WO2022019506A1 - 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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WO2022019506A1
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김홍기
손현성
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    • B21D5/01—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves between rams and anvils or abutments

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a hot press-formed member for a multi-stage process having improved at least one characteristic among productivity and formability.
  • the application of high-strength steel using the hot press forming method is actively progressing in response to the demand for vehicle weight reduction and safety improvement.
  • a blank of a shape designed to form a part is prepared, heated to a high temperature, and then put into a mold mounted on the press. Thereafter, the press slide is lowered to the bottom dead center to form a blank, and the molded part is rapidly cooled in the mold by maintaining it at the bottom dead center for a certain period of time. After cooling sufficiently, parts are manufactured from the process of lifting the slide and taking out the product.
  • the parts manufactured in this way are additionally processed by cutting some unnecessary edge parts or inner hole parts from the final part shape, and thus undergoes a process of being manufactured into the final part shape.
  • the process of cutting the product after molding is performed by laser trimming or mechanical trimming using a trimming mold/press because the molded product has high strength.
  • the general hot press molding mentioned above has a limitation in that the final part must be manufactured by one molding, so there is a disadvantage in that it is not possible to produce a part shape that is difficult to manufacture by one molding.
  • a method of utilizing indirect hot press molding in which the preformed part is heated at room temperature to form an intermediate stage shape, and then manufactured into a final part shape through hot press molding, is also partially applied.
  • Such indirect hot press molding has disadvantages in that it requires an additional process of forming an intermediate shape and a special heating furnace capable of heating the molded part is added, and various production costs are added.
  • cold press forming it is a common approach to form the final part through a multi-stage forming process.
  • a cold press molding method a method of dividing and molding into several processes using several presses and molds, or a method of molding by putting molds of several stages in one press is used.
  • a method of molding by putting multiple stages of a mold in one press transfer type molding in which separate blanks are put into the mold and molded in multiple stages, or a strip-shaped material that is continuously connected
  • a progressive (progressive) type of molding which is supplied and molded in several stages, is generally used.
  • hot press forming has a special restriction that high strength must be secured through rapid cooling of a high temperature material, so it is not easy to apply the aforementioned forming method through several stages.
  • Patent Document 1 Publication No. 2006-0054479
  • One aspect of the present invention is
  • It provides a method for manufacturing a hot press-formed member for a multi-stage process, comprising a.
  • Another aspect of the present invention is
  • a supply unit for continuously supplying the strip material
  • a heating unit for heating the supplied strip material
  • a processing unit including a processing device in which one or more of a notching mold and a blanking mold, a molding mold, and a plurality of molds including a trimming mold are mounted on one press;
  • a transfer unit for transferring the strip material heated by the heating unit to the processing unit
  • It provides an apparatus for manufacturing a hot press-formed member for a multi-stage process, comprising a.
  • Another aspect of the present invention is
  • a hot press-formed member having an undercut shape and having a tensile strength of 1300 MPa or more is provided.
  • FIG. 1 shows an exemplary hot press forming apparatus for a multi-stage process of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship of strokes according to crank angles of the operation method of an exemplary mechanical press of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature change of the material over time when a conventional progressive method is applied in an exemplary notching step of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the temperature change of the material over time when the notched upper die and the notched lower die are brought into contact with the strip material only in the cutting process in the exemplary notching step of the present invention.
  • 6 to 8 are schematic diagrams of the temperature change of the material over time for Examples 14 to 16, respectively.
  • FIG. 10 shows the change in the thickness reduction rate when the exemplary molding process of the present invention is divided into a two-step process.
  • FIG. 11 shows an exemplary hot press forming method for a multi-stage process of the present invention.
  • FIG. 13 shows an exemplary notching or blanking method of the present invention.
  • FIG. 14 shows a notching or blanking method using an exemplary push bar of the present invention.
  • 15-17 show a method of increasing the contact time of an exemplary mold of the present invention.
  • Fig. 18 shows the structure of an exemplary hot press-formed member of the present invention, wherein Fig. 18 (a) shows a perspective view of the molded member, and Fig. 18 (b) shows a side view of the molded member.
  • a press running at 15 SPM (15 strokes per minute) means that you need a furnace that can supply heated blanks every 4 seconds.
  • the cycle time of conventional hot press forming can be considered to be performed fairly quickly at the level of 16 seconds, which requires a furnace performance capable of supplying a heated blank every 16 seconds.
