KR20190094859A - 핫스탬핑용 직수 냉각 금형 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온의 소재를 성형 직후 직수냉각 방식으로 소재의 성형 영역을 급랭시킴으로써 초고강도 부품을 제작할 수 있는 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에 관한 것으로서, 소재의 제 1 부분을 가압하여 성형하는 펀치부와, 상기 소재의 제 2 부분을 홀딩하는 다이부 및 상기 소재의 상기 제 1 부분에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 냉각 방식으로 상기 소재를 급랭시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 상기 펀치부의 성형면 사이로 냉각수를 유동시키는 직수 냉각 장치를 포함할 수 있다.

Description

핫스탬핑용 직수 냉각 금형{Direct water cooling mold for hot stamping}
본 발명은 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고온의 소재를 성형 직후 직수냉각 방식으로 소재의 성형 영역을 급랭시킴으로써 초고강도 부품을 제작할 수 있는 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에 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.
일반적으로, 핫스탬핑은 강재를 900℃ 이상 가열하고 가열된 강재를 금형 내에 공급하고 성형한 후, 금형 내에서 성형품을 급랭시켜 성형품을 제조하는 공정을 말한다. 이와 같은, 핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강재를 성형하게 되므로 우수한 성형성 및 치수 정밀도를 얻을 수 있다. 또한, 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링백이나 자연파괴가 현저하게 감소된다는 장점이 있다.
이와 같은, 핫스탬핑 공정 시 프레스에 의해 성형되는 부품은 프레스 금형 내에서 고온을 유지하고 있으므로 프레스 금형으로 성형한 후 즉시 개방하여 부품을 냉각할 경우 재질 특성 및 형상이 변형되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 프레스 금형을 닫은 상태에서 프레스 금형 내에서 냉각시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 프레스 금형 다이 내부에 냉각수가 흐르는 냉각 채널이 형성되어 프레스 성형 후 부품을 상기 냉각 채널을 흐르는 냉각수에 의해 간접적으로 냉각시키고 있다.
그러나, 이러한 다이 냉각(Die quenching)과 같이 냉각수를 간접적으로 사용하는 종래의 핫스탬핑용 금형의 경우 부품의 냉각속도가 떨어져 금형 내에서의 부품 홀딩 시간이 길어짐으로써 부품의 생산성이 저하된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고온의 소재를 성형 직후 금형 내에서 직수냉각 방식으로 소재의 성형 영역을 급랭시킴으로써, 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고 금형 내에서의 부품 홀딩 시간이 단축되어 부품 생산성을 향상시킬 수 있는 핫스탬핑용 직수 냉각 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형이 제공된다. 상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형은, 소재의 제 1 부분을 가압하여 성형하는 펀치부; 상기 소재의 제 2 부분을 홀딩하는 다이부; 및 상기 소재의 상기 제 1 부분에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 냉각 방식으로 상기 소재를 급랭시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 상기 펀치부의 성형면 사이로 냉각수를 유동시키는 직수 냉각 장치;를 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 직수 냉각 장치는, 상기 냉각수가 상기 소재의 상기 제 1 부분에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 접촉되는 상기 펀치부의 상기 성형면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 성형면 냉각 채널; 상기 성형면 냉각 채널의 일측으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록, 상기 펀치부의 일면에 형성된 냉각수 공급구로부터 상기 펀치부를 관통하여 상기 성형면 냉각 채널의 일측과 연결되게 형성되는 냉각수 공급 채널; 및 상기 성형면 냉각 채널을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록, 상기 펀치부의 일면에 형성된 냉각수 배출구로부터 상기 펀치부를 관통하여 상기 성형면 냉각 채널의 타측과 연결되게 형성되는 냉각수 배출 채널;을 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 성형면 냉각 채널은, 상기 냉각수가 상기 소재의 상기 제 1 부분에 직접 접촉되면서 일방향으로만 흐를 수 있도록, 상면이 개방되고 길이 방향으로 길게 연장되는 직선형 유로로 형성될 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 성형면 냉각 채널은, 상기 소재의 상기 제 1 부분이 균일하게 냉각되어 균일한 기계적 