KR20200056758A - 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온의 소재를 성형 직후 직수 분사 냉각 방식으로 소재의 성형 영역을 급랭시킴으로써 초고강도 부품을 제작할 수 있는 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형에 관한 것으로서, 소재의 제 1 부분을 가압하여 성형하는 펀치부와 상기 소재의 제 2 부분의 하면을 홀딩하는 플랜지부가 형성되는 하금형과, 상기 소재의 상기 제 2 부분의 상면을 홀딩하고, 상기 펀치부에 의해 성형되는 상기 소재의 상기 제 1 부분 및 상기 펀치부를 수용하는 성형부가 형성되는 상금형 및 상기 소재의 성형 시, 상기 소재에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 분사 냉각 방식으로 상기 소재를 급랭시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 상기 펀치부 사이 및 상기 제 2 부분과 상기 플랜지부 사이 중 적어도 어느 하나에 냉각수를 유동시키는 직수 냉각 장치를 포함할 수 있다.

Description

금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형{Direct water cooling mold for hot stamping}

본 발명은 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고온의 소재를 성형 직후 직수 분사 냉각 방식으로 소재의 성형 영역을 급랭시킴으로써 초고강도 부품을 제작할 수 있는 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형에 관한 것이다.

최근 차량 업계에서는 차량 경량화와 안정성 향상에 부합되는 중량 대비 강도가 높은 초고강도 소재가 확대 적용되고 있다. 하지만, 초고강도 소재는 낮은 성형성을 지니고 과도한 스프링백을 일으키기 때문에, 초고강도 소재를 성형하기 위한 금형을 제조하는데 어려움이 있다. 이러한 어려움을 해결하기 위한 성형 기술로서 핫스탬핑 공정이 사용될 수 있다.