  • the cycle time is 4 seconds, it is necessary to supply the heated blank at a rate four times faster than that in the case where the above-described cycle time is 16 seconds. Since the material has to stay in the furnace for the required time to be heated to the desired temperature, it means that four times as many blanks must be able to fit into the furnace to heat four times faster. Therefore, it can be estimated that the length of the heating furnace should be arithmetically longer by 4 times. For example, a typical furnace is at the level of 30 m, but as described above, in order to heat four times faster, the length of the furnace should be at the level of 120 m, or four 30 m long furnaces must be installed in parallel.
  • the hot press forming method for a multi-stage process requires a process design in consideration of the influence of various process factors, such as a press speed and number of processes, on cooling. Accordingly, the present inventors designed an optimal multi-stage process in consideration of various process factors.
  • One aspect of the present invention is
  • It provides a method for manufacturing a hot press-formed member for a multi-stage process, comprising a.
  • various methods such as induction heating, resistance heating, and infrared heating may be used as a method of rapid heating.
  • a strip material having a uniform width using the above-described rapid heating method, a much more uniform temperature distribution can be secured compared to the conventional method of heating a blank material having a shape, and through this, heating with a fast cycle time strip material can be supplied stably.
  • the cycle time is 4 seconds (in this case, the pitch amount designed in the multi-stage process to be described later was based on 500 mm)
  • the pitch amount designed in the multi-stage process to be described later was based on 500 mm
  • the length of the strip material is calculated to be at the level of 2 m. Therefore, it is expected that the heating space can be remarkably reduced compared to the parallel arrangement method of four heating furnaces having a length of 120 m or 30 m in a heating furnace length of 120 m or 30 m in a conventional method for heating a blank mentioned above.
  • the ratio (L/S) of the effective length (L) of the total heating device to the cycle time (S) may be in the range of 0.25 to 4, but is not particularly limited thereto.
  • the effective length (L) of the above-described total heating device refers to the length of the part directly used for heating the material, and the unit is m.
  • a heating furnace it may mean the inner length of the heating furnace, and in the case of high-frequency heating, it may mean the length of a high-frequency coil used for heating. That is, it means the effective length of all heating devices even when including one or more of a series method and a parallel method.
  • the aforementioned cycle time means a time during which one cycle is performed in a multi-step process, and the unit is sec (seconds).
  • the strip material, the steel plate; and a plating layer provided on the base steel sheet may be used. That is, when the rapid heating method is applied to the strip material, an aluminum plated steel sheet or an aluminum alloy plated steel sheet can be applied to achieve sufficient alloying of the plated layer and to prevent melting and volatilization of the plated layer.
  • the base steel sheet is, by weight, C: 0.1 to 0.5%, Si: 0.1 to 2%, Mn: 0.5 to 3%, Cr: 0.01 to 0.5%, Al: 0.001 to 1.0% , P: 0.05% or less, S: 0.02% or less, N: 0.02% or less, B: 0.002 to 0.005%, the balance may have a composition including Fe and other unavoidable impurities, but the base steel sheet is not limited to this composition.
  • the plating layer may be used by alloying the plating material produced by hot-dip plating to have a composition including Si: 5-11%, Fe: 4.5% or less, remaining Al, and other unavoidable impurities by weight%, but the plating layer is It is not limited to this composition. That is, as a non-limiting example of the present invention, an aluminum plated steel sheet or an aluminum alloy plated steel sheet satisfying the above-described composition may be used.
  • an aluminum alloy plated steel sheet may be used.
  • the surface portion of the plating layer means a region within 2 ⁇ m from the surface of the plating layer.
  • the strip material by using a material in which the Fe content in the surface portion of the plating layer satisfies the above-mentioned range, high-temperature heating can be performed in a state in which sufficient alloying time is secured when rapid heating is applied.
  • the step of continuously supplying the prepared strip material to the heating unit may be further included.
  • the material provided in the form of a coil may be continuously supplied to the heating unit in the form of a strip material having a constant width by an uncoiler.
  • the strip material having a constant width means that the width of the strip material measured in a direction perpendicular to the transfer direction of the material is constant with respect to the surface of the strip material.
  • the 'continuous supply' may mean that the strip material is supplied to the heating unit at a constant speed, except for a moment when it is temporarily stopped in consideration of a subsequent process.