특성을 얻을 수 있도록, 복수열로 형성되는 상기 성형면 냉각 채널의 폭, 깊이 및 채널 간 간격이 균일하게 형성될 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 성형면 냉각 채널은, 상기 소재의 상기 제 1 부분의 제 1 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 상기 펀치부의 상기 성형면의 일부분에 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 1 냉각 채널 조합; 상기 소재의 상기 제 1 부분의 제 2 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 상기 펀치부의 상기 성형면의 타부분에 상기 제 1 냉각 채널 조합과 나란하게 형성되고, 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 2 냉각 채널 조합; 및 상기 소재의 상기 제 1 부분의 제 3 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 상기 펀치부의 상기 성형면의 또 다른 타부분에 상기 제 2 냉각 채널 조합과 나란하게 형성되고, 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 3 냉각 채널 조합;을 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 냉각수 공급 채널은, 상기 제 1 냉각 채널 조합으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 냉각수 공급구와 상기 제 1 냉각 채널 조합의 일측을 연결하는 제 1 공급 채널; 상기 제 2 냉각 채널 조합으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 냉각수 공급구와 상기 제 2 냉각 채널 조합의 일측을 연결하는 제 2 공급 채널; 및 상기 제 3 냉각 채널 조합으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 냉각수 공급구와 상기 제 3 냉각 채널 조합의 일측을 연결하는 제 3 공급 채널;을 포함하고, 상기 냉각수 배출 채널은, 상기 제 1 냉각 채널 조합을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 상기 냉각수 배출구와 상기 제 1 냉각 채널 조합의 타측을 연결하는 제 1 배출 채널; 상기 제 2 냉각 채널 조합을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 상기 냉각수 배출구와 상기 제 2 냉각 채널 조합의 타측을 연결하는 제 2 배출 채널; 및 상기 제 3 냉각 채널 조합을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 상기 냉각수 배출구와 상기 제 3 냉각 채널 조합의 타측을 연결하는 제 3 배출 채널;을 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 직수 냉각 장치는 상기 냉각수 공급 채널와 연결된 냉각수 공급 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널에 공급되는 상기 냉각수의 유량을 조절하는 냉각수 제어밸브; 상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널에 공급되는 상기 냉각수의 유량을 측정하는 유량계; 상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널에 공급되는 상기 냉각수의 압력을 측정하는 압력계; 및 상기 냉각수 배출 채널과 연결된 냉각수 배출 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 진공압을 발생시키는 진공 펌프;를 더 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 직수 냉각 장치는, 상기 냉각수 제어밸브 및 상기 진공 펌프를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 제어부는, 상기 펀치부가 상기 소재의 상기 제 1 부분을 가압한 직후 상기 냉각수 공급 채널을 통해 상기 성형면 냉각 채널로 상기 냉각수가 분사될 수 있도록 상기 냉각수 제어밸브에 제 1 제어신호를 인가하고, 상기 냉각수의 분사와 동시에 상기 냉각수 배출 채널로 상기 냉각수가 회수될 수 있도록 상기 진공 펌프에 제 2 제어신호를 인가할 수 있다.
상기 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에서, 상기 펀치부 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 유로 형상으로 형성되어 상기 펀치부를 냉각시키는 펀치부 냉각 채널;을 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형에 따르면, 고온의 소재를 성형 직후 금형 내에서 직수냉각 방식으로 소재의 성형 영역을 급랭시킴으로써, 마르텐사이트 조직을 형성시켜 1.5GPa급 초고강도 부품을 제조할 수 있다.
또한, 고온의 소재를 성형 직후 금형 내에서 직수냉각 방식으로 급랭시킴으로써, 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고 금형 내에서의 부품 홀딩 시간이 단축되어 부품 생산성을 향상시키는 효과를 가지는 핫스탬핑용 직수 냉각 금형을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도3은 도 1의 핫스탬핑용 직수 냉각 금형의 펀치부를 개략적으로 나타내는 사시도들이다.