일반적으로, 핫스탬핑은 소재를 900℃ 이상 가열하고 가열된 소재를 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 소재를 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 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형이 제공된다. 상기 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형은, 소재의 제 1 부분을 가압하여 성형하는 펀치부와 상기 소재의 제 2 부분의 하면을 홀딩하는 플랜지부가 형성되는 하금형; 상기 소재의 상기 제 2 부분의 상면을 홀딩하고, 상기 펀치부에 의해 성형되는 상기 소재의 상기 제 1 부분 및 상기 펀치부를 수용하는 성형부가 형성되는 상금형; 및 상기 소재의 성형 시, 상기 소재에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 분사 냉각 방식으로 상기 소재를 급랭시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 상기 펀치부 사이 및 상기 제 2 부분과 상기 플랜지부 사이 중 적어도 어느 하나에 냉각수를 유동시키는 직수 냉각 장치;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 직수 냉각 장치는, 냉각수가 상기 소재의 상기 제 1 부분에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 접촉되는 상기 펀치부에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1 냉각 채널 조합; 및 냉각수가 상기 소재의 상기 제 2 부분에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 2 부분과 접촉되는 상기 플랜지부에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 2 냉각 채널 조합;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 냉각 채널 조합은, 상기 펀치부의 상면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1-1 냉각 채널 조합; 및 상기 펀치부의 양측면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1-2 냉각 채널 조합;을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합은, 냉각수가 상기 소재와 직접 접촉되면서 일방향으로만 흐를 수 있도록, 상면이 개방되고 길이 방향으로 길게 연장되는 반구형 형상의 단면을 가지는 직선형 유로의 조합으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합은, 상기 직선형 유로의 폭이 0.8mm 내지 5.0mm, 깊이가 0.5mm 내지 2.5mm로 형성되고, 상기 직선형 유로 간의 간격은 0.8mm 내지 5.0mm 간격으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 직수 냉각 장치는, 상기 제 1 냉각 채널 조합으로 냉각수를 공급할 수 있도록, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 펀치부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 각각의 직선형 유로의 일측과 냉각수 분사구를 통해서 연결되게 형성되는 제 1 냉각수 공급 채널; 상기 제 1 냉각 채널 조합을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 펀치부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 각각의 상기 직선형 유로의 타측과 냉각수 배출구를 통해서 연결되게 형성되는 제 1 냉각수 배출 채널; 상기 제 2 냉각 채널 조합으로 냉각수를 공급할 수 있도록, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 플랜지부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 각각의 직선형 유로의 일측과 냉각수 분사구를 통해서 연결되게 형성되는 제 2 냉각수 공급 채널; 및 상기 제 2 냉각 채널 조합을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 플랜지부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 각각의 상기 직선형 유로의 타측과 냉각수 배출구를 통해서 연결되게 형성되는 제 2 냉각수 배출 채널;을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 직수 냉각 장치는, 상기 제 1 냉각수 공급 채널 및 상기 제 2 냉각수 공급 채널과 연결된 냉각수 공급 라인에 설치되어 냉각수 공급 유량을 조절하는 냉각수 제어밸브; 상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 공급되는 냉각수의 유량을 측정하는 유량계; 상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 공급되는 냉각수의 압력을 측정하는 압력계; 및 상기 제 1 냉각수 배출 채널 및 상기 제 2 냉각수 배출 채널과 연결된 냉각수 배출 라인에 설치되어, 상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록 진공압을 발생시키는 진공 펌프;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 직수 냉각 장치는, 상기 냉각수 제어밸브 및 상기 진공 펌프를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제어부는, 상기 펀치부가 상기 소재의 상기 제 1 부분을 가압한 직후 상기 제 1 냉각수 공급 채널 및 상기 제 2 냉각수 공급 채널을 통해 상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합으로 냉각수가 동시에 분사될 수 있도록 상기 냉각수 제어밸브에 제 1 제어신호를 인가하고, 냉각수 분사와 동시에 상기 제 1 냉각수 배출 채널 및 상기 제 2 냉각수 배출 채널로 냉각수가 동시에 회수될 수 있도록 상기 진공 펌프에 제 2 제어신호를 인가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 소재의 성형 시, 냉각된 상기 하금형 및 상기 상금형에 의해 상기 소재를 냉각시키는 다이 냉각 방식으로 상기 소재를 냉각시킬 수 있도록, 상기 하금형 및 상기 상금형 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 유로 형상으로 형성되어 상기 하금형 및 상기 상금형을 냉각시키는 다이 냉각 채널;을 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형에 따르면, 고온의 소재를 성형 직후 금형 내에서 직수냉각 방식으로 급랭시킴으로써, 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고 금형 내에서의 부품 홀딩 시간이 단축되어 부품 생산성을 향상시킬 수 있으며, 고강도 부품을 용이하게 제조하는 효과를 가지는 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형이 소재를 성형 및 직수 냉각하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 5는 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형의 하금형을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형의 하금형을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 8은 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형으로 소재를 냉각 시 냉각 속도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형으로 성형된 소재의 인장강도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 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 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)이 소재(P)를 성형 및 직수 냉각하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)은, 크게, 하금형(10)과, 상금형(20) 및 직수 냉각 장치(30)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 하금형(10)은, 소재(P)의 제 1 부분(P1)을 가압하여 성형하는 펀치부(11)와 소재(P)의 제 2 부분(P2)의 하면을 홀딩하는 플랜지부(12)가 형성될 수 있다. 또한, 상금형(20)은, 소재(P)의 제 2 부분(P2)의 상면을 홀딩하고, 펀치부(11)에 의해 성형되는 소재(P)의 제 1 부분(P1) 및 펀치부(11)를 수용하는 성형부(21)가 형성될 수 있다.

이때, 직수 냉각 장치(30)는, 소재(P)의 성형 시, 소재(P)에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 분사 냉각 방식으로 소재(P)를 급랭시킬 수 있도록, 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(11) 사이 및 제 2 부분(P2)과 플랜지부(12) 사이 중 적어도 어느 하나에 냉각수를 유동시킬 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 하금형(10)과 마주보게 형성된 상금형(20)이 상승되어 하금형(10)과 상금형(20)이 개방된 상태에서, 약 900℃ 이상의 고온으로 가열된 금속 판재인 소재(P)를 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)으로 이송시킬 수 있다.