  • a processing device equipped with a plurality of molds including at least one of a notching mold and a blanking mold, a molding mold, and a trimming mold in one press, transferring the heated strip material , including the step of transferring the strip material.
  • the heated strip material may be continuously transferred to the processing apparatus.
  • the continuous transfer means the same as the description of 'continuous supply', except that the heated strip material is transferred to a processing device.
  • the transferring step of the strip material may be performed in the warming chamber. That is, by transferring the strip material in the above-described heat preservation chamber, it is possible to prevent heat loss and secure easy workability in the processing device.
  • the thermal insulation chamber may be maintained within a temperature range of Ts-200°C or higher and Ts+50°C or lower.
  • Ts surface temperature
  • the thermal insulation chamber may be maintained within a temperature range of Ts-200°C or higher and Ts+50°C or lower.
  • the temperature of the warming chamber may be preferably 900°C or higher and Ts+50°C or lower, and more preferably It may range from 900 to 1010 °C.
  • the surface temperature (Ts) of the strip material supplied to the thermal insulation chamber can be applied to the heating temperature range of the material generally used in the art, the range is not particularly limited in the present specification. .
  • the surface temperature (Ts) of the strip material may be in the range of 850 to 960°C.
  • At least one of the notching mold and the blanking mold, and the molding mold may be mounted at intervals in the transport direction of the strip material by the designed pitch amount from each other.
  • the notching mold or blanking mold
  • the notching mold or blanking mold
  • the notching mold or blanking mold
  • the notching mold or The molding die may be mounted at intervals as much as the designed pitch amount from the blanking die).
  • the notching mold, the blanking mold and the forming mold may be sequentially mounted in the transport direction of the strip material in one press, and at this time, 2 adjacent to each other in the transport direction Between the molds, an interval as much as the designed pitch amount can be left.
  • the forming mold and the trimming mold may be mounted at a distance from each other by a designed pitch amount in the transport direction of the strip material. That is, in the one press, the notching mold (and/or blanking mold) and the molding mold are sequentially mounted in the same manner as described above in the conveying direction of the strip material, and the interval from the molding mold is set by the designed pitch amount. and trimming molds can be mounted.
  • the piercing mold (and/or flanging) between the forming mold and the trimming mold in the feed direction of the material. mold) can be installed.
  • a notching mold and/or a blanking mold
  • a forming mold a piercing mold, and a trimming mold may be sequentially mounted in the feeding direction of the material.
  • piercing step and flanging step in addition to the above-described piercing step and flanging step, it may further include an additional processing step commonly applicable in the art according to the purpose of the invention. Accordingly, additional machining molds can be fitted to the single press for the purpose corresponding to the further machining steps described above.
  • each mold in one press, between two molds adjacent to each other in the transport direction of the strip material, each mold may be disposed with an interval as much as a designed pitch amount.
  • the piercing step is further included, in one press, the piercing mold is mounted at an interval from the molding mold by the designed pitch amount, and the trimming mold is mounted at an interval by the designed pitch amount from the piercing mold.
  • a plurality of molds provided for the step performed by dividing the multi-step process by the amount of pitch designed with each other in the feeding direction of the strip material in one press Each mold can be mounted at intervals.
  • the first mold of the step performed in the multi-stage process may be mounted with an interval between the mold of the previous step and the pitch amount designed in the transport direction of the strip material.
  • the last mold of the step carried out in the multi-step process may be mounted at intervals by the amount of pitch designed in the transfer direction of the mold and the strip material in the immediately following step.
  • the primary molding mold and the secondary molding mold may be mounted at intervals by the amount of pitch designed in the transport direction of the strip material. have.
  • the primary molding mold may be mounted in one press with an interval between the notching mold (when the notching step is included) and the designed pitch amount in the transport direction of the strip material, which is the immediately preceding step.
  • the secondary molding mold which is the last mold of the molding step performed in a multi-step process, is separated from the piercing mold (if the piercing step is included) used in the immediately following step by the amount of pitch designed in the transport direction of the strip material. It can be mounted on a press.
  • the amount of each pitch designed between two molds adjacent to each other in the transport direction of the strip material may be all the same.
  • the transfer direction (X) of the strip material is shown in FIG. 1, and the designed pitch amount (50) between two molds adjacent to each other in the transfer direction (X) is shown.
