KR20210118722A - 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법 - Google Patents

고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법에 관한 것으로서, 분할하여 재료를 준비하는 단계, NC가공기에 미리 입력된 제품 설계 정보 및 냉각로 설계 정보에 의해 윤곽 라인 범위 내에서 전면 및 후면 각각에 냉각로를 가공하는 냉각로 가공 단계, 고상 확산 접합 단계, NC가공기를 통해 미리 입력된 제품 설계 정보에 의해 윤곽 라인을 따라 가공하여 금형제로 제조하는 금형제 가공 단계 및 금형제를 일정 온도로 가열하는 열 처리 단계를 포함하고, 본 발명에 따르면, 여러 장의 분할 재료를 모재와 동등한 물성을 갖도록 하는 고상 확산 접합을 이용하여 금형을 제작하되 금형 내부에 다수열의 냉각로를 성형면의 테두리를 따라 일정 깊이 및 간격으로 간편하면서도 정밀하게 만들 수 있어 금형의 사이즈 최소화 및 코스트 절감의 효과가 있으며, 내부에 구비되는 다수의 냉각로들간 수밀성이 뛰어나 누수 우려가 전연 없고, 냉각 효율을 높일 수 있어 성형 제품의 품질을 향상시킬 수 있으며, 각 분할 재료에 냉각로를 먼저 정밀 가공한 후 고상 확산 접합하고, 그 후 외주의 성형면을 가공하는 것이므로 냉각수로를 직선, 곡선, 수직가공 등 필요한 모든 가공이 가능하며, 다수의 분할 재료의 두께를 조절하면 부위별 냉각속도 조절이 가능한 금형 제작이 용이하다.

Description

고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF HOT FORMING MOLD USING SOLID PHASE DIFFUSION BONDING}
본 발명은 열간 성형금형의 제조방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는 냉각수단이 구비되는, 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 열간 성형금형은 성형되는 제품의 열을 식혀서 그 형태를 유지하도록 하기 위해 금형의 성형면 테두리 형상을 따라 그 내부에 냉각수로를 구비하여야 하며, 이러한 냉각수로(cooling channel)는 부위별 금형의 냉각차가 발생하지 않도록 성형면 형상을 따라 그 테두리에 일정한 깊이로 형성되어야 한다.
일례로, 소재를 600℃, 상세하게는 900℃ 이상의 온도로 가열하여 성형한 후 성형 제품을 급냉시키는 핫스탬핑 방식은 성형 제품을 고강도의 강성으로 변하게 하는 것으로서, 이에 사용되는 열간 성형금형은 성형면의 높낮이 및 형상 테두리를 따라 내부에 냉각수로가 구비된다. 그런데 이러한 냉각시스템을 필요로 하는 열간 성형금형 제작 시 종래에는 건드릴로 냉각수로를 직선 가공하여 연결하는 제작 방식을 주로 채택하였다.
건드릴로 냉각수로를 직선 가공하는 방식은 성형면의 테두리를 따라 깊이를 일정하게 냉각수로를 형성하기 어려워서 성형 제품의 품질을 균일하게 하지 못하는 문제점이 있다. 즉, 건드릴 가공 방식은 성형면 테두리에서 어느 냉각수로는 가깝게 가공되고 어느 냉각수로는 멀리 떨어져 가공되는 등 냉각수로의 깊이가 일정하게 가공되지 못함에 따라 부위별 냉각 효율이 다르게 되며, 이와 같이 냉각 효율이 상이하면 냉각에 따른 시간이 오래 걸려 제품 생산성이 떨어지고, 성형 제품의 변형이 쉽게 발생되어 품질의 균일성이 떨어지게 된다.
이를 해결하기 위한 선행기술로는 아래의 특허문헌에 개시된 대한민국 등록특허 제10-1283983호(2013.07.09)의 '핫스탬핑용 금형'(이하 '선행기술 1'이라 칭함)이 있다. 상기 선행기술 1은 차례로 중첩되어 캐비티면을 형성하는 다수의 금형플레이트와; 상기 각 금형플레이트의 적어도 한 중첩면에 함몰되게 형성된 플레이트냉각홀과; 상기 다수의 금형플레이트와 수직하게 결합되면서 상기 각 플레이트냉각홈에 연통되는 베이스냉각통로를 구비한 베이스; 를 포함하여 구성되고, 상기 금형플레이트에는 상기 베이스가 결합되는 반대방향의 외곽선이 상기 캐비티면의 일부를 형성하도록 구성된 핫스탬핑용 금형이다. 즉, 상기 선행기술 1은 금형재료를 다수 개의 금형 소재로 절단한 다음 각각 조립 위치에 따라 알맞은 성형면을 먼저 개별 가공하여 여러 개의 금형플레이트로 만들고 이들을 중첩 후 체결부재로 체결하여 서브어셈블리를 이루게 하는 방식으로서, 이러한 선행기술 1은 아래에서와 같이 여러 문제점을 갖고 있다.