이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상금형(20)이 하강하여 소재(P)를 성형할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상금형(20)이 하강하여 하금형(10)의 플랜지부(12)와 맞닿는 부분은 일정한 홀딩압력으로 소재(P)의 제 2 부분(P2)을 홀딩하여 소재(P)를 고정시키고, 상금형(20)의 성형부(21)에 진입하는 펀치부(11)에 의해 소재(P)의 제 1 부분(P1)이 가압됨으로써 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)이 성형될 수 있다.

이어서, 소재(P)의 성형 직후, 직수 냉각 장치(30)를 이용하여 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(11) 사이 및 제 2 부분(P2)과 플랜지부(12) 사이로 냉각수를 유동시킴으로써, 상기 냉각수를 소재(P)의 제 1 부분(P1) 및 제 2 부분(P2)에 직접 접촉시키는 직수 분사 냉각 방식으로 소재(P)를 급랭시킬 수 있다. 이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 소재(P)의 냉각 후, 상금형(20)이 상승하여, 성형 및 냉각이 완료된 소재(P)를 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)으로부터 외부로 반출할 수 있다.

이때, 도 2 내지 도 4에 도시된 소재(P)의 성형 및 냉각 과정에서 직수 냉각 장치(30)는, 후술될 제 1 냉각수 공급 채널(33) 및 제 2 냉각수 공급 채널(35)과 연결된 냉각수 공급 라인(L1)에 설치되어 냉각수 공급 유량을 조절하는 냉각수 제어밸브(40)와, 냉각수 공급 라인(L1)에 설치되어 공급되는 냉각수의 유량을 측정하는 유량계(50)와, 냉각수 공급 라인(L1)에 설치되어 공급되는 냉각수의 압력을 측정하는 압력계(60) 및 후술될 제 1 냉각수 배출 채널(34) 및 제 2 냉각수 배출 채널(36)과 연결된 냉각수 배출 라인(L2)에 설치되어, 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록 진공압을 발생시키는 진공 펌프(70)를 포함할 수 있다.

이에 따라, 직수 냉각 장치(30)는, 냉각수 공급 라인(L1)에 냉각수 제어밸브(40)와 유량계(50) 및 압력계(60)를 설치하여 직수 냉각 장치(30)로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하면서, 동시에 냉각수의 유량 및 압력을 실시간으로 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 아울러, 직수 냉각 장치(30)로 공급된 냉각수는 냉각수 배출 라인(L2)에 설치된 진공 펌프(70)를 이용하여 하금형(10) 내부에 형성된 직수 냉각 장치(30)의 냉각 채널을 통해 외부로 배출될 수 있도록 구성될 수 있다.

이때, 냉각수 제어밸브(40) 및 진공 펌프(70)와 전기적으로 연결되어 냉각수 제어밸브(40) 및 진공 펌프(70)를 제어하는 제어부(미도시)를 이용하여, 펀치부(11)가 소재(P)의 제 1 부분(P1)을 가압한 직후 펀치부(11)에 형성된 제 1 냉각수 공급 채널(33) 및 플랜지부(12)에 형성된 제 2 냉각수 공급 채널(35)을 통해 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)으로 냉각수가 동시에 분사될 수 있도록 냉각수 제어밸브(40)에 제 1 제어신호를 인가하고, 냉각수 분사와 동시에 제 1 냉각수 배출 채널(34) 및 제 2 냉각수 배출 채널(36)로 냉각수가 동시에 회수될 수 있도록 진공 펌프(70)에 제 2 제어신호를 인가할 수 있다.

