(23)의 양 단부에서 타원의 궤적을 따라 연장되어 상기 프레임(10)의 설치면(13)에 설치되는 구간이다.

이러한 반사판(20)은, 도 4를 참조하면, 상기 램프(30)에서 확산되는 빛을 반사하여 상기 반사판(20)의 개구부(21) 외측에서 집광하여 에너지 밀도가 높은 집광영역을 형성한다. 이때, 타원의 궤적은 반사판(20) 내부의 램프(30)의 위치가 고려된 상태로 램프(30)의 빛이 반사판(20)의 외부의 이상적인 위치에서 집광영역을 형성하도록 설정될 수 있다.

즉, 도 4의 (P1)와 같이, 상기 반사판(20)이 반타원의 형상으로 이루어지는 경우, 램프(30)를 기준으로 집광영역의 중심과 반사판(20) 단부가 이루는 각도(θ)가 커서 개구부(21)가 넓게 형성되며, 이로 인해 램프(30)에서 확산된 빛이 반사판(20)에 의해 반사되지 못하고, 개구부(21)를 통하여 빛이 바로 방사되면서 에너지 밀도가 높은 집광영역을 형성하지 못한다.

반면, 도 4의 (P2)와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 반사판(20)은 반타원구간(23)과 함께 반타원구간(23)에서 연장된 연장구간(25)으로 이루어져 램프(30)를 기준으로 집광영역의 중심과 반사판(20) 단부가 이루는 각도(θ)가 상대적으로 작아서 개구부(21)가 좁게 형성되며, 이로 인해 램프(30)에서 확산된 대다수의 빛이 반사판(20)에 의해 반사되어 집광영역의 에너지 밀도를 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 반사판(20)은 반사면인 내면을 표면처리하여 집광율을 높일 수 있다. 이때, 상기 표면처리는 다양한 방법으로 진행될 수 있으며, 특히 양극산화처리 등을 통하여 반사율을 더욱 높일 수 있다.

그리고 상기 램프(30)는 상기 반사판(20)의 개구부(21) 반대측에 대응하도록 반사판(20)의 내부에 길이방향을 따라 배치되고, 양단은 전원공급을 위하여 프레임(10) 상의 소켓(31)에 장착된다. 이러한 램프(30)는 근적외선 광을 출력하는 근적외선 램프로 이루어진다.

도 5는 본 발명에 따른 근적외선 집광가열장치의 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 근적외선 집광가열장치의 작동상태도이다. 도 5 및 도 6을 참조할 때, 본 발명에 따른 근적외선 집광가열장치는 근적외선 집광가열유닛(1) 및 연결부(2)를 포함한다.

근적외선 집광가열유닛(1)은 상기한 바와 같은 구조를 가지며, 판재를 가열하는 역할을 한다. 또한, 근적외선 집광가열유닛(1)은 복수 개일 수 있다.

연결부(2)는 상기 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1) 중 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들이 서로 접촉하거나 이격되면서 상기 판재의 표면에 밀착될 수 있도록, 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들을 연결하는 역할을 한다. 즉, 종래기술에서 복수 개의 근적외선 집광가열유닛들이 유니버셜 조인트로 연결된 것과 달리, 본 발명에서는 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1)을 연결부(2)에 의해 연결함으로써, 굴곡된 판재의 표면에 밀착될 수 있도록 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1)의 배치에 자유도를 부여한 것이다.

상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들은, 어느 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)의 일단과, 다른 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)의 타단이 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들은, 어느 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)와, 다른 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)가 서로 평행하도록 배치될 수도 있다. 이에 따라, 상기한 바와 같이 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1)의 배치의 자유도가 극대화될 수 있는 것이다.

이하, 본원발명의 연결부(2)에 대해 상세히 설명하기로 한다.

상기 연결부(2)는 링크(2-1), 바(2-2) 및 샤프트(2-3)를 포함한다.

링크(2-1)는 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들의 상기 프레임(10)의 상면에 각각 장착되며, 서로 평행한 회동축(2-11)을 각각 구비한다. 상기 링크(2-1)는 복수 개일 수 있다. 바(2-2)는 상기 복수 개의 링크(2-1)에 각각 일단이 장착되어, 상기 복수 개의 링크(2-1)와 회동가능하게 연결된다. 상기 바(2-2) 역시 복수 개일 수 있다. 또한, 샤프트(2-3)는 상기 복수 개의 바(2-2)를 서로 회동가능하면서도, 서로 병진운동할 수 있도록 체결하는 역할을 한다.

