KR20230100373A - 개선된 냉각성능을 갖는 핫스탬핑 금형 - Google Patents

Abstract

냉각효율이 우수한 핫스탬핑 금형이 제안된다. 이 금형은 개구와 연결된 브랜치들을 갖는 제1 냉각채널과, 브랜치들 사이를 수평방향으로 지나는 제2 냉각채널을 구비한다. 제1 냉각채널은 제1 냉각수가 브랜치들을 따라 상승하여 개구로 배출되거나 개구 부근에서 주변 열을 흡수하여 기화될 수 있도록 구성된다. 스탬핑 주기에 제1 냉각채널에 공급된 제1 냉각수의 기화 잠열에 의해 성형면이 냉각되고, 대기 주기에 제2 냉각채널에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형이 냉각된다.

Description

개선된 냉각성능을 갖는 핫스탬핑 금형{Hot Stamping Die Having Improved Cooling Performance}

본 발명은 고강도 차체 부품들의 제조에 사용되는 핫스탬핑 금형에 관한 것이다.

전세계적인 환경규제 및 안전법규의 강화 추세에 따라 차량 산업 분야에서 경량화 및 고강도화 요구가 높다. 전통적인 내연기관 차량은 물론 전기차, 수소차 등 소위 친환경 차량에 있어서도 경량화는 필수이며, 경량화와 더불어 안전성 보장을 위해 부품들의 고강도화가 필요하다.

고강도 차량 부품의 제조를 위해 초고장력강이 사용되고 있으나, 초고장력 강판은 성형성이 열악하여 그 적용범위에 한계가 있다. 고강도와 고성형성의 동시 구현을 위해 핫스탬핑 기술이 개발되어 그 적용이 널리 확대되고 있다.

핫스탬핑은 강판을 오스테나이트화 온도(A_C3) 이상, 예로서 900℃ 이상의 고온으로 가열한 후 프레스 금형 내에서 성형과 동시에 급냉시켜 1400Mpa급 이상의 고강도 부품을 얻고자 하는 기술이다. 핫스탬핑 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소와 열처리 성능 향상 위해 망간(Mn), 보론(B)이 소량 함유된 이른바 보론강이 사용된다.

핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도가 우수하다. 또한 핫스탬핑은 초고장력 강판의 냉간 성형 시 특히 문제되는 스프링백이나 지연파괴를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

핫스탬핑에 의한 차체 부품의 제조에 있어 중요한 관심대상은 생산성과 품질이다. 스탬핑 주기(싸이클)마다 800℃ 이상 고온의 스틸 블랭크가 금형에 로딩되고, 이 블랭크를 성형과 동시에 급냉시켜야 하므로 금형의 냉각성능은 핫스탬핑의 생산성과 품질을 결정하는 매우 중요한 인자이다. 한편, 미국특허 제9,631,248호에 생산성 향상을 위한 하이브리드 가열로가 제안되었다.

도 1에 종래 핫스탬핑용 금형(1), 구체적으로는 하형이 도시되어 있다.

도 1를 참조하면, 종래 핫스탬핑 금형(1)은 블랭크(4)의 냉각을 위한 내부의 냉각채널(3)을 갖는다. 냉각채널(3)은 건 드릴링(gun drilling)을 이용하여 금형(1)의 길이향으로 수평하게 형성된다. 블랭크(4)를 신속히 냉각시키기 위해서는 성형면(2)으로부터 냉각채널(3)까지의 거리(d)는 짧을수록 좋다. 그러나, 성형면(2)이 제품 형상에 따라 3차원의 복잡한 형상을 가지므로, 이 거리(d)를 성형면(504)에 전체에 걸쳐 균일하게 최소화하는 것이 용이하지 않다.

도 2는 종래 핫스탬핑 금형으로부터 취출되는 블랭크 온도가 스탬핑 싸이클에 따라 변동되는 것을 보여준다.

도 2는 두께 3.4mm 블랭크를 기준으로 얻어진 것으로, 최초 스탬핑 후 취출된 블랭크의 온도가 150℃ 정도인 것에 비해 싸이클 수가 증가함에 따라 200℃ 이상으로 증가한다. 취출 블랭크(성형된 제품)의 온도 상승을 억제하기 위해서는 금형 내에서의 블랭크 홀딩 시간, 그리고 블랭크 취출 후 대기시간 동안의 금형 냉각 시간을 더 증가시켜야 하는데, 이는 공정 지연을 야기한다. 생산성 향상 및 균일하게 우수 품질을 유지하기 위해서는 핫스탬핑 금형의 냉각성능 향상이 요구된다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 개선된 냉각 성능을 갖는 핫스탬핑 금형을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑 금형은 다수의 개구를 갖는 성형면; 하부로부터 성형면을 향해 단계적으로 분기되어 상방향 연장되며, 개구와 연결된 브랜치들을 가지며, 제1 냉각수가 브랜치들을 따라 상승하여 개구 부근에서 주변 열을 흡수하여 기화될 수 있도록 구성된 제1 냉각채널; 및 브랜치들 사이를 수평방향으로 지나는 제2 냉각채널을 포함한다. 제2 냉각채널에 제2 냉각수가 공급된다.