첫째: 각 금형플레이트 소재의 개별 가공되는 성형면 형상이나 높낮이가 중첩시켰을 때 서로 정밀하게 일치될 수 있도록 정밀한 성형면 가공을 필요로 하므로 금형 제작시간이 많이 소요되고, 둘째: 상기 성형면이 먼저 가공된 다수의 금형플레이트는 중첩시 수밀성 확보를 위해 양쪽 중첩면을 고정밀도로 일일이 정밀 가공하여야만 되므로 금형 제작에 따른 생산성을 떨어지며, 셋째: 각 금형플레이트들 간의 수밀성 확보를 위한 가압수단으로, 각 금형플레이트를 롱볼트의 체결부재로 조여주었는바, 이러한 금형플레이트로 구성된 펀치와 다이는 제품 성형시 상당한 충격 압력을 반복하여 받음에 따라 수밀성 유지가 어려워서 얼마 못가 누수의 우려가 있는 등 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.
또 다른 선행기술로는, 본원 출원인이 선 개발하여 등록받은 대한민국 등록특허 제10-1403668호(2014.06.20)의 '핫스탬핑 냉간트림 양산용 프레스 금형의 제조방법'(이하 '선행기술 2'라 칭함)이 있다. 상기 선행기술 2는 초고경도와 열간합금공구강으로 이종인 스틸몸체를 확산 접합시켜 단일체의 금형소재로 형성하는 제1 단계와; 금형소재의 바닥면 및 일측 테두리면을 열 처리시의 변형량 고려하여 가공여유를 두고 연마 가공하는 제2 단계와; 금형소재의 나머지 테두리면을 가공하는 제3 단계와; 기준홀과 기준면을 가공하는 제4 단계와; 볼트공들을 다수 형성하는 제5 단계; 및 한 쪽면을 기준홀 중심으로 3차원 형상 가공하는 제6 단계와; 금형소재를 열 처리하는 제7 단계와; 가공조건에 따른 측정값의 수치표에 의거한 보정치 적용하여 바닥면 및 일측 테두리면은 정치수로 연마 가공하고, 테두리면은 정치수로 와이어 가공하는 제8 단계;로 구성하여 보다 저렴한 가격에 150kg급 강판 제품을 대량 가공할 수 있도록 한 것으로서, 금형 개발비 절감과 내구성이 향상되게 한 것이다.
그런데 상기 선행기술 2와 같이 이종 스틸몸체를 먼저 하나의 금형소재로 접합한 후 그 금형소재에 홀을 관통 가공하는 방식으로는 성형면의 테두리 형상을 따라 내부에 일정 간격으로 다수개의 냉각수로를 일정한 깊이로 형성할 수 없어서 내부에 다수의 냉각수로가 구비되어야 하는 열간 성형금형 제조에는 부적합하다고 할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-1283983호(2013.07.09) 대한민국 등록특허 제10-1403668호(2014.06.20)
이에 본 발명은 상기의 종래 기술 및 선행기술의 문제점을 개선하고자 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 열간 성형금형 제작시 내부에 다수열의 냉각수로를 테두리 형상을 따라 일정한 깊이 및 간격으로 손쉽게 형성하여 냉각 효율과 성형 품질을 높일 수 있고, 누수의 우려가 없으며, 씰링을 위한 작업을 생략하는 제작 공수 최소화로 코스트(cost) 절감 및 생산성을 높일 수 있는 냉각수단이 구비되는, 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 금형 내부에 다수열로 구비되는 냉각수로를 직선뿐만 아니라 곡선 또는 수직가공 등 필요한 형태로의 모든 가공이 가능하고, 고상 확산 접합되는 분할 재료의 두께 조절로 냉각속도 조절이 가능하도록 설계가 용이한 냉각수단이 구비되는, 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 금속 재료를 소정의 두께로 절단하여 복수개의 분할 재료로 분할하여 재료를 준비하는 단계, 복수의 상기 분할 재료가 서로 포개어지는 면에 NC가공기에 미리 입력된 제품 설계 정보 및 냉각로 설계 정보에 의해 윤곽 라인 범위 내에서 전면 및 후면 각각에 냉각로를 가공하는 냉각로 가공 단계, 복수개의 상기 분할 재료를 순번에 따라 냉각로가 맞닿도록 위치시킨 뒤 고상 확산 접합하여 일체화된 일체 재료로 형성하는 고상 확산 접합 단계, 상기 일체 재료를 NC가공기를 통해 미리 입력된 상기 제품 설계 정보에 의해 상기 윤곽 라인을 따라 가공하여 금형제로 제조하는 금형제 가공 단계 및 상기 금형제를 일정 온도로 가열하는 열 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 여러 장의 분할 재료를 모재와 동등한 물성을 갖도록 하는 고상 확산 접합을 이용하여 금형을 제작하되, 금형 내부에 다수열의 냉각로를 성형면의 테두리를 따라 일정 깊이 및 간격으로 간편하면서도 정밀하게 만들 수 있어 금형의 사이즈 최소화 및 코스트 절감의 효과가 있으며, 내부에 구비되는 다수의 냉각로들 간 수밀성이 뛰어나 누수 우려가 전연 없고, 냉각 효율을 높일 수 있어 성형 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 각 분할 재료에 냉각로를 먼저 정밀 가공한 후 고상 확산 접합하고, 그 