이와 같이, 상기 제어부의 제어를 통해, 냉각수는, 소재(P)의 성형직후 직수 냉각 장치(30)를 통해서 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(11) 사이 및 제 2 부분(P2)과 플랜지부(12) 사이로 분사가 되도록 제어될 수 있다. 또한, 냉각수의 분사와 동시에 분사된 냉각수의 배수를 위한 진공 펌프(70)가 자동으로 작동되어, 직수 냉각 장치(30)로 냉각수의 공급과 배수가 동시에 이루어짐으로써, 냉각수의 내부 고임 현상 없이 냉각수가 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(11) 사이 및 제 2 부분(P2)과 플랜지부(12) 사이로 원활하게 유동될 수 있도록 유도할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)은, 직수 냉각 장치(30)를 이용하여 직수냉각 방식으로, 하금형(10)의 펀치부(11)의 성형면 및 플랜지부(12)의 홀딩면에 냉각수를 분사하고 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(11) 사이 및 제 2 부분(P2)과 플랜지부(12) 사이로 분사된 냉각수가 흐르게 함으로써, 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)과 홀딩 영역인 제 2 부분(P2)을 직접 냉각시킬 수 있다.

또한, 소재(P)의 성형 시, 상술한 직수 분사 냉각 방식 뿐만 아니라, 냉각된 하금형(10) 및 상금형(20)에 의해 소재(P)를 냉각시키는 다이 냉각 방식으로도 소재(P)를 냉각시킬 수 있도록, 하금형(10) 및 상금형(20) 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 유로 형상으로 형성되어 하금형(10) 및 상금형(20)을 냉각시키는 다이 냉각 채널(80)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 소재(P)의 성형 전 대기 상태일 때에도 하금형(10) 및 상금형(20)이 냉각된 상태로 유지될 수 있으며, 소재(P)의 성형 직후에는, 직수 냉각과 다이 냉각이 동시에 실시되어, 소재(P)를 더욱 더 빠른 속도로 급랭시킬 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 5는 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)의 하금형(10)을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 6 및 도 7은 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)의 하금형(10)을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 직수 냉각 장치(30)는, 냉각수가 소재(P)의 제 1 부분(P1)에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 접촉되는 펀치부(11)에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 냉각수가 소재(P)의 제 2 부분(P2)에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 소재(P)의 제 2 부분(P2)과 접촉되는 플랜지부(12)에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 2 냉각 채널 조합(32)을 포함할 수 있다.

더욱 구체적으로, 제 1 냉각 채널 조합(31)이 펀치부(11)의 상면과 양측면에 형성되어, 펀치부(11)가 소재(P)의 제 1 부분(P1)을 가압 시 성형되면서 신장되는 제 1 부분(P1)의 상면 및 양측면을 모두 직수 분사 냉각 방식으로 냉각할 수 있다. 이를 위해, 제 1 냉각 채널 조합(31)은, 펀치부(11)의 상면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1-1 냉각 채널 조합(31-1) 및 펀치부(11)의 양측면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1-2 냉각 채널 조합(31-2)을 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 직수 냉각 장치(30)는, 제 1 냉각 채널 조합(31)으로 냉각수를 공급할 수 있도록, 제 1 냉각 채널 조합(31)의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 펀치부(11)를 관통하도록 형성되어, 제 1 냉각 채널 조합(31)의 각각의 직선형 유로의 일측과 냉각수 분사구(IN)를 통해서 연결되게 형성되는 제 1 냉각수 공급 채널(33)과, 제 1 냉각 채널 조합(31)을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록, 제 1 냉각 채널 조합(31)의 형성 방향과 수직한 방향으로 펀치부(11)를 관통하도록 형성되어, 제 1 냉각 채널 조합(31)의 각각의 상기 직선형 유로의 타측과 냉각수 배출구(OUT)를 통해서 연결되게 형성되는 제 1 냉각수 배출 채널(34)과, 제 2 냉각 채널 조합(32)으로 냉각수를 공급할 수 있도록, 제 2 냉각 채널 조합(32)의 형성 방향과 수직한 방향으로 플랜지부(12)를 관통하도록 형성되어, 제 2 냉각 채널 조합(32)의 각각의 직선형 유로의 일측과 냉각수 분사구(IN)를 통해서 연결되게 형성되는 제 2 냉각수 공급 채널(35) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록, 제 2 냉각 채널 조합(32)의 형성 방향과 수직한 방향으로 플랜지부(12)를 관통하도록 형성되어, 제 2 냉각 채널 조합(32)의 각각의 상기 직선형 유로의 타측과 냉각수 배출구(OUT)를 통해서 연결되게 형성되는 제 2 냉각수 배출 채널(36)을 포함할 수 있다.

