KR20180069333A - 스프링백 저감용 금형장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 스프링백 저감용 금형장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 판재의 프레스 성형시 플렌지부에 추가적인 인장력을 부여함으로써 뒤틀림을 방지하여 스프링백을 저감하는 스프링백 저감용 금형장치 및 이를 이용한 스프링백 저감방법에 관한 것이다.

Description

스프링백 저감용 금형장치 및 그 제조방법{MOLDING APPARATUS FOR REDUCING SPRING BACK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은, 스프링백 저감용 금형장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 판재의 프레스 성형시 플렌지부에 추가적인 인장력을 부여함으로써 뒤틀림을 방지하여 스프링백을 저감하는 스프링백 저감용 금형장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

판재의 프레스 성형가공시 발생할 수 있는 스프링백은 성형후 판재에서 금형이 제거될 때 정적 평형상태를 유지하기 위하여 판재 내부의 응력이 재분포되면서 발생하는 변형 형상으로, 제품의 치수 정밀도를 떨어트리게 된다.

최근 연비효율의 개선과 배기가스등의 문제 및 충돌안전 성능 향상의 요구로 인하여 경량화를 위한 고강도 강판의 적용에 대한 요구가 계속 증가하고 있는데, 강판의 강도가 높아질수록 성형성의 저하와 스프링백량의 증가로 치수 정밀도의 제어가 어려워지는 문제점이 있었다.

스프링백 현상은 부품/금형의 형상 및 성형 후 잔류응력에 의해 크기 및 형태가 결정되고, 잔류응력이 최소가 되도록 변형이 발생된다. 이러한 스프링백은 Angular change, Curl, Twisting 형태로 발생될 수 있는데, 특히, 차량의 센터필러부품과 같이 길이방향으로 긴 비대칭 형상의 제품의 성형시에 균일하지 않은 응력분포로 인해, Twisting 즉 비틀림이 주로 발생하고, 이러한 스프링백 현상 중에서 비틀림에 대한 수정이 가장 어려운 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-0727844호 (2007.06.07)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 판재의 프레스 성형시 플렌지부에 추가적인 인장력을 부여함으로써 뒤틀림을 방지하여 스프링백을 저감하는 스프링백 저감용 금형장치 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치는, 탑부와 탑부의 폭방향 외측으로 연장형성되는 플렌지부를 구비하도록 피가공판재를 프레스가공하기 위한 금형장치에 있어서, 상기 피가공판재를 가압하기 위한 펀치부의 상단면에는

상기 탑부를 형성하기 위한 탑부 가공부; 상기 플렌지부를 형성하기 위한 플렌지 가공부;를 포함하고, 상기 플렌지 가공부의 상단면에는 상기 플렌지부의 길이방향으로 각각 이격형성되는 적어도 하나 이상의 비드를 형성하기 위한 비드돌기부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 비드돌기부는 폭방향 중앙부와 양단부가 동일한 곡률반경(R1)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 비드돌기부는 상기 플렌지부의 길이방향과 직교하게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 피가공판재는 초고장력강으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 곡률반경(R1)은 상기 플렌지부에 부여할 인장력의 크기에 따라 정해지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치 제조방법은 탑부와 탑부의 폭방향 외측으로 연장형성되는 플렌지부를 구비하도록 피가공판재를 프레스가공하기 위한 금형장치의 제조방법에 있어서,프레스성형의 하사점에서 상기 탑부 및 플렌지부에 각각 작용하는 응력을 측정하는 단계; 피가공판재를 가압하기 위한 펀치부의 상단면 일측에 상기 플렌지부의 길이방향으로 각각 이격형성되는 적어도 하나 이상의 비드를 형성하기 위한 비드돌기부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 비드돌기부는 폭방향 중앙부와 양단부가 동일한 곡률반경(R1)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 비드돌기부는 상기 플렌지부의 길이방향과 직교하게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 피가공판재는 초고장력강으로 형성되는 것을 특징으로 할 수있다.

또한, 상기 곡률반경(R1)은 상기 플렌지부에 부여할 인장력의 크기에 따라 정해지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 판재의 프레스 성형시 플렌지부에 추가적인 인장력을 부여함으로써 뒤틀림을 방지하여 스프링백을 저감하는 효과가 있다.

도 1은 프레스 성형시 탑부에 작용하는 인장응력에 따른 스프링백을 보여주는 도면.
도 2는 프레스 성형시 플렌지부에 작용하는 압축응력에 따른 스프링백을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치를 이용하여 가공한 차량의 센터필러 제품을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치의 펀치부를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치를 이용하여 가공한 차량의 센터필러 제품에 대한 응력분포를 보여주는 사진.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치를 이용하여 가공한 차량의 센터필러 제품의 비틀림을 방지하여 스프링백을 저감한 것을 개략적으로 보여주는 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.