따라서, 상기 근적외선 집광가열유닛(1)이 두 개인 경우를 예를 들면, 상기 연결부(2)는 두 개의 링크(2-1), 두 개의 바(2-2) 및 한 개의 샤프트(2-3)를 구비하며, 상기 연결부(2)에 의해 두 개의 근적외선 집광가열유닛(1)은 서로 자유도를 가지고 배치될 수 있는 것이다.

상기 복수 개의 바(2-2) 중 어느 하나의 바(2-2)에는 슬롯(2-21)이 형성된다. 상기 슬롯(2-21)은 상기 어느 하나의 바(2-2)의 중심으로부터 길이방향을 따라 양단을 향해 형성된다. 또한, 상기 샤프트(2-3)는 상기 슬롯(2-21)을 관통하면서, 상기 복수 개의 바(2-2) 중 다른 하나의 바(2-2)에 장착되어, 상기 복수 개의 바(2-2)를 서로 체결한다. 이에 따라, 상기 샤프트(2-3)는 상기 슬롯(2-21)을 따라 병진운동할 수 있는 것이다.

즉, 상기한 바와 같이 링크(2-1)와 바(2-2)는 서로 회동가능하며, 바(2-2)와 바(2-2) 역시 샤프트(2-3)에 의해 서로 회동가능하다. 이에 더하여, 상기 슬롯(2-21)을 따라 상기 샤프트(2-3)가 병진운동할 수 있는 것이다. 따라서, 상기 연결부(2)에 의해 연결된 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들의 배치자유도가 극대화되는 것이다.

상기 샤프트(2-3)가 상기 다른 하나의 바(2-2)를 관통하는 지점으로부터 상기 다른 하나의 바(2-2)의 일단까지의 길이는, 상기 샤프트(2-3)가 상기 다른 하나의 바(2-2)를 관통하는 지점으로부터 상기 다른 하나의 바(2-2)의 타단까지의 길이의 기설정된 배수의 길이일 수 있다. 이때, 상기 기설정된 배수는 1배 내지 2배 중 어느 하나일 수 있다. 즉, 상기 샤프트(2-3)는 상기 바(2-2)의 길이방향의 중심을 관통하거나, 상기 바(2-2)의 길이방향의 1/3 지점을 관통할 수 있는 것이다.

즉, 상기 샤프트(2-3)가 상기 바(2-2)의 길이방향 중 어느 한쪽 끝단으로 지나치게 치우쳐 관통하게 되면, 상기 연결부(2)의 안정성을 담보할 수 없다. 따라서, 상기와 같이 기설정된 배수를 제한하여, 상기 연결부(2)의 안전성을 확보하는 것이다. 이때, 상기 기설정된 배수는 설계자의 의도 등에 따라 달리 설정될 수도 있다.

상기 샤프트(2-3)에 의해 체결된 상기 복수 개의 바(2-2)는, 기설정된 각도 이내의 범위에서만 서로 회동가능하도록 체결될 수 있다. 상기 기설정된 각도는 0도 ~ 90도 범위일 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 바(2-2) 사이의 각도가 상기 기설정된 각도 범위를 벗어나는 경우에는, 상기 연결부(2)의 안정성을 담보할 수 없다. 따라서, 상기와 같이 기설정된 각도를 제한하여, 상기 연결부(2)의 안전성을 확보하는 것이다. 이때, 상기 기설정된 각도는 설계자의 의도 등에 따라 달리 설정될 수도 있다.

또한, 상기 복수 개의 바(2-2)는, 상기 프레임(10)의 상면으로부터 기설정된 각도 이내의 범위에서만 상기 링크(2-1)에 대해 회동가능하도록 제한될 수 있다. 상기 기설정된 각도는 0도 ~ 90도 범위일 수 있다. 즉, 상기 바(2-2)와 상기 프레임(10) 사이의 각도가 상기 기설정된 각도 범위를 벗어나는 경우에는, 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)과의 중첩효과로 인해 의도하지 않은 온도로 가열될 우려가 있는 것이다. 후술할 바와 같이, 근적외선 집광가열유닛(1)에 의한 판재의 가열온도는 성형에 따른 제품품질의 산포를 방지하기 위한 주요 변수이다. 따라서, 이를 방지하기 위해, 상기와 같이 기설정된 각도를 제한하는 것이다. 이때, 상기 기설정된 각도는 설계자의 의도 등에 따라 달리 설정될 수도 있다.

상기 근적외선 집광가열장치(100)에 의해 가열되는 상기 판재의 성형부위의 온도는 기설정된 온도범위 이내일 수 있다. 특히, 상기 판재는 알루미늄 판재인 경우에는 상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하인 것을 특징으로 한다.

