KR20190033385A

KR20190033385A - 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20190033385A
Application number: KR1020170122101A
Authority: KR
Inventors: 임정식; 서종덕
Original assignee: 주식회사 신영; 재단법인경북테크노파크
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-29
Also published as: KR101995417B1

Abstract

본 발명은 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템에 관한 것이다. 냉각수 급송장치는 다이와 펀치의 각 성형면에 성형품을 향해 냉각수를 분사하도록 형성된 제1,2 냉각수 분사구들과, 냉각수를 공급받아서 제1,2 냉각수 분사구들로 전달하도록 다이와 펀치의 각 내부에 형성된 제1,2 냉각수 공급채널들, 및 냉각수 저장장치에 저장된 냉각수를 제1,2 냉각수 공급채널들에 공급하는 냉각수 공급기를 구비한다. 냉각수 배출장치는 다이의 비성형면에 주변의 냉각수를 유입하도록 형성된 냉각수 유입구들과, 냉각수 유입구들로부터 유입된 냉각수를 전달받도록 다이의 내부에 형성된 냉각수 배출채널들, 및 냉각수 배출채널들로부터 냉각수를 진공 흡입해서 다이의 외부로 배출하는 냉각수 흡입기를 구비한다.

Description

핫스탬핑 금형용 냉각 시스템{Cooling system for hot stamping mold}

본 발명은 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핫스탬핑 공정 중 성형된 성형품을 금형 내에서 급속 냉각시키는데 사용되는 냉각 시스템에 관한 것이다.

최근 차량 업계에서는 차량 경량화와 안정성 향상에 부합되는 중량 대비 강도가 높은 초고강도 강재가 확대 적용되고 있다. 하지만, 초고강도 강재는 낮은 성형성을 지니고 과도한 스프링백을 일으키기 때문에, 초고강도 강재를 성형하기 위한 금형을 제조하는데 어려움이 있다. 이러한 어려움을 해결하기 위한 성형 기술로서 핫스탬핑 공정이 사용될 수 있다. 핫스탬핑은 초고강도 강재의 성형성을 향상시키며 스프링백을 최소한으로 줄일 수 있는다는 장점이 있다.

핫스탬핑은 강재를 900℃ 이상 가열하고 가열된 강재를 금형 내에 공급한 후, 금형 내에서 성형 및 급속 냉각시켜 성형품을 제조하는 공정이다. 이와 같이, 핫스탬핑은 금형 내에서 성형품을 급속 냉각시키는 공정을 필요로 한다.

일반적으로, 금형의 내부에 형성된 냉각 채널에 냉각수를 유동시켜 성형품을 냉각시키는 간접 냉각 방식이 사용되고 있는데, 최소 15초 이상의 냉각 시간이 필요하며, 다량의 냉각 채널에 대한 냉각수 공급 및 순환이 요구되어 온도 유지를 위한 고사양의 칠러(chiller)가 필요하며, 이에 따른 냉각 에너지 과다 소모 및 생산성 저하 등이 문제된다.

본 발명의 과제는 냉각 효율을 향상시키고 냉각 시간을 단축할 수 있는 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템은 모재를 안착시키는 다이와 다이의 상측에서 다이와 합형 또는 이형되는 펀치를 포함하여 가열 상태의 모재를 성형 및 급속 냉각시킴에 따라 성형품을 제조하는 핫스탬핑 금형에 적용되는 것으로, 냉각수 저장장치와, 냉각수 급송장치와, 냉각수 배출장치, 및 컨트롤러를 포함한다. 냉각수 저장장치는 냉각수를 저장한다. 냉각수 급송장치는 다이와 펀치의 성형면에 성형품을 향해 냉각수를 분사하도록 형성된 제1,2 냉각수 분사구들과, 냉각수를 공급받아서 제1,2 냉각수 분사구들로 전달하도록 다이와 펀치의 내부에 형성된 제1,2 냉각수 공급채널들, 및 냉각수 저장장치에 저장된 냉각수를 제1,2 냉각수 공급채널들에 공급하는 냉각수 공급기를 구비한다. 냉각수 배출장치는 다이의 비성형면에 주변의 냉각수를 유입하도록 형성된 냉각수 유입구들과, 냉각수 유입구들로부터 유입된 냉각수를 전달받도록 다이의 내부에 형성된 냉각수 배출채널들, 및 냉각수 배출채널들로부터 냉각수를 진공 흡입해서 다이와 펀치의 각 외부로 배출하는 냉각수 흡입기를 구비한다. 컨트롤러는 냉각수 공급기 및 냉각수 흡입기를 제어한다.