후 외주의 성형면을 가공하는 것이므로 냉각수로를 직선, 곡선, 수직가공 등 필요한 모든 가공이 가능하며, 다수의 분할 재료의 두께를 조절하면 부위별 냉각속도 조절이 가능한 금형 제작이 용이하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 분할 재료 준비 단계를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 냉각로 가공 단계를 나타낸 도면이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 고상 확산 접합 단계를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 금형제 가공 단계를 거친 금형제를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법에 의해 제조된 금형제 여러 개가 하나의 조를 이루어 센터필러 제조용 최종 금형으로 사용되는 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 순서를 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 제 1 인서트 및 제 2 인서트 단계를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 가 접합 단계를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 냉각로에 대한 설명을 한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 유압 제어부 형성 단계를 나타낸 순서도이다.
도 12 및 13은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 유압 제어부를 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 냉각로를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 냉각수단이 구비되는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형을 통해 제조된 제품의 일례로서 센터필러를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 본 발명을 명확하게 개시하기 위해서 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 동일하거나 유사한 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법은 분할 재료(20) 준비 단계(S100), 냉각로(100) 가공 단계(S200), 고상 확산 접합 단계(S300), 금형제(40) 가공 단계(S400), 열 처리 단계(S500)를 포함할 수 있다. 각 단계에 대한 설명은 도면을 참고하여 상세하게 설명하기로 한다.
<1-분할 재료 준비 단계(S100)>
도 1 및 도 2를 참고하면, 분할 재료(20) 준비 단계는 일정 크기의 사각 육면체로 된 금속 재료(10)를 일정 두께로 절단하여 복수개의 분할 재료(20)로 준비하는 단계이다. 분할 재료(20)의 두께는 미리 설계된 제품, 일례로 센터필러의 형상과 필요한 냉각로(100)의 형상/개수에 따라 달리할 수 있다.
<2-냉각로 가공 단계(S200)>
도 3을 참고하면, 냉각로(100) 가공 단계는 사각의 판으로 분할된 복수개의 분할 재료(20)의 전면 및 후면 각각에 냉각로(100)를 형성하는 단계이다. 상세하게, 냉각로(100)는 NC가공기에 미리 입력된 제품 설계 정보 및 냉각로(100) 설계 정보에 의해 윤곽 라인(L) 범위 내에서 전면 및 후면 각각에 냉각로(100)를 가공하는 단계이다. 제품 설계 정보는 윤곽 라인(L)에 대한 설계 정보이며, 냉각로(100) 설계 정보는 윤곽 라인(L) 내의 구간에 형성되는 냉각로(100)에 대한 설계 정보이다.
냉각로(100) 가공 단계에서 복수의 분할 재료(20) 중에 양쪽 끝단 가장자리에 위치되는 분할 재료(20)는 전면 냉각로(100a) 또는 후면 냉각로(100b) 중 하나만 가공되고, 가장자리 분할 재료(20) 외의 나머지 분할 재료(20)는 전면에 전면 냉각로(100a) 후면에는 후면 냉각로(100b)가 가공 형성된다.
냉각로(100) 가공 단계에서 하나의 분할 재료(20)를 기준으로 살펴보면, 일 분할 재료(20)의 전면 냉각로(100a)는 앞쪽에 접하는 분할 재료(20)의 후면 냉각로(100b)와 동일한 형상을 갖도록 대칭되도록 가공되고, 일 분할 재료(20)의 후면 냉각로(100b)는 뒤쪽에 접하는 분할 재료(20)의 전면 냉각로(100a)와 동일한 형상을 갖도록 대칭되도록 가공된다. 위와 같이 대칭되도록 냉각로(100)를 가공하면 후행 과정을 통해 일체 재료(30)로 합쳐졌을 때 냉각로(100)의 외곽선이 서로 일치해 수밀성이 높아져 냉각 효율이 높아진다.