도 4 내지 도 6은 도 1의 핫스탬핑용 직수 냉각 금형의 펀치부를 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 7은 도 1의 핫스탬핑용 직수 냉각 금형으로 성형된 소재를 나타내는 이미지이다.
도 8은 도 1의 핫스탬핑용 직수 냉각 금형으로 성형된 소재의 경도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1의 핫스탬핑용 직수 냉각 금형으로 소재를 냉각 시 냉각 속도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1의 핫스탬핑용 직수 냉각 금형으로 성형된 소재의 조직을 확대하여 나타내는 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)은, 크게, 펀치부(10)와, 다이부(20) 및 직수 냉각 장치(30)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 펀치부(10)는, 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)을 가압하여 성형할 수 있다. 이때, 다이부(20)는 소재(P)의 상기 성형 영역의 이외의 홀딩 영역인 제 2 부분(P2)을 홀딩할 수 있다. 또한, 직수 냉각 장치(30)는, 소재(P)의 제 1 부분(P1)에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 냉각 방식으로 소재(P)를 급랭시킬 수 있도록, 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(F)의 성형면(F) 사이로 냉각수를 유동시킬 수 있다.
예컨대, 다이부(20)의 하금형(22)의 상면과 펀치부(10)의 성형면(F)이 동일한 높이로 위치한 상태에서, 약 900℃ 이상의 고온으로 가열된 소재(P)를 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)으로 이송시킬 수 있다. 이어서, 하금형(22)과 마주보게 형성된 상금형(21)이 하강하여 일정한 홀딩압력으로 소재(P)의 제 2 부분(P2)을 홀딩하여 소재(P)를 고정시키고, 펀치부(10)를 상승시켜 고온의 소재(P)의 제 1 부분(P1)을 가압함으로써 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)을 성형할 수 있다.
이어서, 소재(P)의 성형 직후, 직수 냉각 장치(30)를 이용하여 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(10)의 성형면(F) 사이로 냉각수를 유동시킴으로써, 상기 냉각수를 소재(P)의 제 1 부분(P1)에 직접 접촉시키는 직수냉각 방식으로 성형 영역인 제 1 부분(P1)을 급랭시킬 수 있다.
이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 직수 냉각 장치(30)는, 후술될 냉각수 공급 채널(32)와 연결된 냉각수 공급 라인(L1)에 설치되어 성형면 냉각 채널(31)에 공급되는 상기 냉각수의 유량을 조절하는 냉각수 제어밸브(34)와, 냉각수 공급 라인(L1)에 설치되어 성형면 냉각 채널(31)에 공급되는 상기 냉각수의 유량을 측정하는 유량계(35)와, 냉각수 공급 라인(L1)에 설치되어 성형면 냉각 채널(31)에 공급되는 상기 냉각수의 압력을 측정하는 압력계(36) 및 냉각수 배출 채널(33)과 연결된 냉각수 배출 라인(L2)에 설치되어 성형면 냉각 채널(31)을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 진공압을 발생시키는 진공 펌프(37)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 직수 냉각 장치(30)는, 냉각수 공급 라인(L1)에 냉각수 제어밸브(34)와 유량계(35) 및 압력계(36)를 설치하여 직수 냉각 장치(30)로 공급되는 상기 냉각수의 유량을 제어하면서, 동시에 상기 냉각수의 유량 및 압력을 실시간으로 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 아울러, 직수 냉각 장치(30)로 공급된 상기 냉각수는 냉각수 배출 라인(L2)에 설치된 진공 펌프(37)를 이용하여 펀치부(10) 내부에 형성된 직수 냉각 장치(30)의 냉각 채널을 통해 외부로 배출될 수 있도록 구성될 수 있다.