본 발명에 의하면 상기 제1 냉각채널에 제1 냉각수 공급라인이 연결되며, 제2 냉각수가 공급되는 인렛과 배출되는 아웃렛을 구비하며, 인렛과 아웃렛에 제2 냉각수 순환라인이 연결된다.

본 발명에 의하면 스탬핑 주기에 제1 냉각채널에 공급된 제1 냉각수의 기화 잠열과 제2 냉각채널에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형이 냉각된다. 대기 주기에 제2 냉각채널에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형이 냉각된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 스탬핑 주기에 현열보다 큰 잠열에 의해 금형의 성형면이 냉각되므로 블랭크의 급냉이 가능하다.

본 발명에 의하면 제1 냉각채널과 제2 냉각채널을 이용하여 개선된 냉각 성능을 갖는 핫스탬핑 금형의 제공이 가능하다.

도 1은 종래 핫스탬핑 금형을 개략적으로 보인 단면도이다.
도 2는 종래 핫스탬핑 금형의 스탬핑 싸이클에 따른 취출 블랭크의 온도 변화를 보인 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 금형을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 제2 냉각채널을 보여준다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 금형을 보여준다.
도 6은 도 5에 도시된 금형의 일부 확대도이며, 도 7은 부분적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 금형의 작동 제어를 설명하기 위한 블럭도이다.

이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.

본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.

도 3 및 도 4는 실시예에 따른 핫스탬핑 금형(10)이 개략적으로 도시되어 있다. 이들 도면에 하부 금형이 예시되어 있으나, 당연히 상부 금형에도 동일 유사하게 적용될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 핫스탬핑 금형(10)은 성형면(11), 하부로부터 성형면(11)을 향해 상방향 연장된 제1 냉각채널(20) 및 성형면(11)을 따라 수평방향으로 연장되는 제2 냉각채널(30)을 포함한다. 제1 냉각채널(20)에 제1 냉각수가 공급되고, 제2 냉각채널(30)에 제2 냉각수가 공급된다.

성형면(11)은 핫스탬핑에 의해 얻고자 하는 제품의 형상과 매칭되는 형상으로 형성된다. 성형면(11)에는 다수의 개구(12)가 마련된다. 성형면(11)은 제품이 밀차 가압되는 면이다. 스탬핑 시 개구(12)로 인해 제품에 자국 남거나 개구(12)에서 쉽게 손상이 발생하지 않을 수 있게 개구(12)는 미세하고 깔끔하게 형성된다.

제1 냉각채널(20)은 제1 냉각수가 공급되는 트렁크(21)와 이 트렁크(21)로부터 분기된 제1 내지 제5 브랜치(22,23,24,25,29)를 구비한다. 이들 브랜치(22,23,24,25,26)는 트렁크(21)에서부터 단계적으로 2개씩 분기되어 성형면(11)을 향해 연장된다. 제5 브랜치(29), 즉 최상부 브랜치는 성형면(11)의 개구(12)에 연결된다. 최상부 브랜치(29)와 개구(12)는 서로 1:1 매칭되어, 최상부 브랜치(29)와 개구(12)의 개수가 같다. 28a 내지 28e는 분기점을 지시한다.

제1 냉각채널(20)은 제1 냉각수가 브랜치들(22,23,24,25,29)을 상승하면서 개구(12) 부근에서 주변 열을 흡수하여 기화될 수 있도록 구성된다. 브랜치들(22,23,24,25,29)은 상부에 위치할수록 채널 직경이 작아지게 형성된다. 바람직하게는 브랜치들(22,23,24,25,29), 특히 최상부 브랜치(29)는 모세관 현상에 의해 제1 냉각수가 상승할 수 있는 작은 직경으로 형성된다.

하나의 예로서 제1 냉각수는 공급압력에 의해 제4 브랜치(25)까지 수위가 상승하도록 공급되며, 최상부 브랜치(29)에서는 모세관 압력에 의한 상승이 유도된다. 스탬핑 주기에 성형면(11) 주변의 열에 의해 최상부 브랜치(29)를 따라 상승하는 제1 냉각수가 기화된다. 기화 잠열로 인해 성형면(11) 부근의 금형(10) 온도가 낮아지고, 고온의 블랭크가 냉각된다. 최상부 브랜치(29)는 기화 잠열에 의한 성형면(11) 주변에서의 금형(10) 냉각이 충분히 이루어질 수 있도록 다른 브랜치들(22,23,24,25) 보다 길게 연장된다. 기화된 제1 냉각수는 상승하여 개구(12)를 통해 배출된다.