이에 따라, 제 1 냉각수 공급 채널(33) 및 제 2 냉각수 공급 채널(35)로 공급되는 냉각수는 냉각 채널 조합(31, 32)의 각각의 직선형 유로의 일측과 연결된 냉각수 분사구(IN)를 통해서 냉각 채널 조합(31, 32)으로 분사될 수 있으며, 분사된 냉각수는 냉각 채널 조합(31, 32)의 각각의 직선형 유로를 따라 흐르면서 소재(P)를 급랭시키고 최종적으로 냉각 채널 조합(31, 32)의 각각의 직선형 유로의 타측과 연결된 냉각수 배출구(OUT)를 통해 제 1 냉각수 배출 채널(34) 및 제 2 냉각수 배출 채널(36)로 배출되어 외부로 배출될 수 있다. 이때, 펀치부(11)의 양측면부의 경우, 냉각수 분사구(IN)는 상측에 형성되고 냉각수 배출구(OUT)는 하측에 형성되어, 펀치부(11)의 양측면에 형성된 직선형 유로를 타고 흐르는 냉각수의 유동이 더욱 원활하도록 유도할 수 있다.

또한, 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)의 각각의 직선형 유로는 모두 동일한 형상으로 형성될 수 있으며, 대표적으로, 제 2 냉각 채널 조합(32)의 직선형 유로에 대해 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 냉각 채널 조합(32)은 냉각수가 소재(P)와 직접 접촉되면서 일방향으로만 흐를 수 있도록, 상면이 개방되고 길이 방향으로 길게 연장되는 반구형 형상의 단면을 가지는 직선형 유로의 조합으로 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 제 2 냉각 채널 조합(32)의 소재(P)가 균일하게 냉각되어 균일한 기계적 특성을 얻을 수 있도록, 복수열로 형성되는 각각의 직선형 유로의 폭, 깊이 및 간격이 균일하게 형성될 수 있다. 예컨대, 제 2 냉각 채널 조합(32)은, 소재(P)의 냉각이 균일하게 되어 균일한 기계적 특성(균일한 경도 분포)을 얻을 수 있도록, 직선형 유로의 폭(W)이 0.8mm 내지 5.0mm, 깊이(H)가 0.5mm 내지 2.5mm로 형성되고, 직선형 유로 간의 간격(D)은 0.8mm 내지 5.0mm 간격으로 형성되도록 설계될 수 있다. 이러한 직선형 유로의 구성은 제 1 냉각 채널 조합(31)에도 동일하게 적용되어 소재(P)의 냉각이 균일하게 냉각될 수 있도록 유도할 수 있다.

따라서, 상술된 바와 같이, 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)의 각각의 직선형 유로가 설계됨으로써, 핫스탬핑 성형 공정 중 성형 시 가해진 하중에 의해 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)이 파손되지 않도록, 충분한 성형 하중을 견딜 수 있는 채널 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 각 직선형 유로의 폭이 과하게 클 경우(각 직선형 유로 간 간격이 과하게 좁을 경우)에는 각 직선형 유로 사이 부분의 두께가 너무 얇아져 구조적으로 취약해지므로, 성형하중에 의해 파손될 우려가 있다.

또한, 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)의 유로가 방사형으로 설계될 경우 소재(P)의 넓은 영역을 촘촘하게 냉각시킬 수 있으나, 냉각수의 유동 방향이 균일하지 않을 수 있어 결과적으로 냉각이 균일하게 이루어지지 않아 균일한 기계적 성질을 얻기 힘들 수 있으므로, 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)의 유로를 상술한 바와 같이 직선형의 유로로 설계함으로써 상기 냉각수가 한방향으로 균일하게 흘러가도록 유도할 수 있다.