또한, 냉각로(100) 가공 단계에서는 통공(150) 가공 단계를 더 포함할 수 있다. 통공(150)은 전면 냉각로(100a)와 후면 냉각로(100b)를 서로 연결하는 구성으로서, 미리 설계된 냉각로(100) 설계 정보에 의해 다양하게 위치/구현될 수 있다. 통공(150)과 더불어, 냉각로(100)로 냉각수가 외부로부터 공급될 수 있는 공급라인이나 배출되는 배출라인 등의 설계도 통공(150)과 같이 냉각 효율을 고려해 냉각로(100) 설계 정보에 의해 다양하게 구현될 수 있다.
<3-고상 확산 접합 단계(S300)>
도 4a, 도 4b, 도 4c를 참고하면, 고상 확산 접합 단계는 복수개의 분할 재료(20)를 순번에 따라 냉각로(100)가 서로 맞닿도록 위치시킨 뒤 고상 확산 접합하여 일체화된 일체 재료(30)로 형성하는 단계이다.
고상 확산 접합 단계는 복수개의 분할 재료(20)를 필요한 온도(1000~1100℃)로 일정 시간동안 소정 압력으로 가압하여 하나의 몸체를 이루도록 함으로써 일체화된 일체 재료(30)로 형성하는 단계이다.
고상 확산 접합이란 용융점 이하의 온도와 소성변형량의 최소화 압력으로 가압하여 원자의 이동과 확산이 되게 하는 방법이다. 상세하게, 동종 또는 이종재료를 탄성 변형 영역 내에서 열과 압력을 가하고 그 접합면에 발생하는 원자의 확산을 이용하여 고상(固相)의 상태로 접합하는 방법을 의미하며, 이는 진공 중 원자의 확산 현상을 이용하여 응고균열 및 기공 등의 결합이 없으며, 모재와 동등한 물성 확보가 가능하고, 성질이 상이한 재료와도 접합이 가능하다는 특징이 있다.
이에 의해 복수개의 분할 재료(20)를 고상 확산 접합하면 그 복수개의 분할 재료(20)는 소성변형에 의해 고상 상태의 한 몸체를 이루는 형태로 원자가 확산되어 한 몸체로 일체화된 직육면체의 일체 재료(30)를 이루게 된다.
즉, 고상 확산 접합된 직육면체의 일체 재료(30)는 맨 처음 재료 준비 단계에서 준비되는 직육면체의 재료와 같이 외면은 전혀 가공되지 않은 몸체의 형상을 이루고 있지만, 그 내부에는 다수의 냉각로(100) 및 통공(150)이 형성된 것이 특징이다.
<4-금형제 가공 단계(S400)>
도 5를 참고하면, 금형제(40) 가공 단계는 일체 재료(30)를 NC가공기를 통해 미리 입력된 제품, 일례로 센터필러 설계 정보에 의해 윤곽 라인(L)을 따라 가공함으로써 금형제(40)로 가공하는 단계이다. 이와 같은 과정을 거치면 입체감 있는 성형면이 굴곡진 형태로 가공되며, 성형면의 내부에는 윤곽 라인(L)을 따라 냉각로(100)들이 일정 간격을 두고 구비되는 금형제(40)를 얻을 수 있다.
<5-열 처리 단계(S500)>
열 처리 단계는 금형제(40)를 소정 온도(1000~1100℃)로 일정 시간을 가열하여 열 처리하는 과정으로서, 열 처리를 수행함으로써 금형제(40)는 보다 높은 강도를 가지게 된다. 추가적인 일례로, 열 처리 단계 이전에 보다 정밀한 가공을 위해 정 수치를 따라 금형제(40)의 추가 가공이 더 이루어지고, 그 다음 열 처리 단계를 통해 마감을 수행하도록 구현될 수 있다.
위와 같은 과정을 통해 제조된 금형제는 하나가 단독으로 사용되거나, 도 6과 같이 여러 개가 하나의 조를 이루어 사용되기도 한다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법은 상기 제 1 실시예에 따른 냉각수단이 구비되는 열간 성형금형의 제조방법에서 가 결합 단계 및 검사 단계가 더 추가될 수 있다.
상세하게, 제 2 실시예에 따른 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법은, 분할 재료(20) 준비 단계, 냉각로(100) 가공 단계, 고상 확산 접합 단계, 금형제(40) 가공 단계, 열 처리 단계를 포함하되, 냉각로(100) 가공 단계와 고상 확산 접합 단계 사이에 가 결합 단계 및 검사 단계를 더 포함할 수 있다.
<1 분할 재료 준비 단계(S100)>
제 1 실시예의 분할 재료(20) 준비 단계(S100)와 동일.