  • the designed pitch amount may mean the distance between the molds measured with respect to the two adjacent molds based on the center of each mold (a point that is 1/2 of the length of one mold along the feeding direction of the material). .
  • a plurality of molds mounted on one press can all move in conjunction with the press movement by one press. That is, the combination of the upper and lower molds for each mold mounted on one press may be made in conjunction with the press movement by the aforementioned single press. That is, when the press slide descends and stays at the press bottom dead center, the molds mounted on the press can be combined.
  • the material by the designed pitch amount can be transferred in the transfer direction of
  • the material processed into a desired shape obtained through the notching step may be a notched material connected to the strip by a web part.
  • the material processed into a desired shape obtained through the blanking step may be a blank material separated from the strip.
  • a heated mold may be used in at least one of the notching step and the blanking step, and although not particularly limited, the initial temperature of at least one of the notching mold and the blanking mold is 50° C. or higher.
  • the upper limit for the initial temperature of the mold may not be separately limited. However, preferably, the upper limit of the initial temperature of the mold may be less than or equal to the heating temperature of the strip material. That is, a heated notching mold may be used in the notching step, and/or a heated blanking mold may be used in the blanking step.
  • the notching step and the blanking step it is essential that the upper and lower molds of the mold are in contact with each other for processing the material. Therefore, by using a heated mold in the notching step and blanking step, it is possible to prevent the strip material heated to a high temperature from coming into contact with the cold mold to suppress rapid cooling of the material and secure easy formability in the subsequent process. have.
  • the surface temperature of the material immediately after at least one of the notching step and the blanking step may be controlled to 700° C. or higher, and more preferably to 712° C. or higher.
  • the upper limit of the surface temperature is not specifically limited, but may preferably be less than or equal to the heating temperature of the strip material.
  • the surface temperature of the material is a value measured based on the time when the contact between the mold and the material is finished immediately after at least one of the notching step and the blanking step.
  • the surface temperature of the material satisfies the above-mentioned range, excellent formability in the subsequent process and prevention of additional temperature increase can be simultaneously achieved.
  • the strip material 200 transferred to the processing device 41 is maintained at the transfer height level 110a of the normal material, and then the notched upper mold 61a ) and contact occurs, and descends according to the movement of the upper die 61a in a state in contact with the notched upper die 61a.
  • the strip material 200 descends in a state in contact with the notched upper mold 61a
  • a part of the strip material 200 is cut while also in contact with the notched lower mold 61b in the vicinity of the bottom dead center of the slide (110b). Then, the notched material again rises in contact with the notched upper die 61a to the level of the original feed height.
  • FIG. 4 is an exemplary experimental result reflecting such matters, it can be seen that the temperature of the material rapidly drops in the section where the contact of the notched upper die starts. Accordingly, the present inventors have further discovered that if the strip material comes into contact with the mold only when it is cut, cooling can be reduced by minimizing the time the strip material comes into contact with the upper die of the mold. In addition, although not shown separately in the drawings, in the same method as the above-described notching step, even in the blanking step, cooling can be reduced by minimizing the time the material is in contact with the upper die of the blanking mold.
  • the strip material input to the processing device descends from the feed height level of the material to the press bottom dead center without contacting the upper die of the mold, and then the cutting process Only the strip material can be controlled to contact the upper (or upper) and lower (or lower) molds of the mold.
  • the strip material input to the processing device is from the feed height level of the material to the notching upper mold (or blanking upper mold) and While descending to the press bottom dead center in a non-contact state, the strip material can be controlled to contact the notched upper mold and the notched lower mold (or the blanking upper mold and the blanking lower mold) only in the cutting process.
  • the notching step is performed in the same manner as in the above-described method, and the subsequent blanking step is performed in the same manner as in the above-described method except that a notched material is premised.
  • the notching step when the strip material is raised after the cutting process, as in the descent described above, the notching (or blanking) upper mold does not contact.
  • the strip material may be separated from the notched (or blanked) lower mold and raised to the level of the transport height of the strip material.
  • FIG. 1 showing an exemplary hot press forming apparatus for a multi-stage process of the present invention
  • the notched upper mold 61a and the notched lower mold 61b are shown, and blanking
  • the blanking upper die 61a and the blanking lower die 61b are shown.
  • drawings in the case of including both the notching mold and the blanking mold are omitted.