본 발명에 따르면, 냉각수가 성형품에 접촉되어 성형품을 직접 냉각시키는 방식이 적용되므로, 종래의 간접 냉각 방식에 비해, 냉각 효율이 향상되며, 냉각 시간도 단축시킬 수 있게 된다. 그 결과, 냉각 효율 향상 및 냉각 시간 단축을 통해 생산성 향상 및 에너지 효율성 향상이 이루어질 수 있다. 또한, 냉각수 공급채널의 개수 감소 및 가공이 용이하게 되므로, 금형 제작비가 절감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 냉각수 저장장치, 냉각수 공급기, 냉각수 흡입기의 각 일예를 도시한 구성도이다.
도 3은 도 1에 있어서, 핫스탬핑 금형을 발췌하여 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 있어서, 펀치에 대한 저면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 냉각 시스템의 작용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 A 영역을 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 B 영역을 도시한 도면이다.

본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템(100)은 모재(10)를 안착시키는 다이(21)와 다이(21)의 상측에서 다이(21)와 합형 또는 이형되는 펀치(22)를 포함하여 가열 상태의 모재(10)를 성형 및 급속 냉각시킴에 따라 성형품(11)을 제조하는 핫스탬핑 금형(20)에 적용되는 것으로, 냉각수 저장장치(110)와, 냉각수 급송장치(120)와, 냉각수 배출장치(130), 및 컨트롤러(140)를 포함한다.

여기서, 모재(10)는 초고강도 강재 등으로 이루어질 수 있다. 다이(21)는 다이 베이스부(21a)와 다이 베이스부(21a)의 상면으로부터 함몰된 캐비티(21b)를 포함할 수 있다. 다이(21)는 중앙에 캐비티(21b)를 형성하도록 한 쌍의 다이 블록들이 이격되어 다이 홀더에 고정된 구조로 이루어질 수 있다.

펀치(22)는 다이 베이스부(21a)의 상면과 마주하는 펀치 베이스부(22a)와 펀치 베이스부(22a)의 하면으로부터 돌출되어 캐비티(21b)에 대해 출입하는 펀치 코어(22b)를 포함할 수 있다. 펀치(22)는 승강 장치(미도시)에 의해 승강함에 따라 다이(21)와 이형 또는 합형될 수 있다.

다이(21)는 모재(10)에 성형에 기여하는 성형면과 모재(10)에 성형에 기여하지 않는 비성형면을 갖는다. 다이(21)의 성형면은 모재(10)의 성형시 모재(10)의 성형 부위와 맞닿고, 다이(21)의 비성형면은 모재(10)의 성형시 모재(10)의 성형 부위와 맞닿지 않는다. 예컨대, 다이 베이스부(21a)는 상면 중 캐비티(21b)와 인접한 상면 내곽에 성형면을 갖고 상면 외곽에 비성형면을 갖는다. 캐비티(21b)는 내부 측벽 중 상측에 성형면을 갖고 하측에 비성형면을 갖는다.

펀치(22)는 모재(10)에 성형에 기여하는 성형면과 모재(10)에 성형에 기여하지 않는 비성형면을 갖는다. 펀치(22)의 성형면은 모재(10)의 성형시 모재(10)의 성형 부위와 맞닿고, 펀치(22)의 비성형면은 모재(10)의 성형시 모재(10)의 성형 부위와 맞닿지 않는다. 예컨대, 펀치 베이스(22a)는 하면 중 펀치 코어(22b)와 인접한 하면 내곽에 성형면을 갖고 하면 외곽에 비성형면을 갖는다. 펀치 코어(22b)는 외부 측벽과 하면에 성형면을 각각 갖는다.

핫스탬핑 금형(20)은 패드(23)를 더 포함할 수 있다. 패드(23)는 다이(21)와 펀치(22)의 합형시 모재(10)를 패딩하도록 다이(21)의 캐비티(21b) 내에서 탄성력에 의해 지지된다. 패드(23)는 상면에 패딩면을 갖고, 하면이 가스 스프링(23a) 등과 같은 탄성 부재에 의해 다이(21)의 다이 홀더에 연결될 수 있다. 가스 스프링(23a)은 밀폐된 공간에 충전된 가스의 탄성을 이용하여 스프링 기능을 수행한다. 펀치(22)가 다이(21)로부터 이형된 상태에서, 패드(23)는 패딩면은 다이(21)의 상면과 동일 면상에 위치되어 대기할 수 있다.

펀치 코어(22b)가 모재(10)를 가압하면서 캐비티(21b) 내로 진입할 때, 패드(23)는 가스 스프링의 탄성력(23a)에 의해 지지되어 펀치 코어(22b)와 함께 모재(10)를 홀딩한 상태로 하강할 수 있다. 이 과정에서, 패드(23)는 패딩면에 의해 모재(10)를 패딩할 수 있게 된다.