<2 냉각로 가공 단계(S200)>
제 1 실시예의 냉각로(100) 가공 단계(S200)와 동일.
<3 가 결합 단계(S250)>
도 8을 참고하면, 상기 제 1 실시예의 냉각로(100) 가공 단계 이후에 가 결합 단계가 추가되며, 가 결합 단계는 제 1 인서트 단계, 제 2 인서트 단계, 액상 확산 접합 단계 및 검사 단계를 더 포함한다. 여기서, 인서트재는 모재인 분할 재료(20)의 융점보다 낮은 융점을 갖는 금속재로서, 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하도록 할 수 있다.
<3-1 제 1 인서트 단계(S251)>
도 8을 참고하면, 제 1 인서트 단계는 냉각로(100) 가공 단계에서 형성된 냉각로(100)의 외곽선을 따라 인서트재(제 1 인서트재)를 개재시키는 단계이다. 제 1 인서트 단계에서 인서트재는 마치 패킹과 같이 냉각로(100)의 외곽선을 따라 이어지도록 형성된다.
<3-2 제 2 인서트 단계(S252)>
도 8을 참고하면, 제 2 인서트 단계는 윤곽 라인(L) 내에 윤곽 라인(L)을 따라 인서트재(제 2 인서트재)를 개재하는 단계이다. 제 2 인서트 단계에서 인서트재는 마치 패킹과 같이 윤곽 라인(L)을 따라 이어지도록 형성된다. 여기서, 상기 각 인서트재는 피 접합재인 분할 재료(20)의 융점보다 낮은 융점을 가진다.
<3-3 가 접합 단계(S253)>
도 9를 참고하면, 가 접합 단계는 각 분할 재료(20) 사이에 개재된 인서트재를 용융시킴으로써 각 분할 재료(20)를 가 결합시키는 단계로, 복수개의 분할 재료(20)를 순번에 따라 냉각로(100)가 맞닿도록 배열시킨 뒤 분할 재료(20) 및 인서트재를 포함하는 접합면의 면압을 유지하면서 인서트재가 용융되되 분할 재료(20)는 용융되지 않는 온도로 가열하여 가 접합하는 단계이다. 액상 확산 접합은 접합계면에 인서트재가 일시적으로 액상으로 형성되고 접합 온도에서 등온응고되기 때문에 분할 재료(20)인 모재와 거의 동일한 물리적, 화학적 및 기계적 성질을 갖는 접합 이음부를 얻을 수 있다. 액산 확산 접합 단계는 인서트재의 용융과정, 인서트재에 의한 분할 재료(20)의 용융 과정, 용융된 액상의 소멸 과정 및 성분원소의 균일화 과정으로 분류될 수 있다.
3-3 가 접합 단계는, 아래와 같이 배열 단계, 면압 유지 단계 및 액상 확산 접합 단계로 상세하게 구성될 수 있다.
<3-3-1 배열 단계(S2531)>
도 9를 참고하면, 배열 단계는 복수개의 분할 재료(20)를 순번에 따라 냉각로(100)가 맞닿도록 배열시키는 단계이다. 배열 단계에서는 각 분할 재료(20) 사이에 인서트재가 정 위치되도록 해야 한다.
<3-3-2 면압 유지 단계(S2532)>
도 9를 참고하면, 면압 유지 단계는 배열된 분할 재료(20)를 도전성 재질의 관 형상을 갖는 유도부(300) 내측에 위치시킨다. 그 다음, 유도부(300) 외주면 방향을 감싸도록 위치되고 도전성 재질로 구비되는 나선 형상의 코일부(310)를 위치시킨다. 그 다음, 코일부(310)에 전류(E)를 가해 유도 전류(M)를 발생시킨다. 발생된 유도 전류(M)로 인해 분할 재료(20) 및 인서트재 각각이 자성을 띄며, 자력을 갖는 각 구성이 서로 자력에 의해 인력이 작용함으로써 분할 재료(20) 및 인서트재 각각의 접합면에 소정의 면압을 가한다.
<3-3-3 액상 확산 접합 단계(S2533)>
도 9를 참고하면, 액상 확산 접합 단계는 면압이 유지된 분할 재료(20)를 소정의 용융 온도로 가열하여 분할 재료(20) 사이에 개재된 인서트재를 용융시키는 단계이다. 이때, 진공 상태에서 용융되도록 하는 것이 바람직하며, 액상 확산 접합은 접합계면에 인서트재가 일시적으로 액상으로 형성되고 접합 온도에서 등온응고되기 때문에 분할 재료(20)인 모재와 거의 동일한 물리적, 화학적 및 기계적 성질을 갖는 접합 이음부를 얻을 수 있다. 액산 확산 접합 단계는 인서트재의 용융과정, 인서트재에 의한 분할 재료(20)의 용융 과정, 용융된 액상의 소멸 과정 및 성분원소의 균일화 과정으로 분류될 수 있다.