다른 예로서 브랜치들(22,23,24,25,29)을 따라 이동하거나 또는 브랜치들(22,23,24,25,29) 내의 제1 냉각수는 압력공기를 이용하여 개구(12)를 통해 배출된다. 스탬핑 후, 대기 주기에 브랜치들(22,23,24,25,29)에 남아 있는 제1 냉각수를 개구(12)를 통해 배출시킴으로써 성형면(11)을 직접 또는 기화 잠열에 의해 냉각시킬 수 있다.

제2 냉각채널(30)은 브랜치들(22,23,24,25,29) 사이를 수평방향으로 지나도록 형성된다. 제2 냉각채널(30)은 바람직하게는 성형면(11) 부근에 형성된다. 스탬핑 주기에 성형면(11)으로부터 금형(10)에 고온의 블랭크 열이 전달되어 성형면(11) 주변의 금형(10) 온도가 가장 높고, 블랭크의 냉각은 성형면(11)을 냉각시킴에 의해 신속히 이루어질 수 있기 때문이다. 도 3에서 제2 냉각채널(30)은 최상부 브랜치들(29)의 사이를 지나지 않는다. 미세 직경의 최상부 브랜치들(29)이 촘촘히 형성되기 때문이나, 가능한 경우 최상부 브랜치들(29)의 사이에도 제2 냉각채널(30)이 형성될 수 있다.

실시예에 의하면 제1 냉각채널(20)은 스탬핑 주기에 금형(10)을 냉각시키기 위해 사용된다. 물의 현열보다 잠열의 크기 때문에, 잠열을 이용하여 금형(10)의 성형면(11) 부근을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

도 3을 참조하면, 금형(10)은 베이스(15) 상에 장착되며, 베이스(15)를 통해 제1 냉각채널(20)에 제1 냉각수 공급라인(16)이 연결된다. 제1 냉각수 공급라인(16)은 냉각수 탱크에 연결되며, 베이스(15)에는 제1 냉각채널(20)의 트렁크(21)에 연결되는 복수의 유로가 마련될 수 있다. 베이스(15)에 연결된 제1 냉각수 공급라인(16)은 복수개이거나 또는 하나일 수 있다.

금형(10)은 복수 개의 블럭으로 구성될 수 있고, 이들 블럭은 베이스(15) 상에 볼팅 고정되어 하나의 금형(10)을 구성한다. 금형(10)이나 금형 블럭은 3D 프린팅 기술을 이용하여 제조될 수 있다.

위와 같은 금형(10)이 상부 금형에 적용된 경우, 상부 금형에 공급된 냉각수가 자중에 의해 흘러 내리는 것이 우려될 수 있다. 하지만 최상부 브랜치가 냉각수의 모세관력과 표면장력 간의 밸런스를 유지할 수 있도록 형성되고 냉각수의 공급압력이 제어된다면, 상부 금형의 개구로부터 냉각수가 흘러 내지 않을 수 있다.

도 5 내지 도 7은 또 하나의 실시예에 따른 핫스탬핑 금형을 보여준다. 도 5에 도시된 금형은 금형 전체가 아니라, 하나의 블럭 또는 하나의 단위 부분을 부분적으로 예시해 보인 것이다.

도 5를 참조하면, 금형(10)은 하부로부터 성형면(11)을 향해 단계적으로 분기되어 상방향 연장된 제1 냉각채널(20)을 갖는다. 제1 냉각채널(20)은 하부의 트렁크(21), 트렁크(21)로부터 복수개로 분기된 제1 브랜치(22) 및 제1 브랜치(22)로부터 다시 복수개로 분기된 제2 브랜치(29), 즉 최상부 브랜치를 구비한다. 성형면(11)에 개구(12)가 마련되고, 최상부 브랜치(29)가 개구(12)에 연결된다. 제1 냉각채널(20)에 제1 냉각수가 공급된다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 금형(10)은 브랜치들(22,29) 사이, 특히 최상부 브랜치들(29) 사이를 수평방향으로 지나는 제2 냉각채널(300)을 갖는다. 제2 냉각채널(300)은 가능한 한 성형면(11)에 최근접하게 형성되며, 제2 냉각채널에 제2 냉각수가 공급된다.

도 8은 실시예에 따른 핫스탬핑 금형의 작동 제어를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 금형(10)의 제1 냉각채널(20)에 제1 냉각수 공급라인(16)이 연결되고, 제2 냉각채널(30)에 제2 냉각수 순환라인(17)이 연결된다. 제1 냉각수 공급라인(16)과 제2 냉각수 순환라인(17)은 동일 냉각수 탱크에 연결되거나, 또는 각각의 냉각수 탱크에 별도 연결될 수 있다. 다만 제1 냉각수 및 제2 냉각수를 각각 별도로 공급할 수 있도록, 제1 냉각수 공급라인(16)과 제2 냉각수 순환라인(17)에 각각 별도로 펌프가 배치된다.