차량의 차체로 성형되는 판재(특히, 고장력 강판)는 차체의 경량화를 위해, 알루미늄 판재가 사용되는 추세이다. 그러나 알루미늄 판재는 다른 고장력 강판에 비해 성형성이 낮고 스프링백이 많아, 치수의 정확도를 맞추기 어려운 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 근적외선 집광가열유닛(1)에 의해 국부가열을 하고 있으나, 적정 온도범위를 벗어나면 크랙 또는 항복강도의 제약이 발생하는 것을 확인하였다. (하기의 표 1 및 도 9 참조)

Condition(조건)	Yield Stress(항복강도)	Total Elongation(연신률)
상온성형	135MPa	22%
상온성형=>섭씨 200도 가열/냉각=>상온성형	190MPa (After heating)	25%(15%+10%)
상온성형=>섭씨 300도 가열/냉각=>상온성형	140MPa (After heating)	29%(15%+14%)
상온성형=>섭씨 400도 가열/냉각=>상온성형	120MPa (After heating)	33%(15%+18%)
상온성형=>섭씨 500도 가열/냉각=>상온성형	80MPa (After heating)	36%(15%+21%)

상기 표 1에서와같이, 섭씨 200도 이하로 가열하는 성형조건에서는 Total Elongation(연신률)이 낮고, Yield Stress(항복강도)의 회복량이 적으므로, 2차 성형시 크랙의 발생가능성이 높다. 또한, 섭씨 400도 이상으로 가열하는 성형조건에서는 Yield Stress(항복강도)가 지나치게 낮고, 알루미늄 소재의 재결정 우려가 크다. 따라서, 상기와 같이, 상기 판재가 알루미늄 판재인 경우에는 상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하로 수치범위를 한정하는 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 판재의 성형 시스템의 개념도이다. 도 7을 참조할 때, 본 발명에 따른 판재의 성형 시스템은 제 1 프레스(1000), 이송 및 가열장치(2000) 및 제 2 프레스(3000)를 포함한다.

제 1 프레스(1000)는 판재를 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형하는 역할을 한다. 상기 제 1 프레스(1000)는 제 1 다이(1100), 제 1 펀치(1200) 및 제 1 홀더(1300)를 포함한다. 즉, 제 1 프레스(1000)는 상온상태의 판재를 제 1 다이(1100)와 제 1 홀더(1300) 사이에 고정시키고, 제 1 다이(1100)와 제 1 펀치(1200)에 의해 일정한 형상으로 성형하는 것이다. 이때 상기 기설정된 연신률(elongation)은 15%일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 설계자의 의도에 따라 달리 설정될 수 있다.

이송 및 가열장치(2000)는 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형된 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)로부터 제 2 프레스(3000)로 이송하며, 상기 판재의 성형부위를 가열하는 역할을 한다. 상기 이송 및 가열장치(2000)는, 상기 판재의 성형부위의 표면에 밀착되어 상기 판재의 성형부위를 가열하는 상기 근적외선 집광가열장치(100) 및 상기 근적외선 집광가열장치(100)를 상기 판재의 표면에 밀착시키고, 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)로부터 제 2 프레스(3000)로 이송하는 이송로봇(200)을 포함한다. 상기 근적외선 집광가열장치(100)에 대한 설명은 상술한 바 있으므로, 생략하기로 한다.

이에 따라, 판재의 성형부위가 순간 가열되어 연화된 상태로 제 2 프레스(3000)에 투입되어 성형성이 향상되며, 순간 가열로 성형 공정의 사이클 타임을 단축시킬 수 있다. 또한, 이송과정에서 국부가열을 수행함으로써 별도의 가열공정을 추가할 필요가 없어, 연속된 전체 생산공정의 생산성을 향상시킬 수 있는 것이다.

이때, 상기 근적외선 집광가열장치(100)에 의해 가열되는 상기 판재의 성형부위의 온도는 기설정된 온도범위 이내이다. 특히, 상기 판재는 알루미늄 판재인 경우에는 상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하인 것을 특징으로 한다.