<3-4 검사 단계(S254)>
검사 단계는 가 접합된 분할 재료(20)의 윤곽 라인(L) 및 냉각로(100)를 초음파 스캔하여 검사하는 단계로서, 액상 확산 접합이 불량하게 된 것을 가려내기 위한 단계이다. 액상 확산 접합 단계에서 윤곽 라인(L)과 냉각로(100)의 외곽선이 가 결합되었기 때문에 이를 검사함으로써 불량인 것을 가려내고, 일 부분이 불량 접합인 경우 이후 고상 확산 단계에서 가해지는 압력의 방향이나 크기 등을 조절하기 위한 근거 자료로 사용된다. 하지만, 이러한 검사 단계는 필요에 따라 생략될 수 있다. 액상 확산 접합 단계를 행하는 작업자의 숙련도가 높아 불량률이 별로 없다면 가 결합된 분할 재료(20)를 그대로 고상 확산 접합 단계로 행할 수도 있다.
<4 고상 확산 접합 단계(S300)>
제 1 실시예의 고상 확산 접합 단계와 동일하나, 검사 단계(S254)에서 검사된 자료를 기초로 가해지는 압력의 크기나 방향을 조절하여 압입하고, 가 결합단계에서 결합되지 않는 나머지 부위들을 고상 확산 접합하는 과정이다.
<5-금형제 가공 단계(S400)>
제 1 실시예의 금형제(40) 가공 단계와 동일.
<6-열 처리 단계(S500)>
제 1 실시예의 열 처리 단계와 동일.
도 10, 도 11, 도 12, 도 13을 참고하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법은 상기 제 1 실시예에 따른 성형금형 제조방법과 제 2 실시예에 따른 성형금형 제조방법에 추가될 수 있는 과정으로서, 냉각로(100) 가공 단계를 구체화한 과정이다.
도 10을 참고하면, 제 3 실시예에 따른 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법의 냉각로(100)는 윤곽 라인(L)의 내측 중심 방향에 형성되는 제 1 냉각구간(101), 윤곽 라인(L)을 따라 형성되는 제 2 냉각구간(102), 제 1 냉각구간과 제 2 냉각구간(102)을 연결하는 브릿지 구간(103) 및 제 2 냉각구간(102) 끝단에 형성되는 마감 구간(104)을 포함할 수 있다.
위와 같이 냉각로(100)는 냉각로(100)를 따라 흐르는 냉각수가 제 1 냉각구간(101), 브릿지 구간(103), 제 2 냉각구간(102) 및 마감 구간(104)을 순서대로 통과하도록 하는 것이 바람직하다.
<A-유압 제어부 형성 단계>
도 11을 참고하면, 유압 제어부(400) 형성 단계는 브릿지 구간(103) 또는 마감 구간(104) 단독이나, 브릿지 구간(103) 및 마감 구간(104) 각각에 유압 제어부(400)를 형성하는 과정으로서, 유압 제어부(400)는 냉각로(100)를 따라 흐르는 냉각수의 압력을 제어함으로써 냉각 효율을 보다 높이는 구성이다.
이때, 제 1 냉각구간(101) 및 제 2 냉각구간(102)에 대응되는 냉각로(100)는 단면이 반원 형상으로 가공됨으로써 마주보는 분할 재료(20)가 합쳐짐으로써 단면이 원형을 갖도록 하며, 브릿지 구간(103) 및 마감 구간(104)에 대응되는 냉각로(100)는 단면이 직사각형 형상을 갖도록 함으로써 분할 재료(20)가 합쳐짐으로써 단면이 사각형을 이루도록 하는 것일 수 있다. 이때, 원형 단면을 갖는 구간의 유량을 고려해 직사각 단면 크기를 설정함으로써 직사각 단면을 갖는 구간의 냉각수 유량과 원형 단면을 갖는 구간의 유량을 동일하도록 할 수 있다. 단면을 사각 형상으로 이루도록 하는 것은, 후술하는 제어편 설치 과정 이후 제어편이 분할 재료(20)에 접합되는 것을 방지하기 위함이다.
유압 제어부(400) 형성 단계는 제어편(410)을 준비하는 단계, 제어홈(420) 형성 단계, 제어편(410) 개재 단계를 포함할 수 있다.