본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 프레스 성형품에 있어서 특정 가공하고자 하는 부분을 탑(TOP)부, 탑부의 둘레에 형성되어 추후 트리밍되어 제거되는 부분을 플렌지(FLANGE)부로 그 명칭을 정의하고 이하 설명한다.

도 1 및 도 2는 프레스 성형시 탑부 및 플렌지부에 작용하는 인장응력에 따른 스프링백을 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면, 차량의 센터필러 패널과 같이 길이방향으로 긴 제품을 프레스 성형하는 경우, 탑부는 성형하사점에서 길이방향으로 강한 인장응력이 걸리고, 금형 이형 후에는 응력이 개방되면서 제품이 화살표 방향으로 수축되어 스프링백이 발생한다. 반대로 플렌지부는 성형하사점에서 플렌지면에 길이방향으로 압축응력이 걸리고, 금형 이형 후에는 응력이 개방되면서 화살표 방향으로 인장되어 스프링고가 발생한다. 이렇게 각 하나의 제품에 대해서 작용하는 인장응력의 방향과 크기에 편차가 발생함으로 인해 비틀림등의 스프링백이 발생하게 되는 것이다.

본 발명에서는 탑부와는 반대 길이방향으로 압축응력이 작용하는 플렌지부에 별도의 인장력을 부여하고, 그 크기 역시 탑부에 걸리는 압축응력의 크기와 동일하게 제어함으로써 성형하사점에서 탑부와 플렌지부의 성형력의 균형을 잡아 비틀림을 수정하고, 결과적으로 스프링백을 저감하는 것이 기술적 사상의 핵심이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치를 이용하여 가공한 차량의 센터필러 패널 제품을 보여주는 도면이다.

도 3을 참고하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 스프링백 저감용 금형장치를 이용하여, 차량의 센터필러 패널과 같이 길이방향으로 긴 제품을 프레스 가공함으로써 비틀림을 방지하여 스프링백을 저감할 수 있다.

상기 도 1 및 도 2에서 확인한 바와 같이, 하사점에서 탑부에는 길이방향으로 인장응력이 작용하고, 플렌지부에는 압축응력이 작용한다. 따라서, 도 3과 같이, 플렌지부에 길이방향과 직교하도록 비드를 형성할 수 있고, 후술할 바와 같이, 비드는 횡단면이 거의 반원의 형상을 갖기 때문에, 비드를 형성함에 따라 비드 적용전보다 길이방향으로 전체적인 길이가 길어짐으로써 플렌지부에 인장력을 부여할 수 있고, 탑부에 작용하는 인장응력과 균형을 맞출수 있게 되는 것이다.

이때, 상기 비드는 횡단면이 거의 반원을 이루는 하프파이프 형상으로 형성될 수 있고, 폭방향 중앙부와 양단부가 동일한 곡률반경(R1)값을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 비드의 길이는 가공하고자 하는 제품의 전체적인 상 및 그에 따른 플렌지부의 형상에 따라 그 길이가 정해질 수 있다.

이러한 비드는 적어도 하나 이상이 적용될 수 있으며, 복수개가 적용되는 경우에는 길이방향을 따라 일정 간격으로 각각 이격되어 형성될 수 있다.

본 발명에서 비드의 크기는 플렌지부에 부여해야 할 추가적인 인장력의 크기에 따라 정해질 수 있고, 종래 압축응력이 작용하는 플렌지부에 추가적인 인장력을 부여함으로써, 최종적으로는 탑부에 걸리는 인장응력과 동일한 방향과 크기의 변형력이 작용하게 되는 것이다.

따라서, 상기 비드의 중앙부 및 양단부의 곡률반경(R1)은 플렌지부에 추가적으로 부여되어야 할 인장력의 크기에 따라 정해질 수 있고, 비드의 길이 및 개수 역시 이러한 필요한 인장력의 크기에 따라 정해 질 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치의 펀치부를 보여주는 도면이다.