이때, 냉각수 제어밸브(34) 및 진공 펌프(37)와 전기적으로 연결되어 냉각수 제어밸브(34) 및 진공 펌프(37)를 제어하는 제어부(미도시)를 이용하여, 펀치부(10)가 소재(P)의 제 1 부분(P1)을 가압한 직후 냉각수 공급 채널(32)을 통해 성형면 냉각 채널(31)로 상기 냉각수가 분사될 수 있도록 냉각수 제어밸브(34)에 제 1 제어신호를 인가하고, 상기 냉각수의 분사와 동시에 냉각수 배출 채널(33)로 상기 냉각수가 회수될 수 있도록 진공 펌프(37)에 제 2 제어신호를 인가할 수 있다.
이와 같이, 상기 제어부의 제어를 통해, 상기 냉각수는 소재(P)의 성형직후 직수 냉각 장치(30)를 통해서 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(F)의 성형면(F) 사이로 분사가 되도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 냉각수의 분사와 동시에 상기 냉각수의 배수를 위한 진공 펌프(37)가 자동으로 작동되어, 직수 냉각 장치(30)로 상기 냉각수의 공급과 배수가 동시에 이루어짐으로써, 내부 고임 현상 없이 상기 냉각수가 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(F)의 성형면(F) 사이로 원활하게 유동될 수 있도록 유도할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)은, 직수 냉각 장치(30)를 이용하여 직수냉각 방식으로, 펀치부(10)의 성형면(F)에 상기 냉각수를 분사하고 펀치부(10)의 성형면(F)과 소재(P)의 제 1 부분(P1) 사이로 상기 냉각수가 흐르게 함으로써, 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)을 직접 냉각시킬 수 있다.
그러므로, 소재(P)를 직접 냉각시키는 방법을 이용함으로써, 종래의 다이 냉각(Die quenching)과 같이 상기 냉각수를 간접적으로 사용하는 방법에 비해 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고 금형 내에서의 부품 홀딩 시간이 단축되어 부품 생산성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 고온의 소재(P)를 성형 직후 금형 내에서 직수냉각 방식으로 급랭시킴으로써, 고강도 부품을 용이하게 제조하는 효과를 가질 수 있다.
도 2 및 도3은 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)의 펀치부(10) 및 직수 냉각 장치(30)를 개략적으로 나타내는 사시도들이고, 도 4 내지 도 6은 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)의 펀치부(10) 및 직수 냉각 장치(30)를 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 직수 냉각 장치(30)는, 상기 냉각수가 소재(P)의 제 1 부분(P1)에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 접촉되는 펀치부(10)의 성형면(F)에 복수열의 냉각 채널 조합(31-1, 31-2, 31-3)으로 형성되는 성형면 냉각 채널(31)과, 성형면 냉각 채널(31)의 일측으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록, 펀치부(10)의 일면에 형성된 냉각수 공급구(11)로부터 펀치부(10)를 관통하여 성형면 냉각 채널(31)의 일측과 연결되게 형성되는 냉각수 공급 채널(32) 및 성형면 냉각 채널(31)을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록, 펀치부(10)의 일면에 형성된 냉각수 배출구(12)로부터 펀치부(10)를 관통하여 성형면 냉각 채널(31)의 타측과 연결되게 형성되는 냉각수 배출 채널(33)을 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 성형면 냉각 채널(31)은, 상기 냉각수가 소재(P)의 제 1 부분(P1)에 직접 접촉되면서 일방향으로만 흐를 수 있도록, 상면이 개방되고 길이 방향으로 길게 연장되는 직선형 유로로 형성될 수 있다. 이때, 성형면 냉각 채널(31)은, 소재(P)의 제 1 부분(P1)이 균일하게 냉각되어 균일한 기계적 특성을 얻을 수 있도록, 복수열로 형성되는 냉각 채널 조합(31-1, 31-2, 31-3)의 폭, 깊이 및 채널 간 간격이 균일하게 형성될 수 있다.