<A1-제어편 준비 단계(S210)>
도 11 및 도 12를 참고하면, 제어편(410) 준비 단계는 금속재의 사각의 판 형상으로 구비되고 서로 다른 열 팽창률을 갖는 제 1 편(411)과 제 2 편(412)을 접하는 단계이다. 상세하게, 제어편(410) 준비 단계는 일 열 팽창률을 갖는 제 1 편(411)과 제 1 편(411)보다 낮은 열 팽창률을 갖는 제 2 편(412)을 접하는 단계이다. 보다 상세하게, 제어편(410)은 후술하는 제어홈(420)에 삽입 시 제어홈(420)에서 이탈하지 않도록 제어홈(420)의 끝단으로 갈수록 두꺼워지도록 형성할 수 있다. 또한, 제어편(410)은 판 형상으로 구비되는 것으로 설명하였으나, 제어홈(420)에 삽입되는 부분은 일자 형상의 판형을 갖되 제어홈(420)에서 외부로 돌출되는 부분은 제어홈(420)이 형성되는 벽면(110) 방향으로 휘어지도록 형성될 수 있다.
<A2-제어홈 형성 단계(S220)>
도 11 및 도 12를 참고하면, 제어홈(420) 형성 단계는 브릿지 구간(103)과 마감 구간(104)의 직사각 형상으로 가공된 냉각로(100)의 벽면(110)에 제어편(410)을 개재할 제어홈(420)을 형성하는 단계이다. 상세하게, 직사각 형상의 냉각로(100) 벽면(110) 방향으로 제어편(410)이 삽입될 수 있는 제어홈(420)을 형성하되 냉각로(100)의 벽면(110)과 예각을 이루는 방향으로 제어홈(420)을 형성하는 단계이다. 또한, 제어편(410)이 이탈하지 않도록 제어홈(420)의 경우도 제어편(410)과 동일한 맥락으로 제어홈(420)의 깊이 방향 끝단으로 갈수록 제어홈(420)의 폭이 넓어지도록 형성할 수 있다.
<A3-제어편 개재 단계(S230)>
도 11 및 도 12를 참고하면, 제어편(410) 개재 단계는 제어홈(420)에 제어편(410)의 일부를 삽입시키는 단계로, 제 1 편(411)이 벽면(110) 방향을 향하고 제 2 편(412)이 냉각로(100) 방향을 향하도록 위치시켜 개재시키는 단계이다. 또한, 제어편(410)을 삽입 개재 시, 제어편(410)이 후행되는 확산 접합 과정에서 제어편(410)이 분할 재료(20)와 접합되지 않도록 제어홈(420)에 삽입되는 제어편(410)의 둘레면에 카본시트를 형성해 삽입할 수 있다. 이러한 경우 카본시트가 확산 접합 과정에서 열을 차단/흡수하여 제어편(410)이 분할 재료(20)와 접합되지 않는다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 위와 같이 유압 제어부(400) 형성 단계를 거치면, 제어편(410)은 금형제(40)의 온도가 고온인 경우 제 1 편(411) 및 제 2 편(412)의 서로 다른 열 팽창률로 인해 제어편(410)이 냉각로(100) 방향으로 휘어진다. 이때, 휘어진 제어편(410)에 의해 냉각로(100)의 통로가 좁아지게 되면서 해당 구간을 지나가는 냉각수의 압력은 높아지며, 해당 구간을 통과한 다음에는 냉각수의 압력이 낮아진다. 이에 따라 압력이 낮아진 냉각수로 인해 상변화 또는 분자 밀도가 낮아진 제 2 냉각구간 등에서는 냉각효율이 더 높아질 수 있다. 한편, 유압 제어부(400)가 형성되는 구간의 냉각로(100)에서는 일반적인 냉각수가 사용될 수 있으나, 온도 변화에 상변화가 가능한 냉매가 사용될 수도 있다.
또한, 금형 작업 중 또는 금형 작업이 완료된 다음 제어편(410)은 낮아진 온도(상온)로 인해 다시 원 위치로 위치되어 냉각로(100)의 압력을 균일하게 복구한다.
이와 같이 제어편(410)을 형성하게 되면, 급격한 냉각이 필요한 시점에 제어편(410)의 가변을 통해 제 2 냉각구간(102)의 냉각 효율을 높이고, 냉각이 완료된 시점에는 제 2 냉각구간(102)의 압력을 다시 되돌림으로써 냉각로(100)에 가해지는 스트레스를 최소화할 수 있는 효율 높은 냉각 시스템을 사용할 수 있게 된다.
한편, 도 14 및 도 15를 참고하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법은 제 1 실시예 또는 제 2 실시예에 따른 냉각로 가공 단계(S200)에서 냉각로(100)에 대한 가공을 구체화한 것으로서, 윤곽 라인(L)의 내측 중심 방향에 형성되는 제 1 냉각구간(101), 윤곽 라인(L)을 따라 형성되는 제 2 냉각구간(102), 제 1 냉각구간과 제 2 냉각구간(102)을 연결하는 브릿지 구간(103) 및 제 2 냉각구간(102) 끝단에 형성되는 마감 구간(104)을 포함할 수 있다.