또한, 제 1 냉각 채널 조합(31) 및 제 2 냉각 채널 조합(32)의 각각의 직선형 유로의 횡단면을 도 7에 도시된 바와 같이 반구형으로 설계함으로써, 직선형 유로를 흐르는 냉각수와 금형 표면 사이의 마찰을 최소화하여 냉각수가 원활히 흐르도록 유도할 수 있다. 예컨대, 직선형 유로의 횡단면이 사각 형상일 경우 높은 마찰로 인해 냉각수가 원활히 흐르기 어렵고, 이로 인해 냉각 성능이 저하될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)은, 직수 냉각 장치(30)를 이용하여 직수 분사 냉각 방식으로, 하금형(10)의 펀치부(11)의 성형면 및 플랜지부(12)의 홀딩면에 냉각수를 분사하고 소재(P)의 제 1 부분(P1)과 펀치부(11) 사이 및 제 2 부분(P2)과 플랜지부(12) 사이로 분사된 냉각수가 흐르게 함으로써, 소재(P)의 성형 영역인 제 1 부분(P1)과 홀딩 영역인 제 2 부분(P2)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 8은 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)으로 소재(P)를 냉각 시 냉각 속도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 9는 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)으로 성형된 소재(P)의 인장강도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이며, 도 10 및 도 11은 도 1의 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)으로 성형된 소재(P)의 조직을 확대하여 나타내는 이미지이다.

도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, A6061 알루미늄 판재(2.0mm 두께)를 소재(P)로 사용하고 560℃로 15분 가열한 후 금형내로 이송하여(5초 이내), 종래의 다이 냉각 방식으로 소재(P)를 성형 및 냉각시킨 경우에 소재(P)의 냉각속도는 20℃/s(적외선 온도 센서 측정)로 나타났으나, 동일한 조건에서 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)을 이용한 직수 분사 냉각 방식(냉각수 유량 1.1L/min, 냉각수 온도 약 30℃)으로 소재(P)를 성형 및 냉각 시킨 경우에 소재(P)의 냉각속도는 102℃/s로 나타나, 직수 분사 냉각 방식이 다이 냉각 방식에 비해 약 5배 가량 냉각속도가 빠른 것으로 나타났다.

이와 같이, 직수 분사 냉각 방식으로 소재(P)를 성형 및 냉각 시 소재(P)의 온도가 빠르게 떨어지므로, 금형 내에서의 유지시간(Holding time)을 3초 내지 5초로 매우 짧게 할 수 있다. 이에 반해, 종래의 다이 냉각 방식은 냉각속도가 매우 느리므로 10초 이상 금형 내에서 유지시켜야 하므로 생산성이 매우 떨어질 수 있다. 더불어, 직수 분사 냉각 시, 냉각수 제어밸브(40)의 조절을 통해 냉각수의 유량을 증가시키거나, 냉각 칠러 또는 냉각 쿨러를 이용해 더욱 낮은 온도의 냉각수를 공급함으로써, 소재(P)의 냉각속도를 더욱 향상시킬 수도 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, A6061 알루미늄 판재(2.0mm 두께)인 소재(P)를 560℃로 15분 가열 후, 종래의 다이 냉각 방식 및 본 발명의 직수 분사 냉각 방식 조건에서 성형된 소재(P)에 대해 시효 열처리 후 인장강도를 측정해보면, 직수 분사 냉각 방식으로 냉각된 소재(P)의 시효 전(0hr) 인장강도는 282MPa이며, 시효시간 증가에 따라 인장강도가 증가하여 피크 시효 조건인 8시간 시효 시 368MPa의 높은 인장강도를 나타내었다.