  • notching step and blanking step there may be various methods as a method for the strip material to contact the upper and lower molds of the mold only in the cutting process.
  • a push bar 11 operated by a spring is provided as a structure protruding on the side of the notched upper mold (or blanking upper mold) in contact with the strip material.
  • the push bar may be positioned on the side of the notched upper mold (or blanking upper mold) in contact with the strip material so as to correspond to a portion to be removed from the material during a subsequent process.
  • the push bar 11 lowers and raises the notched upper mold (or blanking upper mold) while pressing the material 200 to contact the part to be removed in the subsequent process of the material 200 . can do.
  • the press descends and rises, it can be controlled not to contact the strip material in areas other than the push bar on the side of the notched upper mold (or blanking upper mold) in contact with the strip material.
  • the portion to be removed from the strip material during the subsequent process for the strip material may correspond to a guide bar or guide pin that guides the strip for transport of the strip.
  • the present inventors found that during the press movement of the processing device, the upper and lower molds of the mold are closed as the time staying near the press bottom dead center (ie, the holding time near the bottom dead center of the press) increases. It was additionally found that the closing time was increased, and thus the cooling rate of the material could be increased.
  • FIG. 3 shows the stroke of the slide as a function of crank angle for an exemplary mechanical press motion of the present invention.
  • 3(a) corresponds to a general crank motion method
  • FIG. 3(b) corresponds to other motion methods such as a link, a knuckle, and a servo. It can be seen that there is a difference in the holding time of the slide in the vicinity of the bottom dead center according to the difference in the above-mentioned method, and in the case of the motion method of FIG. The proportion of holding time in the vicinity is higher.
  • the press motion of the machining apparatus may be performed by any one method selected from the group consisting of a link motion method, a knuckle motion method, and a servo motion method, but is not particularly limited thereto.
  • the ratio of the holding time in the vicinity of the bottom dead center within one stroke may be 4 to 30%, more preferably 10 to 30%.
  • the ratio of the holding time in the vicinity of the bottom dead center means the ratio of the time the press stays to a point 1 mm in the upward direction from the bottom dead center of the press.
  • the ratio of the holding time when the ratio of the holding time is 4% or more, it is possible to prevent an increase in the number of processes for securing physical properties by securing a minimum mold contact time for cooling. In addition, through this, it is possible to prevent an increase in the extraction time of the final part to secure a critical cooling rate, thereby easily securing the desired physical properties. In addition, when the ratio of the holding time is 30% or less, it is possible to secure a stable process by sufficiently securing the process time for the vertical movement of the press slide and the transfer of the strip by reducing the unnecessary holding time in the vicinity of the bottom dead center.
  • one or more of the notching step and the blanking step may be performed in one step, or divided into two or more steps and performed in a multi-step process.
  • the molding die ie, the upper and lower molds of the molding die
  • it may include a forming step of forming the material.
  • the forming step may be performed in one step, or divided into two or more steps and performed in a multi-step process.
  • the forming step may be performed in a multi-step process of two or more steps to form an undercut shape (for the undercut shape, the following description applies equally) do).
  • the forming direction for the material in any one forming step and the forming direction for the material in the other forming step may be different from each other.
  • the forming direction for the material in the first forming step and the forming direction for the material in the additional forming step of forming the undercut shape after the first forming step may be different from each other.
  • the fact that the forming directions are different from each other means that they are not parallel.
  • a burring part is first formed in a forming direction perpendicular to the surface of the material in the first forming step, and then the material in the forming step (for example, the second forming step) after the first forming step can be subjected to bending processing.
  • the bending processing is performed to be 90° or less with the above-mentioned forming direction in the first forming step, so that the forming direction in the first forming step and the forming direction in the second forming step may be different from each other have.
  • the burring part cannot be cooled by additional mold contact, so when forming the burring part in the forming step, the bending process is performed after sufficient cooling. You can design the process to do it.
  • the material in the first forming step, is processed to form a forming part such as a burring part, and the material is subjected to bending processing in the first and subsequent forming steps, which will be described later on the material.
  • a bent portion ie, a portion formed by connecting the flat portion and the side portion may be formed.
  • the material may be molded to include a side part (B) having a second plane direction (P) different from the lateral part (B).
  • the angle D formed between the first surface direction (S) and the second surface direction (P) by applying pressure to the side portion is 90 It can be molded to include a region within °.