예컨대, 소재(P)의 제 1 부분(P1)의 냉각이 균일하게 되어 균일한 기계적 특성(균일한 경도 분포)을 얻을 수 있도록, 성형면 냉각 채널(31)의 냉각 채널 조합(31-1, 31-2, 31-3)의 각 냉각 채널은, 폭 0.8mm, 깊이 0.5mm 및 채널 간 간격 0.8mm로 형성되도록 설계될 수 있다.
따라서, 상술된 바와 같이 성형면 냉각 채널(31)이 설계됨으로써, 핫스탬핑 성형 공정 중 성형시 가해진 하중에 의해 성형면 냉각 채널(31)이 파손되지 않도록, 충분히 성형하중을 견딜 수 있는 채널 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 성형면 냉각 채널(31)의 채널 폭이 과하게 클 경우(각 냉각 채널 간 간격이 과하게 좁을 경우)에는 각 냉각 채널 사이 부분의 두께가 너무 얇아져 구조적으로 취약해지므로, 성형하중에 의해 파손될 우려가 있다.
또한, 성형면 냉각 채널(31)이 방사형으로 설계될 경우 소재(P)의 넓은 영역을 촘촘하게 냉각시킬 수 있으나, 상기 냉각수의 유동 방향이 균일하지 않을 수 있어 결과적으로 냉각이 균일하게 이루어지지 않아 균일한 기계적 성질을 얻기 힘들 수 있으므로, 성형면 냉각 채널(31)을 상술한 바와 같이 직선형의 유로로 설계함으로써 상기 냉각수가 한방향으로 균일하게 흘러가도록 유도할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 성형면 냉각 채널(31)은, 소재(P)의 제 1 부분(P1)의 제 1 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 펀치부(10)의 성형면(F)의 일부분에 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 1 냉각 채널 조합(31-1)과, 소재(P)의 제 1 부분(P1)의 제 2 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 펀치부(10)의 성형면(F)의 타부분에 제 1 냉각 채널 조합(31-1)과 나란하게 형성되고, 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 2 냉각 채널 조합(31-2) 및 소재(P)의 제 1 부분(P1)의 제 3 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 펀치부(10)의 성형면(F)의 또 다른 타부분에 제 2 냉각 채널 조합(31-2)과 나란하게 형성되고, 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 3 냉각 채널 조합(31-3)을 포함할 수 있다.
이때, 냉각수 공급 채널(32)은, 제 1 냉각 채널 조합(31-1)으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 냉각수 공급구(11)와 제 1 냉각 채널 조합(31-1)의 일측을 연결하는 제 1 공급 채널(32-1)과, 제 2 냉각 채널 조합(31-2)으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 냉각수 공급구(11)와 제 2 냉각 채널 조합(31-2)의 일측을 연결하는 제 2 공급 채널(32-2) 및 제 3 냉각 채널 조합(31-3)으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 냉각수 공급구(11)와 제 3 냉각 채널 조합(31-3)의 일측을 연결하는 제 3 공급 채널(32-3)을 포함할 수 있다.
또한, 냉각수 배출 채널(33)은, 제 1 냉각 채널 조합(31-1)을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 냉각수 배출구(12)와 제 1 냉각 채널 조합(31-1)의 타측을 연결하는 제 1 배출 채널(33-1)과, 제 2 냉각 채널 조합(31-2)을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 냉각수 배출구(12)와 제 2 냉각 채널 조합(31-2)의 타측을 연결하는 제 2 배출 채널(33-2) 및 제 3 냉각 채널 조합(31-3)을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 냉각수 배출구(12)와 제 3 냉각 채널 조합(31-3)의 타측을 연결하는 제 3 배출 채널(33-3)을 포함할 수 있다.