제 2 프레스(3000)는 상기 이송 및 가열장치(2000)로부터 상기 판재를 이송받아 기설정된 목표형상으로 성형하는 역할을 한다. 상기 제 2 프레스(3000)는 제 2 다이(3100), 제 2 펀치(3200) 및 제 2 홀더(3300)를 포함한다. 즉, 제 2 프레스(3000)는 가열된 상태의 판재를 제 2 다이(3100)와 제 2 홀더(3300) 사이에 고정시키고, 제 2 다이(3100)와 제 2 펀치(3200)에 의해 기설정된 목표 형상으로 최종성형하는 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 판재의 성형방법의 순서도이다. 도 8을 참조할 때, 본 발명에 따른 판재의 성형방법은 제 1 프레스(1000)에서 판재를 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형하는 제 1 성형단계(S100); 상기 제 1 성형단계(S100) 후, 상기 이송 및 가열장치(2000)가 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)에서 제 2 프레스(3000)로 이송하는 단계(S200); 및 상기 이송하는 단계(S200) 후, 상기 제 2 프레스(3000)에서 상기 판재를 이송받아 기설정된 목표형상으로 성형하는 제 2 성형단계(S300);를 포함한다.

상기 근적외선 집광가열장치(100)에 의해 가열되는 상기 판재의 성형부위의 온도는 기설정된 온도범위 이내이고, 상기 판재는 알루미늄 판재인 경우에는 상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하인 것을 특징으로 한다.

도 9는 본 발명의 효과를 설명하는 도면이다. 도 9를 참조할 때, 알루미늄 판재는 섭씨 200도 이하로 가열하는 성형조건에서는 Total Elongation(연신률)이 낮고, Yield Stress(항복강도)의 회복량이 적은 것을 확인할 수 있다. 즉, 2차 성형시 크랙의 발생가능성이 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 섭씨 400도 이상으로 가열하는 성형조건에서는 Yield Stress(항복강도)가 지나치게 낮고, 알루미늄 소재의 재결정 우려가 큰 것을 확인할 수 있다.

따라서, 상기와 같이, 상기 판재가 알루미늄 판재인 경우에는 상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하로 수치범위를 한정할 필요가 있음을 확인할 수 있다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

1 근적외선 집광가열유닛
10 프레임
11 개방부
13 설치면
15 끼움홈
17 방열홀
19 연결홀
20 반사판
21 개구부
23 반타원구간
25 연장구간
30 램프
31 소켓
2 연결부
2-1 링크
2-11 회동축
2-2 바
2-21 슬롯
2-3 샤프트
100 근적외선 집광가열장치
200 이송로봇
1000 제 1 프레스
1100 제 1 다이
1200 제 1 펀치
1300 제 1 홀더
2000 이송 및 가열장치
3000 제 2 프레스
3100 제 2 다이
3200 제 2 펀치
3300 제 2 홀더