금형(10)에는 제2 냉각수의 공급을 위한 인렛과 배출되는 아웃렛을 구비한다. 금형(10)에서 배출된 제2 냉각수는 하나의 예로서 냉각탑을 거쳐 다시 인렛으로 순환 공급된다.

일 실시예에 의하면, 스탬핑 주기에는 제1 냉각채널(20)에 공급된 제1 냉각수의 기화 잠열과, 제2 냉각채널(30)에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형(10), 특히 성형면(11)이 냉각된다. 대기 주기에는 주로는 제2 냉각채널(30)에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형(10), 특히 성형면(11)이 냉각된다.

스탬핑 주기에 제1 냉각채널(20)에 공급된 제1 냉각수는 일부는 기화되어 사라지고 일부는 제1 냉각채널(20) 내에 잔류한다. 일 실시예 의하면, 제1 냉각채널(20) 내에 잔류하는 제1 냉각수는 상형과 하형이 합형되어 블랭크가 성형되는 동안 개구(12)를 통해 뿜어진다. 다른 실시예에 의하면, 제1 냉각채널(20) 내에 잔류하는 제1 냉각수는 대기 주기에 개구(12)를 통해 뿜어진다.

스탬핑 주기 및 스탬핑된 제품이 취출된 직후의 금형(10) 온도는 100℃를 훌쩍 넘는다. 고온의 금형(10)으로 인해, 개구(12)를 통해 뿜어지는 제1 냉각수는 최상부 브랜치(29)를 지나면서 급속히 기화되어 금형(10)을 냉각시키고, 일부는 개구(12)를 통해 배출되어 블랭크와 금형(10)을 직접 및 잠열에 의해 냉각시킨다. 블랭크 및 금형(10)의 온도가 높기에 제1 냉각수가 개구(12)를 통해 배출되더라도 품질에 큰 영향을 미치지 않는다. 개구(12)를 통한 제1 냉각수의 배출에는 압력 공기(압력 공기 공급라인 미도시)가 이용된다.

스탬핑 주기의 제1 냉각수 공급량 및 잔류 제1 냉각수의 배출량은 최적 제어된다. 제1 냉각채널(20) 내 잔류하는 제1 냉각수를 개구(12)를 통해 배출함을 통해, 스탱핑 주기의 제1 냉각수 공급량 혹은 그 수위가 일정하게 관리할 수 있다. 제1 냉각채널(20)로 압력 공기가 공급되는 위치가 최적 선택된다.

일 실시예에 의하면, 스탬핑 주기에 제1 냉각수에 의해 금형(10)이 냉각되며, 대기 주기에 제2 순환라인(17)을 통해 제2 냉각채널(30)에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형(10)이 냉각된다. 대기 주기에 제2 냉각채널(30)에 제2 냉각수를 공급하여 성형면(11) 주변의 열을 제거하며, 제1 냉각채널(20) 내 잔류하는 제1 냉각수는 개구(12)를 통해 배출되는 과정에 금형(10)을 냉각시킨다.

이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 소개된 특징들 또는 요소들은 다양한 형태로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.

보호하고자 하는 발명의 범위가 청구항들에 기재된다. 청구항에 기재된 요소는, 발명의 본질 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.

10: 금형 11: 성형면
12: 개구 15: 베이스
16: 제1 냉각수 공급라인 17: 제2 냉각수 순환라인
20: 제1 냉각채널 21: 트렁크
22,23,24,25,29: 브랜치
30: 제2 냉각채널

Claims (2)

1. 다수의 개구를 갖는 성형면;
   하부로부터 성형면을 향해 단계적으로 분기되어 상방향 연장되며, 개구와 연결된 브랜치들을 가지며, 제1 냉각수가 브랜치들을 따라 개구 부근에서 주변 열을 흡수하여 기화될 수 있도록 구성된 제1 냉각채널; 및
   브랜치들 사이를 수평방향으로 지나는 제2 냉각채널을 포함하며, 제2 냉각채널에 제2 냉각수가 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각성능을 갖는 핫스탬핑 금형.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 냉각채널에 제1 냉각수 공급라인이 연결되며, 제2 냉각수가 공급되는 인렛과 배출되는 아웃렛을 구비하며, 인렛과 아웃렛에 제2 냉각수 순환라인이 연결되고,
   스탬핑 주기에 제1 냉각채널에 공급된 제1 냉각수의 기화 잠열과 제2 냉각채널에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형이 냉각되며, 대기 주기에 제2 냉각채널에 공급된 제2 냉각수에 의해 금형이 냉각되도록 구성된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각성능을 갖는 핫스탬핑 금형.

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