따라서, 냉각수 공급 채널(32)이 펀치부(10)의 내부에서 제 1 공급 채널(32-1)과 제 2 공급 채널(32-2) 및 제 3 공급 채널(32-3)로 3개의 유로로 나뉘며, 3개의 유로로 나뉜 냉각수 공급 채널(32)이 각각 성형면 냉각 채널(31)의 제 1 냉각 채널 조합(31-1)과 제 2 냉각 채널 조합(31-2) 및 제 3 냉각 채널 조합(31-3)으로 추가로 나뉨으로써, 최종적으로 약 50개의 냉각 채널로 나뉠 수 있다.
이에 따라, 50개의 냉각 채널로 이루어진 성형면 냉각 채널(31)로 상기 냉각수가 최대한 동시에 분사됨으로써, 가열된 소재(P)가 동시에 분사되는 상기 냉각수에 의해 전부분이 균일하게 냉각되도록 유도할 수 있다. 이때, 냉각 배출 채널(33) 또한 냉각수 공급 채널(32)과 같이 펀치부(10)의 내부에서 제 1 배출 채널(33-1)과 제 2 배출 채널(33-2) 및 제 3 배출 채널(33-3)로 3개의 유로로 나뉨으로써, 상기 냉각수의 배출도 최대한 동시에 이루어지도록 유도할 수 있다.
더불어, 펀치부(10)는, 펀치부(10) 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록, 펀치부 냉각용 냉각수 공급구(13)와 펀치부 냉각용 냉각수 배출구(14)를 연결하는 유로 형상으로 펀치부(10) 내부에 형성되어 펀치부(10)를 냉각시키는 펀치부 냉각 채널을 포함하여, 소재(P)에 의해서 가열된 펀치부(10)를 자체적으로 냉각시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)은, 직수 냉각 장치(30)를 이용하여 직수냉각 방식으로, 펀치부(10)의 성형면(F)에 상기 냉각수를 분사하고 펀치부(10)의 성형면(F)과 소재(P)의 제 1 부분(P1) 사이로 상기 냉각수가 흐르게 함으로써, 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)을 직접 냉각시킬 수 있다.
그러므로, 소재(P)를 직접 냉각시키는 방법을 이용함으로써, 종래의 다이 냉각(Die quenching)과 같이 상기 냉각수를 간접적으로 사용하는 방법에 비해 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고 금형 내에서의 부품 홀딩 시간이 단축되어 부품 생산성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 고온의 소재(P)를 성형 직후 금형 내에서 직수냉각 방식으로 급랭시킴으로써, 초고강도 부품을 용이하게 제조하는 효과를 가질 수 있다.
도 7은 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)으로 성형된 소재(P)를 나타내는 이미지이다. 또한, 도 8은 성형된 소재(P)의 경도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 9는 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)으로 소재(P)를 냉각 시 냉각 속도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이며, 도 10은 성형된 소재(P)의 조직을 확대하여 나타내는 이미지이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)을 이용하여, 보론강 판재(소재: USIBOR1500-AS, 폭 200mm, 길이 200mm, 두께 1.2mm)를 직수냉각 핫스탬핑 공정으로 드로잉 깊이 5mm까지 파단 등의 결함 없이 성형이 용이하게 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
예컨대, 성형 시 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)과 펀치부(10)의 성형면(F)이 완벽하게 밀착되지 않을 경우 상기 냉각수가 외부로 유출될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각수의 누수로 인한 설비의 고장을 유발할 수 있으며, 불청결한 작업환경으로 생산환경이 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 발명의 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)의 직수 냉각 장치(30)를 이용하여 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(10)의 성형면(F)이 완벽하게 밀착되도록 하고, 상기 냉각수의 분사 및 배출 공정이 동시에 이루어지도록 함으로써, 상기 냉각수가 외부로 유출되지 않도록 소재(P)의 성형공정을 진행 가능한 것을 확인할 수 있었다.
도 8에 도시된 바와 같이, 직수냉각 핫스탬핑 성형된 사각 컵드로잉 소재(P)의 경도 분포를 측정하였다. 경도는 성형 영역인 제 1 부분(P1)을 두 직선 방향을 따라 5mm 간격으로 측정하였으며, 측정된 경도는 소재(P)의 제 1 부분(P1)의 평균이 482.9Hv로 핫스탬핑 성형 전 경도인 193.6Hv에서 크게 증가한 것으로 나타났다.