도 4를 참고하여 설명하면, 상술한 것과 같은 프레스 가공이 필요한 길이방향으로 긴 제품을 프레스 성형하는 과정에 있어서, 플렌지부에 인장력을 부여하기 위한, 비드를 형성하기 위해 하부금형 즉, 펀치부에 그와 동일한 형상이 양각되어 있어야 한다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치는 피가공판재를 가압하여 프레스 성형하기 위한 펀치부(하부 금형) 및 다이(상부 금형)로 구성될 수 있으며, 그 사이에 피가공판재를 위치시킨 상태에서 하부 금형 또는 상부 금형이 승하강함으로써 펀치부에 양각된 형상에 따라 상기 피가공판재를 성형하게 된다. 이때, 가압시 피가공판재의 유동을 방지하기 위한 바인더가 더 포함될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서의 하부금형 즉 펀치부는 탑부와 탑부의 폭방향 외측으로 연장형성되는 플렌지부를 구비하도록 피가공판재를 프레스가공하기 위한 금형장치를 구성하고, 이때, 피가공판재는 초고장력강판(본 발명에서의 초고장력강판은 인장 강도가 600MPa 이상인 강판을 의미)을 의미한다. 이러한 피가공판재를 가압하기 위한 펀치부의 상단면에는 상기 탑부를 형성하기 위한 탑부 가공부 및 플렌지부를 형성하기 위한 플렌지 가공부가 포함될 수 있다. 또한, 상기 플렌지 가공부의 상단면에는 앞서 도 3에서와 같이, 제품의 플렌지부의 길이방향으로 각각 이격형성되는 적어도 하나 이상의 비드를 형성하기 위한 비드돌기부를 더 포함할 수 있고, 비드돌기부 역시 제품의 플렌지부에 형성된 비드와 동일한 형상으로 이루어져야 하는 것은 당연하다.

따라서, 이러한 비드돌기부 역시 상기 플렌지부의 길이방향과 직교하게 형성되어야 하며, 이는 상술한 바와 같이, 하사점에서 플렌지부의 길이방향으로 압축응력이 작용하기 때문에, 이러한 압축응력의 방향과 직교하게 형성되어야 하기 때문이다

또한, 이러한 비드돌기부가 폭방향 중앙부와 양단부가 각각 동일한 곡률반경(R1)을 갖도록 형성되는 것이 바람직한 것은 상술한 바와 같고, 이러한 곡률반경(R1)뿐만 아니라, 적용되어야 하는 비드돌기부의 개수 및 그 길이역시 하사점에서 탑부 및 플렌지부에 작용하는 응력의 크기에 따라 정해질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스프링백 저감용 금형장치의 제조방법은 탑부와 탑부의 폭방향 외측으로 연장형성되는 플렌지부를 구비하도록 피가공판재를 프레스가공하기 위한 금형장치의 제조방법에 있어서,

프레스성형의 하사점에서 상기 탑부 및 플렌지부에 각각 작용하는 응력을 측정하는 단계, 피가공판재를 가압하기 위한 펀치부의 상단면 일측에 상기 플렌지부의 길이방향으로 각각 이격형성되는 적어도 하나 이상의 비드를 형성하기 위한 비드돌기부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어 질 수 있다.

상기 응력측정 단계는 다양한 방법으로 행해질 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 스트레인 게이지(Strain gage)를 블랭크의 각 부위에 부착시켜 프레스 성형시 발생하는 인장,압축응력을 측정하였다. 이때, 스트레인 게이지는 저항으로 구성된 센서로, 피 측정물에 부착되어 물리적인 변형률(strain)을 휘스톤 브릿지 방식을 이용해 전기적 신호로 변경하여 피 측정물의 기계적인 미세한 변형을 측정하게 되는데, 스트레인 게이지의 전기 저항체는 잡아당기면 가늘고 길게 되어 저항이 증가하고, 반대로 굵어지고 짧아지면 저항값이 줄어든다. 결과적으로 변형의 값을 전기적인 신호로 바꾸어 변형률 또는 응력을 측정하게 되는 것이다.

이러한 응력측정 결과, 상기 도 1 및 도 2에서 확인한 바와 같이, 성형 하사점에서 탑부에는 인장응력이, 반대로 플렌지부에는 압축응력이 작용한다는 것을 확인하였다.

따라서, 펀치부의 상단면에는 탑부 가공부 및 플렌지 가공부를 형성하고, 플렌지 가공부의 상단면에는 압축응력이 작용하는 플렌지부에 추가적인 인장력을 부여하여, 전체적인 성형력에 있어서 탑부와 균형을 맞출수 있는 것이다. 추가적인 인장력 부여를 위해 상기 플렌지 가공부의 상단면에는 제품의 플렌지부의 길이방향으로 각각 이격형성되는 적어도 하나 이상의 비드를 형성하기 위한 비드돌기부를 형성할 수있다.

이때, 상기 비드돌기부는 폭방향 중앙부와 양단부가 동일한 곡률반경(R1)을 갖도록 형성될 수 있고, 이러한 비드돌기부는 그 횡단면이 거의 반원을 이루는 하프파이프 형상을 갖게 되고, 그 길이방향이 상기 플렌지부의 길이방향과 직교하게 형성됨으로써, 플렌지부에 작용하는 압축응력의 방향과 직교하게 형성될 수 있다. 즉, 이러한 일정한 크기를 갖는 비드가 플렌지부의 길이방향으로 형성되기 때문에, 비드 적용전보다 길이방향으로 전체적인 길이가 길어짐으로써 플렌지부에 인장력을 부여할 수 있고, 탑부에 작용하는 인장응력과 균형을 맞출수 있게 되는 것이다.