Claims

판재를 가열하는 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1); 및
상기 복수 개의 근적외선 집광가열유닛(1) 중 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들이 서로 접촉하거나 이격되면서 상기 판재의 표면에 밀착될 수 있도록, 상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들을 연결하는 연결부(2);
를 포함하는 근적외선 집광가열장치에 있어서,
상기 근적외선 집광가열유닛(1)은,
일측에 개방부(11)가 형성되고, 내부에 설치면(13)이 형성되는 프레임(10);
상기 프레임(10)의 설치면(13)에 설치되어 상기 개방부(11)에 대응하는 개구부(21)를 가지며, 타원의 궤적을 따라 적어도 반타원 이상의 단면 형상을 갖는 반사판(20); 및
상기 반사판(20)의 개구부(21) 반대측에 대응하도록 배치되며, 양단이 소켓(31)을 통해 상기 프레임(10)에 장착되는 램프(30);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 1항에 있어서,
상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들은,
어느 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)의 일단과, 다른 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)의 타단이 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 1항에 있어서,
상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들은,
어느 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)와, 다른 하나의 상기 근적외선 집광가열유닛(1)의 상기 램프(30)가 서로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 1항에 있어서,
상기 연결부(2)는,
상기 인접한 근적외선 집광가열유닛(1)들의 상기 프레임(10)의 상면에 각각 장착되며, 서로 평행한 회동축(2-11)을 각각 구비한 복수 개의 링크(2-1);
상기 복수 개의 링크(2-1)에 각각 일단이 장착되어, 상기 복수 개의 링크(2-1)와 회동가능하게 연결되는 복수 개의 바(2-2); 및
상기 복수 개의 바(2-2)를 서로 회동가능하면서도, 서로 병진운동할 수 있도록 체결하는 샤프트(2-3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 4항에 있어서,
상기 복수 개의 바(2-2) 중 어느 하나의 바(2-2)는 중심으로부터 길이방향을 따라 양단을 향해 형성된 슬롯(2-21);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 5항에 있어서,
상기 샤프트(2-3)는 상기 슬롯(2-21)을 관통하면서, 상기 복수 개의 바(2-2) 중 다른 하나의 바(2-2)에 장착되어, 상기 복수 개의 바(2-2)를 서로 체결하는 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 6항에 있어서,
상기 샤프트(2-3)는 상기 슬롯(2-21)을 따라 병진운동할 수 있는 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 6항에 있어서,
상기 샤프트(2-3)가 상기 다른 하나의 바(2-2)를 관통하는 지점으로부터 상기 다른 하나의 바(2-2)의 일단까지의 길이는, 상기 샤프트(2-3)가 상기 다른 하나의 바(2-2)를 관통하는 지점으로부터 상기 다른 하나의 바(2-2)의 타단까지의 길이의 기설정된 배수의 길이인 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 8항에 있어서,
상기 기설정된 배수는 1배 내지 2배 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 4항에 있어서,
상기 샤프트(2-3)에 의해 체결된 상기 복수 개의 바(2-2)는,
기설정된 각도 이내의 범위에서만 서로 회동가능한 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 4항에 있어서,
상기 복수 개의 바(2-2)는,
상기 프레임(10)의 상면으로부터 기설정된 각도 이내의 범위에서만 상기 링크(2-1)에 대해 회동가능한 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 1항에 있어서,
상기 근적외선 집광가열장치(100)에 의해 가열되는 상기 판재의 성형부위의 온도는 기설정된 온도범위 이내인 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
제 11항에 있어서,
상기 판재는 알루미늄 판재이고,
상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하인 것을 특징으로 하는 근적외선 집광가열장치.
판재를 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형하는 제 1 프레스(1000);
기설정된 연신률(elongation)만큼 성형된 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)로부터 제 2 프레스(3000)로 이송하며, 상기 판재의 성형부위를 가열하는 이송 및 가열장치(2000); 및
상기 이송 및 가열장치(2000)로부터 상기 판재를 이송받아 기설정된 목표형상으로 성형하는 제 2 프레스(3000);
를 포함하는 판재의 성형 시스템에 있어서,
상기 이송 및 가열장치(2000)는,
상기 판재의 성형부위의 표면에 밀착되어 상기 판재의 성형부위를 가열하는, 제 1항의 근적외선 집광가열장치(100); 및
상기 근적외선 집광가열장치(100)를 상기 판재의 표면에 밀착시키고, 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)로부터 상기 제 2 프레스(3000)로 이송하는 이송로봇(200);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재의 성형 시스템.
제 14항에 있어서,
상기 근적외선 집광가열장치(100)에 의해 가열되는 상기 판재의 성형부위의 온도는 기설정된 온도범위 이내인 것을 특징으로 하는 판재의 성형 시스템.
제 15항에 있어서,
상기 판재는 알루미늄 판재이고,
상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하인 것을 특징으로 하는 판재의 성형 시스템.
제 14항의 판재의 성형 시스템을 이용한 판재의 성형방법에 있어서,
제 1 프레스(1000)에서 판재를 기설정된 연신률(elongation)만큼 성형하는 제 1 성형단계(S100);
상기 제 1 성형단계(S100) 후, 상기 이송 및 가열장치(2000)가 상기 판재를 상기 제 1 프레스(1000)에서 제 2 프레스(3000)로 이송하는 단계(S200); 및
상기 이송하는 단계(S200) 후, 상기 제 2 프레스(3000)에서 상기 판재를 이송받아 기설정된 목표형상으로 성형하는 제 2 성형단계(S300);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재의 성형방법.
제 17항에 있어서,
상기 이송하는 단계(S200)는,
이송로봇(200)이 상기 판재를 파지(grab)하여, 상기 제 1 프레스(1000)로부터 이탈시키는 단계(S210);
상기 판재의 성형부위의 표면에 근적외선 집광가열장치(100)를 밀착시키는 단계(S220);
상기 근적외선 집광가열장치(100)가 상기 판재의 성형부위를 가열하는 단계(S230); 및
상기 판재의 성형부위의 표면에서 상기 근적외선 집광가열장치(100)를 이탈시키고, 상기 판재를 상기 제 2 프레스(3000)로 이송하는 단계(S240);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재의 성형방법.
제 18항에 있어서,
상기 근적외선 집광가열장치(100)에 의해 가열되는 상기 판재의 성형부위의 온도는 기설정된 온도범위 이내인 것을 특징으로 하는 판재의 성형방법.
제 19항에 있어서,
상기 판재는 알루미늄 판재이고,
상기 기설정된 온도범위는 섭씨 200도 이상이고, 섭씨 400도 이하인 것을 특징으로 하는 판재의 성형방법.