이와 같이, 직수 분사 냉각 방식으로 소재(P)를 냉각 시, 충분히 빠른 냉각속도로 인하여 소재(P) 내의 과포화고용체가 효과적으로 형성되어, 시효강화 열처리 시 소재(P)의 강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이에 반해, 종래의 다이 냉각 방식으로 냉각된 소재(P)를 8시간 시효한 경우, 인장강도는 344MPa을 나타내어 본 발명의 직수 분사 냉각 방식을 이용한 경우보다 강도 상승의 효과가 작은 것으로 나타났다. 이는, 직수 분사 냉각 방식의 냉각속도가 종래의 다이 냉각 방식에 비해 매우 빠르므로, 과포화고용체가 효과적으로 생성되어 이후 시효 열처리 시 강화상이 석출되어 강도가 증가했기 때문으로 판단할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, A6061 알루미늄 판재(2.0mm 두께)인 소재(P)의 성형 전 모재 및 직수 분사 냉각 방식으로 핫스탬핑된 소재(P)의 미세조직을 후방산란전자회절(EBSD)를 이용하여 관찰해보면, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 성형 전 모재의 결정립 크기는 21㎛으로 측정되고, (b)에 도시된 바와 같이, 직수 분사 냉각 방식으로 핫스탬핑된 소재(P)의 결정립 크기는 55㎛으로 측정되었다.

이와 같이, 소재(P)를 560℃의 고온에서 열처리하는 동안 결정립이 성장하여 크기가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 핫스탬핑된 판재의 결정립이 매우 큼에도 불구하고 앞서 살펴본 바와 같이 인장강도가 모재에 비해 높다는 것은, 직수 분사 냉각 방식을 통해 과포화고용체가 효과적으로 생성되어 이후 시효 열처리 시 강화상이 석출되어 강도가 증가했기 때문이다.

따라서, 알루미늄 판재인 소재(P)에 대해 열간 성형 시 직수 분사 냉각 방식이 가능한 금형을 적용해 소재(P)의 냉각속도를 향상시킴으로써, 충분한 과포화고용체를 형성시키며 시효처리 시 강도가 높은 성형품의 제작이 가능할 수 있다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 직수 분사 냉각 방식으로 냉각된 소재(P)에 대해 시효열처리(180℃, 8hr) 후, 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 미세 석출물을 관찰해보면, 알루미늄 합금에서 강화상으로 알려진 미세 석출물이 조직내 조밀하게 생성된 것으로 나타났으며, 이로 인해 소재(P)의 강도가 향상되었음을 알 수 있다. 이와 같이, 직수 분사 냉각 방식은, 시효열처리를 통해 소재(P)의 강도를 향상시킬 수 있는 효과적인 냉각 방식일 수 있다.

그러므로, 본 발명의 일 실시예에 다른 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형(100)은, 소재(P)의 핫스탬핑 시 소재(P)를 직수 분사 냉각 방식으로 냉각함으로써, 종래의 다이 냉각 방식과 같이 냉각수를 간접적으로 사용하는 방법에 비해 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고, 금형 내에서 부품 홀딩 시간이 단축되어 부품 생산성을 향상시키는 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: 하금형
20: 상금형
30: 직수 냉각 장치
40: 냉각수 제어밸브
50: 유량계
60: 압력계
70: 진공 펌프
80: 다이 냉각 채널
P: 소재
100: 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형

Claims (10)