냉각수 저장장치(110)는 냉각수를 저장한다. 냉각수 저장장치(110)는 냉각 상태의 물을 외부로부터 공급받아 저장하는 물탱크(111)로 구성될 수 있다. 냉각수는 냉각수 보충장치(116)에 의해 물탱크(111)에 자동으로 보충될 수 있다. 냉각수 보충장치(116)는 상측 수위센서(116a)와, 하측 수위센서(116b), 및 보충 제어부(116c)를 포함할 수 있다.

상측 수위센서(116a)는 물탱크(111) 내의 상측에 설치되어 수위를 감지한다. 하측 수위센서(116b)는 물탱크(111) 내의 하측에 설치되어 수위를 감지한다. 보충 제어부(116c)는 하측 수위센서(116b)로부터 감지된 정보를 제공받아 냉각수의 양이 부족하다고 판단되면, 냉각수 공급원(117)으로부터 물탱크(111)로 냉각수를 공급하도록 냉각수 공급원(117)을 제어한다. 그리고, 보충 제어부(116c)는 상측 수위센서(116a)로부터 감지된 정보를 제공받아, 냉각수의 양이 충분하다고 판단되면 냉각수 공급원(117)으로부터 물탱크(111)로 냉각수 공급을 중단하도록 냉각수 공급원(117)을 제어한다.

다른 예로, 냉각수 저장장치(110)는 상온 상태의 물을 물탱크(111)에 공급받아 칠러(chiller) 등의 냉각수단에 의해 냉각시켜 저장하도록 구성될 수 있다. 칠러는 물을 냉매와 열교환시켜 냉각시키도록 구성된다. 이 경우, 물은 냉각수 보충장치(116)와 동일한 구성의 장치에 의해 물탱크에 자동으로 보충될 수 있다.

냉각수 급송장치(120)는 제1,2 냉각수 분사구(121a, 121b)들과, 제1,2 냉각수 공급채널(122a, 122b)들, 및 냉각수 공급기(123)를 구비한다.

제1 냉각수 분사구(121a)들은 다이(21)의 성형면에 성형품(11)을 향해 냉각수를 분사하도록 형성된다. 예컨대, 제1 냉각수 분사구(121a)들은 캐비티(21b)의 내부 측벽 상측에 배치될 수 있다. 제1 냉각수 분사구(121a)들은 캐비티(21b)의 내부 양측벽 상측에 일렬로 수평 배열되어 성형품(11)의 양측면으로 냉각수를 분사할 수 있다. 제1 냉각수 분사구(121a)들은 모재(10)의 냉각 효과를 최대로 발휘할 수 있는 개수와 패턴으로 설정될 수 있다.

제2 냉각수 분사구(121b)들은 펀치(22)의 성형면에 성형품(11)을 향해 냉각수를 분사하도록 형성된다. 예컨대, 제2 냉각수 분사구(121b)들은 펀치 베이스부(22a)와 펀치 코어(22b)의 경계에 배치될 수 있다. 제2 냉각수 분사구(121b)들은 펀치 베이스부(22a)와 펀치 코어(22b)의 양쪽 경계를 따라 일렬로 배열될 수 있다.

모재(10)는 펀치 베이스부(22a)와 펀치 코어(22b)의 양쪽 경계 부위에 의해 절곡 성형되는데, 제2 냉각수 분사구(121b)들은 모재(10)의 절곡 성형 부위로 냉각수를 집중 분사시켜 냉각시킬 수 있다.

제2 냉각수 분사구(121b)들은 펀치 베이스부(22a)의 하면과 펀치 코어(22b)의 측벽에 대해 각각 경사진 방향으로 냉각수를 분사하도록 형성될 수 있다. 따라서, 제2 냉각수 분사구(121b)들로부터 분사된 냉각수는 모재(10)의 절곡 성형 부위를 먼저 거쳐 주변으로 흘러가게 되므로, 모재(10)의 절곡 성형 부위에 대한 냉각 효과를 더욱 높일 수 있다. 제2 냉각수 분사구(121b)들의 각 분사 각도는 펀치 베이스부(22a)의 하면에 대해 대략 45도로 설정될 수 있다.

펀치 베이스부(22a)와 펀치 코어(22b)의 한쪽 경계에 형성된 제2 냉각수 분사구(121b)들은 펀치 베이스부(22a)와 펀치 코어(22b)의 다른쪽 경계에 형성된 제2 냉각수 분사구(121b)들과 서로 엇갈린 형태로 배열될 수 있다. 따라서, 펀치(22)의 구조가 취약해지는 것을 방지할 수 있다.