따라서, 성형 전 소재(P)의 페라이트 및 펄라이트 조직이 직수 냉각 장치(30)에 의한 급랭에 의해 경질의 마르텐사이트 조직으로 상변태된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 경도 분포 측정결과 직수냉각된 제 1 부분(P1)의 경도분포가 매우 균일한 것으로 나타나, 소재(P)의 성형 후 직수냉각 공정 중에 소재(P)의 제 1 부분(P1)의 냉각이 균일하게 이루어진 것으로 나타났다.
더불어, 직수냉각 핫스탬핑 방식의 경도와 금형냉각으로 냉각시킨 경우의 경도(476.7Hv)를 비교한 결과 직수냉각 방식의 경도가 높은 것으로 나타났다. 이는, 직수냉각 시의 냉각속도가 금형냉각 방식에 비해 빠르므로, 마르텐사이트 조직의 결정립 크기가 미세하게 형성된 결과로 판단할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 직수냉각 핫스탬핑 방식의 경우 소재(P)의 냉각속도가 61.3℃/s로, 금형냉각으로 냉각시킨 경우의 소재(P)의 냉각속도 42.6℃/s 보다 냉각속도가 빠른 것으로 나타났다. 이에 따라, 도 10에 도시된 바와 같이, 금형냉각으로 냉각시킨 경우 냉각속도가 느리게 나타나 조대한 탄화물 상이 생성되어 성형된 소재(P)의 경도가 감소하는 반면에, 직수냉각 핫스탬핑 방식의 경우 냉각속도가 빠르게 나타나 소재(P)가 낮은 온도로 빠르게 냉각됨으로써, 미세한 탄화물 상이 생성되어 경도가 증가하는 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑용 직수 냉각 금형(100)은, 보론강으로 이루어진 소재(P)를 직접 냉각시키는 방법을 이용함으로써, 종래의 다이 냉각(Die quenching)과 같이 상기 냉각수를 간접적으로 사용하는 방법에 비해 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고 금형 내에서의 부품 홀딩 시간이 단축되어 부품 생산성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 고온의 소재(P)를 성형 직후 금형 내에서 직수냉각 방식으로 급랭시킴으로써, 마르텐사이트 조직을 형성시켜 1.5GPa급 초고강도 부품을 용이하게 제조하는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 펀치부
20: 다이부
30: 직수 냉각 장치
P: 소재
F: 성형면
L1: 냉각수 공급 라인
L2: 냉각수 배출 라인
100: 핫스탬핑용 직수 냉각 금형

Claims (10)

  1. 소재의 제 1 부분을 가압하여 성형하는 펀치부;
    상기 소재의 제 2 부분을 홀딩하는 다이부; 및
    상기 소재의 상기 제 1 부분에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 냉각 방식으로 상기 소재를 급랭시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 상기 펀치부의 성형면 사이로 냉각수를 유동시키는 직수 냉각 장치;
    를 포함하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직수 냉각 장치는,
    상기 냉각수가 상기 소재의 상기 제 1 부분에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 접촉되는 상기 펀치부의 상기 성형면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 성형면 냉각 채널;
    상기 성형면 냉각 채널의 일측으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록, 상기 펀치부의 일면에 형성된 냉각수 공급구로부터 상기 펀치부를 관통하여 상기 성형면 냉각 채널의 일측과 연결되게 형성되는 냉각수 공급 채널; 및
    상기 성형면 냉각 채널을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록, 상기 펀치부의 일면에 형성된 냉각수 배출구로부터 상기 펀치부를 관통하여 상기 성형면 냉각 채널의 타측과 연결되게 형성되는 냉각수 배출 채널;
    을 포함하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 성형면 냉각 채널은,
    상기 냉각수가 상기 소재의 상기 제 1 부분에 직접 접촉되면서 일방향으로만 흐를 수 있도록, 상면이 개방되고 길이 방향으로 길게 연장되는 직선형 유로로 형성되는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 성형면 냉각 채널은,
    상기 소재의 상기 제 1 부분이 균일하게 냉각되어 균일한 기계적 특성을 얻을 수 있도록, 복수열로 형성되는 상기 성형면 냉각 채널의 폭, 깊이 및 채널 간 간격이 균일하게 형성되는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 성형면 냉각 채널은,