1. 소재의 제 1 부분을 가압하여 성형하는 펀치부와 상기 소재의 제 2 부분의 하면을 홀딩하는 플랜지부가 형성되는 하금형;
   상기 소재의 상기 제 2 부분의 상면을 홀딩하고, 상기 펀치부에 의해 성형되는 상기 소재의 상기 제 1 부분 및 상기 펀치부를 수용하는 성형부가 형성되는 상금형; 및
   상기 소재의 성형 시, 상기 소재에 냉각수가 직접 접촉되는 직수 분사 냉각 방식으로 상기 소재를 급랭시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 상기 펀치부 사이 및 상기 제 2 부분과 상기 플랜지부 사이 중 적어도 어느 하나에 냉각수를 유동시키는 직수 냉각 장치;
   를 포함하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 직수 냉각 장치는,
   냉각수가 상기 소재의 상기 제 1 부분에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 1 부분과 접촉되는 상기 펀치부에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1 냉각 채널 조합; 및
   냉각수가 상기 소재의 상기 제 2 부분에 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있도록, 상기 소재의 상기 제 2 부분과 접촉되는 상기 플랜지부에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 2 냉각 채널 조합;
   을 포함하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 냉각 채널 조합은,
   상기 펀치부의 상면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1-1 냉각 채널 조합; 및
   상기 펀치부의 양측면에 복수열의 냉각 채널 조합으로 형성되는 제 1-2 냉각 채널 조합;
   을 포함하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합은,
   냉각수가 상기 소재와 직접 접촉되면서 일방향으로만 흐를 수 있도록, 상면이 개방되고 길이 방향으로 길게 연장되는 반구형 형상의 단면을 가지는 직선형 유로의 조합으로 형성되는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합은,
   상기 직선형 유로의 폭이 0.8mm 내지 5.0mm, 깊이가 0.5mm 내지 2.5mm로 형성되고, 상기 직선형 유로 간의 간격은 0.8mm 내지 5.0mm 간격으로 형성되는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 직수 냉각 장치는,
   상기 제 1 냉각 채널 조합으로 냉각수를 공급할 수 있도록, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 펀치부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 각각의 직선형 유로의 일측과 냉각수 분사구를 통해서 연결되게 형성되는 제 1 냉각수 공급 채널;
   상기 제 1 냉각 채널 조합을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 펀치부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 1 냉각 채널 조합의 각각의 상기 직선형 유로의 타측과 냉각수 배출구를 통해서 연결되게 형성되는 제 1 냉각수 배출 채널;
   상기 제 2 냉각 채널 조합으로 냉각수를 공급할 수 있도록, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 플랜지부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 각각의 직선형 유로의 일측과 냉각수 분사구를 통해서 연결되게 형성되는 제 2 냉각수 공급 채널; 및
   상기 제 2 냉각 채널 조합을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 형성 방향과 수직한 방향으로 상기 플랜지부를 관통하도록 형성되어, 상기 제 2 냉각 채널 조합의 각각의 상기 직선형 유로의 타측과 냉각수 배출구를 통해서 연결되게 형성되는 제 2 냉각수 배출 채널;
   를 포함하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 직수 냉각 장치는,
   상기 제 1 냉각수 공급 채널 및 상기 제 2 냉각수 공급 채널과 연결된 냉각수 공급 라인에 설치되어 냉각수 공급 유량을 조절하는 냉각수 제어밸브;
   상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 공급되는 냉각수의 유량을 측정하는 유량계;
   상기 냉각수 공급 라인에 설치되어 공급되는 냉각수의 압력을 측정하는 압력계; 및
   상기 제 1 냉각수 배출 채널 및 상기 제 2 냉각수 배출 채널과 연결된 냉각수 배출 라인에 설치되어, 상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합을 통해 유동된 냉각수를 회수할 수 있도록 진공압을 발생시키는 진공 펌프;
   를 더 포함하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 직수 냉각 장치는,
   상기 냉각수 제어밸브 및 상기 진공 펌프를 제어하는 제어부;
   를 더 포함하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 펀치부가 상기 소재의 상기 제 1 부분을 가압한 직후 상기 제 1 냉각수 공급 채널 및 상기 제 2 냉각수 공급 채널을 통해 상기 제 1 냉각 채널 조합 및 상기 제 2 냉각 채널 조합으로 냉각수가 동시에 분사될 수 있도록 상기 냉각수 제어밸브에 제 1 제어신호를 인가하고, 냉각수 분사와 동시에 상기 제 1 냉각수 배출 채널 및 상기 제 2 냉각수 배출 채널로 냉각수가 동시에 회수될 수 있도록 상기 진공 펌프에 제 2 제어신호를 인가하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 소재의 성형 시, 냉각된 상기 하금형 및 상기 상금형에 의해 상기 소재를 냉각시키는 다이 냉각 방식으로 상기 소재를 냉각시킬 수 있도록, 상기 하금형 및 상기 상금형 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 유로 형상으로 형성되어 상기 하금형 및 상기 상금형을 냉각시키는 다이 냉각 채널;
    을 더 포함하는, 금속판재 열간성형용 직수분사 냉각 금형.

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