핫스탬핑 금형(20)이 패드(23)를 더 포함하는 경우, 제3 냉각수 분사구(121c)들이 패드(23)의 패딩면에 성형품(11)을 향해 냉각수를 분사하도록 형성될 수 있다. 제3 냉각수 분사구(121c)들은 모재(10)의 냉각 효과를 최대로 발휘할 수 있는 개수와 패턴으로 설정될 수 있다.

제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들은 분사 노즐을 각각 장착하여 냉각수를 분사할 수 있다. 다른 예로, 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들은 분사 노즐을 각각 장착하는 대신, 냉각수를 분사할 수 있는 미세 홀의 형태로 각각 이루어질 수도 있다. 물론, 분사 노즐은 생략될 수도 있다. 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)의 각 지름은 0.3~2mm 범위로 설정될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

제1 냉각수 공급채널(122a)들은 냉각수를 공급받아서 제1 냉각수 분사구(121a)들로 전달하도록 다이(21)의 내부에 형성된다. 제2 냉각수 공급채널(122b)들은 냉각수를 공급받아서 제2 냉각수 분사구(121b)들로 전달하도록 펀치(22)의 내부에 형성된다. 제3 냉각수 분사구(121c)들이 패드(23)에 형성되는 경우, 제3 냉각수 공급채널(122c)들은 냉각수를 공급받아서 제3 냉각수 분사구(121c)들로 전달하도록 패드(23)의 내부에 형성될 수 있다. 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)의 각 지름은 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)의 각 지름보다 수배 내지 수십배 크게 설정될 수 있다.

1개의 제1 냉각수 공급채널(122a)이 1개의 제1 냉각수 분사구(121a)와 연결되도록 형성되거나, 1개의 제1 냉각수 공급채널(122a)이 복수 개의 제1 냉각수 분사구(121a)들과 연결되도록 형성될 수 있다. 이와 동일한 방식으로, 제2 냉각수 공급채널(122b)과 제2 냉각수 분사구(121b)가 연결되며, 제3 냉각수 공급채널(122c)과 제3 냉각수 분사구(121c)가 연결될 수 있다.

냉각수 공급기(123)는 냉각수 저장장치(110)에 저장된 냉각수를 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들에 공급한다. 예컨대, 냉각수 공급기(123)는 냉각수 공급관(124)과, 공급 펌프(125)와, 압력계(126), 및 밸브(127)를 포함할 수 있다.

냉각수 공급관(124)은 냉각수 저장장치(110)에 저장된 냉각수를 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들로 이송하는 유로를 형성한다. 냉각수 공급관(124)은 냉각수 유입단이 냉각수 저장장치(110)의 물탱크(111)에 연결되며, 냉각수 배출단이 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들에 연결된다.

냉각수 공급관(124)은 물탱크(111)에 연결된 하나의 메인 관이 복수 개의 서브 관들로 분기되어 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들에 각각 연결됨으로써, 냉각수를 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들에 분배할 수 있다. 이 경우, 공급 펌프(125)는 메인 관에 설치될 수 있다. 또는, 복수의 냉각수 공급관(124)들이 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들을 물탱크(111)에 1개씩 독립되게 연결하도록 구성될 수도 있다.

냉각수 공급관(124)은 냉각수 유입단에 필터(128)를 장착할 수 있다. 따라서, 물탱크(111)의 냉각수는 필터(128)에 의해 이물질이 걸러진 상태로 공급 펌프(125) 및 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들로 공급됨으로써, 공급 펌프(125) 및 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들의 오염이 방지될 수 있다.

공급 펌프(125)는 냉각수 저장장치(110)에 저장된 냉각수를 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들로 압송하도록 냉각수 공급관(124)에 설치된다. 공급 펌프(125)의 용량과 개수는 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)의 최대 분사압력과 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)의 개수를 고려하여 설정될 수 있다.

압력계(126)는 공급 펌프(125)로부터 송출되는 압력을 측정하도록 해당 냉각수 공급관(124)에 설치된다. 작업자는 압력계(126)를 통해 냉각수의 분사압력을 확인할 수 있다. 또한, 컨트롤러(140)는 압력계(126)로부터 측정된 압력 값을 기초로, 냉각수의 분사압력이 설정압력이 되도록 공급 펌프(125)를 제어할 수 있다.

밸브(127)는 공급 펌프(125)로부터 압송되는 냉각수의 흐름을 제어하도록 냉각수 공급관(124)에 설치된다. 밸브(127)는 냉각수 공급관(124)을 개폐함으로써, 제1,2,3 냉각수 공급채널(122a, 122b, 122c)들에 대해 냉각수를 공급하거나 차단할 수 있게 한다. 밸브(127)는 컨트롤러(140)에 의해 제어될 수 있다.