위와 같은 냉각로(100)에서는, 냉각로(100)를 따라 흐르는 냉각수가 제 1 냉각구간(101), 브릿지 구간(103), 제 2 냉각구간(102) 및 마감 구간(104)을 순서대로 통과하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 제 4 실시예에 따른 냉각로(100)는 각 냉각로 구간에 따라, 냉각로의 폭(직경)을 서로 달리 함으로써 해당 구간을 통과하는 냉각수의 이동 속도를 제어할 수 있고, 이러한 구성에 의해 집중적인 냉각이 필요한 구간에서는 냉각수 이동 속도를 상대적으로 늦추고, 상대적으로 집중적 냉각을 요하지 않는 구간에서는 냉각수 이동 속도를 상대적으로 높이는 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게 설명하면, 비교적 느린 냉각수 이동 및 높은 냉각 효율을 요하는 구간인 제 1 냉각구간(101) 및 제 2 냉각구간(102)의 경우 미리 지정된 제 1 직경(d1)(크기)로 가공하고, 비교적 빠른 냉각수 이동을 요하는 구간인 브릿지 구간(103) 은 제 1 직경(d1)보다 상대적으로 작은 크기의 제 2 직경(d2)으로 가공되도록 할 수 있다.
한편, 위와 같이 냉각로를 설계, 가공하는 경우, 상대적으로 집중적인 냉각이 필요한 구간인 제 1 냉각구간(101) 및 제 2 냉각구간(102)를 지나는 냉각수는 브릿지 구간(103) 대비 동일한 길이 구간 당 냉각수 유량이 상대적으로 많고, 해당 구간 통과 속도는 브릿지 구간(103) 대비 상대적으로 느리기 때문에, 충분한 열교환이 이루어질 수 있다.
한편, 브릿지 구간(103)에서는 좁은 냉각로 폭으로 인해, 냉각수(및/또는 냉매)가 상대적으로 빠른 유속을 가지도록 할 수 있으므로, 해당 구간을 빠르게 통과할 수 있게 되고, 이에 따라 불필요한 주변과의 열교환 작용이 최소화 되어 냉각수 온도의 불필요한 상승을 막을 수 있다.
나아가, 냉각수가 냉각로를 통과하는 시간 역시 전체적으로 단축되므로, 공정 시간 단축에 따른 단위 시간당 제품 생산량 증대 효과를 얻을 수 있어, 공정 경제성 향상을 기대할 수 있다.
한편, 위의 각 실시예에 따라 제조된 금형제(40)는 하나가 단독으로 사용될 수 있으나, 비교적 길이가 긴 길이를 갖는 센터필러와 같은 경우 도 6과 같이 여러 개가 한조를 이루어 사용될 수도 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 금속 재료 20: 분할 재료
30: 일체 재료 40: 금형제
100: 냉각로
100a: 전면 냉각로 100b: 후면 냉각로
101: 제 1 냉각구간 102: 제 2 냉각구간
103: 브릿지 구간 104: 마감 구간
110: 벽면 150: 통공
200: 제 1 인서트재 210: 제 2 인서트재
300: 유도부 310: 코일부
400: 유압 제어부 410: 제어편
411: 제 1 편 412: 제 2 편
420: 제어홈
L: 윤곽 라인 E: 전류
M: 유도 전류

Claims (1)

  1. 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법에 있어서,
    금속 재료(10)를 소정의 두께로 절단하여 복수개의 분할 재료(20)로 분할하여 재료를 준비하는 단계(S100);
    복수의 상기 분할 재료(20)가 서로 포개어지는 면에 NC가공기에 미리 입력된 제품 설계 정보 및 냉각로(100) 설계 정보에 의해 윤곽 라인(L) 범위 내에서 전면 및 후면 각각에 냉각로(100)를 가공하는 냉각로(100) 가공 단계(S200);
    복수개의 상기 분할 재료(20)를 순번에 따라 냉각로(100)가 맞닿도록 위치시킨 뒤 고상 확산 접합하여 일체화된 일체 재료(30)로 형성하는 고상 확산 접합 단계(S300);
    상기 일체 재료(30)를 NC가공기를 통해 미리 입력된 상기 제품 설계 정보에 의해 상기 윤곽 라인(L)을 따라 가공하여 금형제(40)로 제조하는 금형제(40) 가공 단계(S400); 및
    상기 금형제(40)를 일정 온도로 가열하는 열 처리 단계(S500); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고상확산접합을 이용한 열간 성형금형의 제조방법.
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