    상기 소재의 상기 제 1 부분의 제 1 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 상기 펀치부의 상기 성형면의 일부분에 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 1 냉각 채널 조합;
    상기 소재의 상기 제 1 부분의 제 2 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 상기 펀치부의 상기 성형면의 타부분에 상기 제 1 냉각 채널 조합과 나란하게 형성되고, 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 2 냉각 채널 조합; 및
    상기 소재의 상기 제 1 부분의 제 3 영역을 냉각 시킬 수 있도록, 상기 펀치부의 상기 성형면의 또 다른 타부분에 상기 제 2 냉각 채널 조합과 나란하게 형성되고, 15열 내지 18열의 냉각 채널의 조합으로 형성되는 제 3 냉각 채널 조합;
    을 포함하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급 채널은,
    상기 제 1 냉각 채널 조합으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 냉각수 공급구와 상기 제 1 냉각 채널 조합의 일측을 연결하는 제 1 공급 채널;
    상기 제 2 냉각 채널 조합으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 냉각수 공급구와 상기 제 2 냉각 채널 조합의 일측을 연결하는 제 2 공급 채널; 및
    상기 제 3 냉각 채널 조합으로 상기 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 냉각수 공급구와 상기 제 3 냉각 채널 조합의 일측을 연결하는 제 3 공급 채널;을 포함하고,
    상기 냉각수 배출 채널은,
    상기 제 1 냉각 채널 조합을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 상기 냉각수 배출구와 상기 제 1 냉각 채널 조합의 타측을 연결하는 제 1 배출 채널;
    상기 제 2 냉각 채널 조합을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 상기 냉각수 배출구와 상기 제 2 냉각 채널 조합의 타측을 연결하는 제 2 배출 채널; 및
    상기 제 3 냉각 채널 조합을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 상기 냉각수 배출구와 상기 제 3 냉각 채널 조합의 타측을 연결하는 제 3 배출 채널;
    을 포함하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 직수 냉각 장치는
    상기 냉각수 공급 채널와 연결된 냉각수 공급 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널에 공급되는 상기 냉각수의 유량을 조절하는 냉각수 제어밸브;
    상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널에 공급되는 상기 냉각수의 유량을 측정하는 유량계;
    상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널에 공급되는 상기 냉각수의 압력을 측정하는 압력계; 및
    상기 냉각수 배출 채널과 연결된 냉각수 배출 라인에 설치되어 상기 성형면 냉각 채널을 통해 유동된 상기 냉각수를 회수할 수 있도록 진공압을 발생시키는 진공 펌프;
    를 더 포함하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 직수 냉각 장치는,
    상기 냉각수 제어밸브 및 상기 진공 펌프를 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 펀치부가 상기 소재의 상기 제 1 부분을 가압한 직후 상기 냉각수 공급 채널을 통해 상기 성형면 냉각 채널로 상기 냉각수가 분사될 수 있도록 상기 냉각수 제어밸브에 제 1 제어신호를 인가하고, 상기 냉각수의 분사와 동시에 상기 냉각수 배출 채널로 상기 냉각수가 회수될 수 있도록 상기 진공 펌프에 제 2 제어신호를 인가하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 펀치부 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 유로 형상으로 형성되어 상기 펀치부를 냉각시키는 펀치부 냉각 채널;
    을 더 포함하는, 핫스탬핑용 직수 냉각 금형.
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