이러한 냉각수 급송장치(120)는 다이(21)와 펀치(22)의 각 성형면과 성형품(11) 사이로 냉각수를 공급하고 패드(23)와 성형품(11) 사이로 냉각수를 공급함으로써, 성형품(11)을 직접 냉각시킬 수 있게 한다.

냉각수 배출장치(130)는 냉각수 유입구(131)들과, 냉각수 배출채널(132)들, 및 냉각수 흡입기(133)를 구비한다.

냉각수 유입구(131)들은 다이(21)의 비성형면에 주변의 냉각수를 유입하도록 형성된다. 따라서, 냉각수 유입구(131)들은 모재(21)의 성형에 영향을 주지 않고 주변의 냉각수를 유입하여 배출할 수 있다. 예컨대, 냉각수 유입구(131)들은 다이 베이스부(21a)의 상면 외곽과 캐비티(21b)의 내부 측벽 하측에 배치될 수 있다. 냉각수 유입구(131)들이 배치되는 캐비티(21b)의 내부 측벽 하측은 패드(23)의 측면과 항시 마주하는 부위에 해당한다.

냉각수 유입구(131)들 중 일부는 다이 베이스부(21a)의 상면 외곽을 따라 일렬로 배열되고, 나머지는 캐비티(21b)의 내부 양측벽 하측에 제1 냉각수 분사구(121a)들보다 낮게 일렬로 수평 배열될 수 있다.

다이 베이스부(21a)의 상면 외곽에 배치된 냉각수 유입구(131)들은 다이 베이스부(21a)와 펀치 베이스부(22a)의 내곽을 거쳐 외곽으로 흘러나오는 냉각수를 유입하여 배출시킬 수 있다. 캐비티(21b)의 내부 양측벽 하측에 배치된 냉각수 유입구(131)들은 캐비티(21b)와 패드(23) 사이로 흘러내리는 냉각수를 유입하여 배출시킬 수 있다. 냉각수 유입구(131)들은 냉각수 배출 효과를 최대로 발휘할 수 있는 개수와 패턴으로 설정될 수 있다.

도시하고 있지 않지만, 추가적으로, 냉각수 유입구(131)들은 펀치(22)의 비성형면에 주변의 냉각수를 유입하도록 형성될 수 있다. 따라서, 냉각수 유입구(131)들은 펀치(22)의 성형에 영향을 주지 않고 주변의 냉각수를 유입할 수 있다. 예컨대, 냉각수 유입구(131)들은 펀치 베이스부(22a)의 하면 외곽에 배치될 수 있다. 냉각수 유입구(131)들은 다이 베이스부(21a)와 펀치 베이스부(22b)의 내곽을 거쳐 외곽으로 흘러나오는 냉각수를 다이(21)의 인접한 냉각수 유입구(131)들과 함께 유입하여 배출시킬 수 있다. 추가적으로, 냉각수 유입구(131)들은 펀치 코어(22b)의 하면에 형성될 수도 있다.

냉각수 유입구(131)들은 흡입 노즐을 각각 장착하여 냉각수를 흡입할 수 있다. 다른 예로, 냉각수 유입구(131)들은 흡입 노즐을 각각 장착하는 대신, 냉각수를 흡입할 수 있는 미세 홀의 형태로 각각 이루어질 수도 있다. 물론, 흡입 노즐은 생략될 수도 있다.

냉각수 배출채널(132)들은 냉각수 유입구(131)들로부터 유입된 냉각수를 전달받도록 다이(21)의 내부에 형성된다. 1개의 냉각수 배출채널(132)이 1개의 냉각수 유입구(131)와 연결되도록 형성되거나, 1개의 냉각수 배출채널(132)이 복수 개의 냉각수 유입구(131)들과 연결되도록 형성될 수 있다.

냉각수 흡입기(133)는 냉각수 배출채널(132)들로부터 냉각수를 진공 흡입해서 다이(21)와 펀치(22)의 외부로 배출한다. 예컨대, 냉각수 흡입기(133)는 냉각수 배출관(134)과, 진공흡입 펌프(135)를 포함할 수 있다.

냉각수 배출관(134)은 냉각수 배출채널(132)들로부터 배출되는 냉각수를 이송하는 유로를 형성한다. 냉각수 배출관(134)은 냉각수 유입단이 냉각수 배출채널(132)들에 연결되며, 냉각수 배출단이 배수 탱크(136)에 연결될 수 있다.