플렌지 가공부의 상단면에 형성되어야 할 비드돌기부의 개수 및 각 비드돌기부의 폭, 즉 폭방향의 중앙부 및 양단부의 곡률반경(R1)과 각 비드의 길이는 제품의 플렌지부에 부여되어야 할 인장력의 크기에 따라 정해질 수 있다. 이러한 추가적으로 필요한 인장력은 상기 응력측정단계를 통해 측정되는 탑부와 플렌지부의 응력의 크기에 따라 정해지고, 결과적으로 탑부에 작용하는 인장응력의 크기와 동일한 크기의 인장력이 작용해야 하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서는 차량의 센터필러 패널 제품을 프레스 성형하였고, 스프링백의 정량적 측정을 위해 비접촉 3차원 광학 측정장비인 GOM ATOS를 활용하여 스프링백을 측정했다. ATOS는 8mega pixel triple scanner로 형상을 3D 스캔하여 CAD 대비 변위의 차이를 contour로 보여준다.

도 5에 도시된 바와 같이, 성형 하사점에서 응력제어를 위한 비드를 플렌지부에 형성함으로써, 탑부에 작용하는 인장응력과 동일한 크기의 인장응력이 플렌지부에 작용함을 확인하였다. 본 실시예에서는 표 1에 나타난바와 같이, 곡률반경(R1)에 따라 추가적으로 부여할 수 있는 인장력의 크기를 확인하였고, 중앙부와 양단부의 곡률반경을 5R(5mm)을 갖도록 형성하여 플렌지부에 1400MPA의 추가적인 인장력을 부여함으로써 전체적으로 탑부와 플렌지부에 대한 성형력의 방향 및 크기의 균형을 잡아 비틀림을 최소화하였다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 길이방향 단부(B-B')의 비틀림을 최소화함으로써 결과적으로 스프링백을 저감하였음을 확인 할 수 있다.

도 3에 있어서, 중앙부 실선영역 외측부는 트리밍공정을 통해 제거하게 되기 때문에, 최종 제품에 있어서 불필요한 형상을 추가하는 문제도 없음을 알 수 있다.

R1(mm)	부여된 인장력(MPa)
1	350
2	500
3	930
4	1160
5	1400
6	1860
7	크랙 발생

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 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.

Claims (10)

1. 탑부와 탑부의 폭방향 외측으로 연장형성되는 플렌지부를 구비하도록 피가공판재를 프레스가공하기 위한 금형장치에 있어서,
   상기 피가공판재를 가압하기 위한 펀치부의 상단면에는
   상기 탑부를 형성하기 위한 탑부 가공부;
   상기 플렌지부를 형성하기 위한 플렌지 가공부;를 포함하고,
   상기 플렌지 가공부의 상단면에는 상기 플렌지부의 길이방향으로 각각 이격형성되는 적어도 하나 이상의 비드를 형성하기 위한 비드돌기부를 더 포함하는 스프링백 저감용 금형장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 비드돌기부는 폭방향 중앙부와 양단부가 동일한 곡률반경(R1)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 비드돌기부는 상기 플렌지부의 길이방향과 직교하게 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 피가공판재는 초고장력강으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 곡률반경(R1)은 상기 플렌지부에 부여할 인장력의 크기에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치.
   
6. 탑부와 탑부의 폭방향 외측으로 연장형성되는 플렌지부를 구비하도록 피가공판재를 프레스가공하기 위한 금형장치의 제조방법에 있어서,
   프레스성형의 하사점에서 상기 탑부 및 플렌지부에 각각 작용하는 응력을 측정하는 단계;
   피가공판재를 가압하기 위한 펀치부의 상단면 일측에 상기 플렌지부의 길이방향으로 각각 이격형성되는 적어도 하나 이상의 비드를 형성하기 위한 비드돌기부를 형성하는 단계;를
   포함하는 스프링백 저감용 금형장치 제조방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 비드돌기부는 폭방향 중앙부와 양단부가 동일한 곡률반경(R1)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치 제조방법.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 비드돌기부는 상기 플렌지부의 길이방향과 직교하게 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치 제조방법.
   
9. 제 6항에 있어서,
   상기 피가공판재는 초고장력강으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치 제조방법.
   
10. 제 7항에 있어서,
    상기 곡률반경(R1)은 상기 플렌지부에 부여할 인장력의 크기에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 스프링백 저감용 금형장치 제조방법.
    
    

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