냉각수 배출관(134)은 냉각수 배출채널(132)들에 각각 연결된 복수 개의 서브 관들이 하나의 메인 관에 통합되어 배수 탱크(136)에 연결됨으로써, 냉각수 배출채널(132)들을 통해 배출되는 냉각수를 합류시켜 배수 탱크(136)로 배출할 수 있다. 이 경우, 진공흡입 펌프(135)는 메인 관에 설치될 수 있다. 또는, 복수의 냉각수 배출관(134)들이 냉각수 배출채널(132)들을 배수 탱크(136)에 1개씩 독립되게 연결하도록 구성될 수도 있다.

다른 예로, 도시하고 있지 않지만, 냉각수 배출관(134)의 배출단이 물탱크(111)에 연결됨으로써, 성형품(11)으로 공급된 후 배출되는 냉각수가 재사용되도록 할 수 있다. 이 경우, 냉각수 배출관(134)의 배출단에는 필터가 장착될 수 있다. 냉각수 배출관(134)에는 냉각수를 냉각하기 위한 냉각수단이 장착될 수도 있다.

진공흡입 펌프(135)는 냉각수 배출채널(132)들로부터 냉각수를 진공 흡입하도록 냉각수 배출관(134)에 설치된다. 진공흡입 펌프(135)는 진공압에 의해 냉각수를 흡입한다. 진공흡입 펌프(135)의 용량과 개수는 냉각수 유입량 대비 냉각수 배출량을 고려하여 설정될 수 있다. 다른 예로, 진공흡입 펌프(135) 대신 진공 이젝터 등의 다양한 진공흡입 장치가 이용될 수 있다. 이러한 냉각수 배출장치(130)는 성형품(11)의 직접 냉각에 사용된 냉각수를 배출할 수 있게 한다. 따라서, 성형품(11)의 성형 완료 후, 다이(21)와 펀치(22)와 패드(23) 사이에 잔존하는 냉각수를 제거할 수 있게 된다.

한편, 다이(21)와 펀치(22)는 패킹 부재에 의해 기밀 처리된 상태로 합형될 수 있다. 따라서, 다이(21)와 펀치(22)가 모재(10)를 사이에 두고 합형된 상태에서 다이(21)와 펀치(22) 사이로 냉각수가 공급되고 배출되는 동안, 다이(21)와 펀치(22)의 외곽을 통해 냉각수가 누설되는 것이 방지될 수 있다.

컨트롤러(140)는 냉각수 공급기(123) 및 냉각수 흡입기(133)를 제어한다. 여기서, 컨트롤러(140)는 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들로 냉각수를 공급하도록 공급 펌프(125)를 제어하며, 냉각수 유입구(131)로부터 잔존 냉각수를 흡입하도록 진공흡입 펌프(135)를 제어한다.

컨트롤러(140)는 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들을 통한 냉각수의 분사시 다이(21)의 성형면과 성형품(11) 사이, 펀치(22)의 성형면과 성형품(11) 사이, 패드(23)의 패딩면과 성형품(11) 사이에 라이덴프로스트(Leidenfrost) 현상으로 생기는 공기층을 뚫을 수 있는 압력, 예컨대 30bar ~ 40bar의 압력으로 냉각수를 분사하도록 냉각수 공급기(123)를 제어할 수 있다. 라이덴프로스트 현상은 어떤 액체가 그 액체의 끓는점보다 훨씬 더 뜨거운 부분과 접촉할 경우 빠르게 액체가 끓으면서 증기로 이루어진 절연층이 만들어지는 현상이다.

상술하면, 다이(21)와 펀치(22)가 모재(10)를 사이에 두고 합형되어 성형품(11)을 성형함과 동시에, 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)로부터 고온 상태의 성형품(11)으로 냉각수를 분사하기 시작하면, 다이(21)의 성형면과 성형품(11)의 틈새 공간, 펀치(22)의 성형면과 성형품(11)의 틈새 공간, 패드(23)의 패딩면과 성형품(11)의 틈새 공간에 라이덴프로스트 현상에 의해 공기층이 생기게 된다. 이때, 냉각수가 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)로부터 공기층을 뚫을 수 있는 압력으로 분사된다. 그러면, 냉각수는 공기층을 뚫고 상기 틈새 공간들을 따라 흐르면서 성형품(11)의 표면에 접촉됨으로써, 성형품(11)을 직접 냉각시킬 수 있게 된다.

이와 같이, 냉각수가 성형품(11)에 접촉되어 성형품(11)을 직접 냉각시키는 방식이 적용되므로, 종래의 간접 냉각 방식에 비해, 냉각 효율이 향상되며, 냉각 시간도 단축시킬 수 있게 된다.

본 출원인이 핫스탬핑의 동일 조건에서 실험한 결과, 냉각 효율이 50% 이상 향상되고, 냉각 시간도 5sec 이하로 단축되는 것을 확인해볼 수 있었다. 이러한 냉각 효율 향상 및 냉각 시간 단축을 통해 생산성 향상 및 에너지 효율성 향상이 이루어질 수 있다. 또한, 냉각수 공급채널의 개수 감소 및 가공이 용이하게 되므로, 금형 제작비가 절감될 수 있다.

한편, 냉각 시스템(100)은 다이(21)와 펀치(22)의 합형 여부를 감지하는 합형 감지부(150)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(140)는 합형 감지부(150)로부터 감지된 정보를 기초로, 다이(21)와 펀치(22)의 합형시 냉각수 공급기(123)의 공급 펌프(125)를 동작시켜 냉각수를 분사시킬 수 있다.

또한, 냉각 시스템(100)은 입력부(160)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(140)는 입력부(160)를 통해 입력된 작업자의 명령에 따라 냉각수 공급기(123)의 공급 펌프(125)와 냉각수 흡입기(133)의 진공흡입 펌프(135)를 제어한다. 입력부(160)는 작업자로부터 분사실행, 분사압력, 분사패턴, 분사시간, 배수실행, 배출시간 등의 명령을 입력 받도록 구성된다.

예컨대, 입력부(160)는 터치 패널을 갖는 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이는 작업자가 분사실행, 분사압력, 분사패턴, 분사시간, 배출실행, 배출시간 등의 명령을 입력할 수 있게 구성된 메뉴 화면을 표시할 수 있다. 메뉴 화면은 수동/자동 모드 선택 메뉴 등을 포함할 수도 있다. 수동 모드는 작업자가 수동으로 냉각수를 분사할 수 있게 하는 모드이며, 자동 모드는 다이(21)와 펀치(22)의 합형시 컨트롤러(140)에 의해 자동으로 분사할 수 있게 하는 모드이다. 메뉴 화면은 프로그램 수정을 통해 자유롭게 수정 가능하다.

터치 패널은 작업자가 디스플레이에 표시된 메뉴 화면을 터치해서 명령을 입력하게 한다. 작업자가 터치 패널을 통해 분사패턴 메뉴를 터치하면, 기 설정된 분사패턴 중 어느 하나를 입력할 수 있는 입력창을 표시할 수 있다. 그러면, 작업자는 입력창을 통해 원하는 분사패턴을 입력할 수 있다. 분사패턴은 분사될 냉각수 분사구들의 선정에 따라 여러 유형으로 설정된 것일 수 있다.

그리고, 작업자가 분사압력, 터치 패널을 통해 분사시간 메뉴를 터치하면, 디스플레이는 분사압력 값, 분사시간 값을 설정해서 입력할 수 있는 입력창을 표시할 수 있다. 그러면, 작업자는 입력창을 통해 원하는 분사압력 값, 분사시간 값을 입력할 수 있다.

그 다음, 작업자가 터치 패널을 통해 분사실행 메뉴를 터치하면, 컨트롤러(140)는 냉각수 공급기(123)의 공급 펌프(125)를 제어해서 냉각수를 분사시킨다. 이때, 컨트롤러(140)는 설정된 분사패턴, 분사압력으로 공급 펌프(125)를 동작시켜 냉각수를 설정 분사시간 동안 분사한 후, 공급 펌프(125)의 동작을 종료시키게 된다.

전술한 냉각 시스템(100)의 작용 예에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 작업자로부터 입력부(160)를 통해 분사압력, 분사패턴, 분사시간, 배출시간 등이 설정되어 입력된 후 분사실행 명령, 배출명령이 입력된다. 이 상태에서, 이형된 다이(21)와 펀치(22) 사이로 가열 상태의 모재(10)가 공급된다. 그 다음, 다이(21)와 펀치(22)가 합형된다. 다이(21)와 펀치(22)가 합형됨과 동시에, 컨트롤러(140)는 냉각수 공급기(123)의 공급 펌프(125)를 동작시켜 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들을 통해 냉각수를 분사시킨다. 이때, 컨트롤러(140)는 합형 감지부(150)에 의해 감지된 정보를 기초로, 다이(21)와 펀치(22)의 합형시 공급 펌프(125)를 동작시킬 수 있다.

제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들로부터 고온 상태의 성형품(11)으로 냉각수를 분사하기 시작하면, 다이(21)의 성형면과 성형품(11)의 틈새 공간, 펀치(22)의 성형면과 성형품(11)의 틈새 공간, 패드(23)의 패딩면과 성형품(11)의 틈새 공간에 라이덴프로스트 현상에 의해 공기층이 생기게 된다.

이때, 냉각수가 제1,2,3 냉각수 분사구(121a, 121b, 121c)들로부터 공기층을 뚫을 수 있는 압력, 예컨대 30bar ~ 40bar의 압력으로 분사되므로, 냉각수는 공기층을 뚫고 상기 틈새 공간들을 따라 흐르면서 성형품(11)의 표면에 접촉될 수 있다. 이에 따라, 성형품(11)은 냉각수에 의해 직접 냉각될 수 있다. 냉각수는 성형품(11)의 직접 냉각에 사용된 후 냉각수 유입구(131)들을 통해 흡입되어 배출된다.

냉각수가 설정 시간 동안 성형품(11)으로 분사되어 배출되는 과정을 통해 성형품(11)을 냉각시키게 되면, 컨트롤러(140)는 공급 펌프(125)와 진공흡입 펌프(135)의 동작을 종료시킨다. 그러면, 다이(21)와 펀치(22)가 이형된 후, 성형품(11)이 다이(21)와 펀치(22)로부터 배출된다. 그 다음, 성형품(11)은 트리밍 가공 등을 거쳐 제조 완료된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10..모재 11..성형품
20..핫스탬핑 금형 21..다이
22..펀치 23..패드
110..냉각수 저장장치 111..물탱크
120..냉각수 급송장치 121a..제1 냉각수 분사구
121b..제2 냉각수 분사구 121c..제3 냉각수 분사구
122a..제1 냉각수 공급채널 122b..제2 냉각수 공급채널
122c..제3 냉각수 공급채널 123..냉각수 공급기
124..냉각수 공급관 125..공급 펌프
126..압력계 127..밸브
128..필터 130..냉각수 배출장치
131..냉각수 유입구 132..냉각수 배출채널
133..냉각수 흡입기 134..냉각수 배출관
140..컨트롤러 150..합형 감지부
160..입력부

Claims

모재를 안착시키는 다이와 상기 다이의 상측에서 상기 다이와 합형 또는 이형되는 펀치를 포함하여 가열 상태의 모재를 성형 및 급속 냉각시킴에 따라 성형품을 제조하는 핫스탬핑 금형에 적용되는 것으로,
냉각수를 저장하는 냉각수 저장장치;
상기 다이와 펀치의 각 성형면에 성형품을 향해 냉각수를 분사하도록 형성된 제1,2 냉각수 분사구들과, 냉각수를 공급받아서 상기 제1,2 냉각수 분사구들로 전달하도록 상기 다이와 펀치의 각 내부에 형성된 제1,2 냉각수 공급채널들, 및 상기 냉각수 저장장치에 저장된 냉각수를 상기 제1,2 냉각수 공급채널들에 공급하는 냉각수 공급기를 구비하는 냉각수 급송장치;
상기 다이의 비성형면에 주변의 냉각수를 유입하도록 형성된 냉각수 유입구들과, 상기 냉각수 유입구들로부터 유입된 냉각수를 전달받도록 상기 다이의 내부에 형성된 냉각수 배출채널들, 및 상기 냉각수 배출채널들로부터 냉각수를 진공 흡입해서 상기 다이의 각 외부로 배출하는 냉각수 흡입기를 구비하는 냉각수 배출장치; 및
상기 냉각수 공급기 및 냉각수 흡입기를 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 핫스탬핑 금형은 상기 다이와 펀치의 합형시 모재를 패딩하도록 상기 다이의 캐비티 내에서 탄성력에 의해 지지되는 패드를 더 포함하며;
상기 냉각수 급송장치는 상기 패드의 패딩면에 성형품을 향해 냉각수를 분사하도록 형성된 제3 냉각수 분사구들과, 냉각수를 공급받아서 상기 제3 냉각수 분사구들로 전달하도록 상기 패드의 내부에 형성된 제3 냉각수 공급채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 다이는 다이 베이스부와 상기 다이 베이스부의 상면으로부터 함몰된 캐비티를 포함하며, 상기 펀치는 상기 다이 베이스부의 상면과 마주하는 펀치 베이스부와 상기 펀치 베이스부의 하면으로부터 돌출되어 상기 캐비티에 대해 출입하는 펀치 코어를 포함하며;
상기 제1 냉각수 분사구들은 상기 캐비티의 내부 측벽 상측에 배치되며,
상기 제2 냉각수 분사구들은 상기 펀치 베이스부와 펀치 코어의 경계에 배치되며,
상기 냉각수 유입구들은 상기 다이 베이스부의 상면 외곽에 배치된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 금형용 냉각 시스템.