  • a hot press-formed member having an undercut shape it is possible to provide a hot press-formed member having an undercut shape to be described later by including the forming step performed in two or more steps having different forming directions from each other.
  • an undercut shape that could not be manufactured by the prior art in which the molding step is performed in a single process can be easily formed. Therefore, according to the present invention, even if the undercut shape is included as a final product, a molded member having an overall tensile strength of 1,300 MPa or more can be easily manufactured by applying the hot press forming method.
  • the designed pitch amount between the notching mold (or blanking mold) and the forming mold corresponds to the To do this
  • the notched material (or blanking material) may be transferred by the designed pitch amount and positioned near the molding die.
  • the vicinity of the molding die may mean a space in which molding is performed between the molding upper die and the molding lower die.
  • the method may further include one or more of a piercing step of removing unnecessary parts such as a hole in the formed material and a flanging step of forming a flange portion in the formed material.
  • a piercing step of removing unnecessary parts such as a hole in the formed material
  • a flanging step of forming a flange portion in the formed material may be provided between the above-described forming step and the trimming step to be described later.
  • the piercing step after transferring the molded material and placing it in the vicinity of the piercing mold, using the piercing mold (that is, by combining the upper and lower molds of the piercing mold )
  • the vicinity of the piercing mold may mean a space in which piercing is performed between the piercing upper mold and the piercing lower mold.
  • the piercing step-flanging step when the molded material (or, as a case including both the piercing step and the flanging step, the piercing step-flanging step is sequentially performed, it means 'pierced material' After being transported and positioned in the vicinity of the flanging mold, it can be processed to form a flange part from the pierced material using the flanging mold (ie, by combining the upper and lower molds of the flanging mold).
  • the vicinity of the flanging mold may mean a space in which flanging is performed between the flanging upper die and the flanging lower die.
  • the order of the piercing step and the flanging step is not specifically limited. That is, it only needs to be performed between the forming step and the trimming step, piercing-flanging may be sequentially performed, or flanging-piercing may be performed.
  • the The molded material when transferring the material from the vicinity of the molding die to the vicinity of the piercing mold (or flanging mold), to correspond to the amount of pitch designed between the molding mold and the piercing mold (or flanging mold), the The molded material may be transferred by the designed pitch amount and positioned near the piercing mold (or flanging mold).
  • both the piercing step and the flanging step are included, even when the material is transferred from the piercing mold to the flanging mold, the material can be transferred in the same manner as the above-described method.
  • one or more of the piercing step and the flanging step may be performed in one step, or divided into two or more steps and performed in a multi-step process. Alternatively, if necessary, one or more of the piercing step and the flanging step may be omitted.
  • a trimming step of removing an unnecessary outer part of a material from the shape of the final product by using the trimming mold may be included. Through this trimming step, a material having a final desired product shape can be obtained.
  • the trimming step in the trimming step, the molded material (however, if it further includes one or more of the above-described piercing step and flanging step, one or more steps of the piercing step and the flanging step are passed through. After transferring the material) and placing it in the vicinity of the trimming mold, an unnecessary outer part is removed from the material using the trimming mold, whereby a material having the shape of a final product can be manufactured.
  • the trimming step may be performed by combining the upper and lower molds of the trimming mold with respect to the material transferred to the vicinity of the trimming mold (a space where trimming is made between the trimming upper mold and the trimming lower mold).
  • the material when the material is transferred from the forming step to the trimming step, the material is transferred by the designed pitch amount to correspond to the designed pitch amount for two molds adjacent to each other in the feed direction of the material. After transfer from the mold of step), it can be transferred to the vicinity of the mold of the step (next step).
  • the trimming step may be performed in one step, or divided into two or more steps and performed in a multi-step process.
  • At least one of the notching step and the blanking step; forming step; trimming step (if it further includes one or more of the aforementioned piercing step and flanging step, the above step is also included); At least one of them may be divided into two or more steps to be performed in a multi-step process.
  • the formability can be further improved compared to when each process is performed as a single process, and the effect of preventing cracks in the final product by reducing the thickness reduction rate in each process can be further improved.
  • the method may further include cooling the trimmed final product to room temperature.
  • At least one of the notching step and the blanking step; forming step; trimming step (if it further includes one or more of the above-described piercing step and flanging step, the above step is also included);
  • One or more of these may further include a step of cooling the mold.
  • the method may further include cooling the secondary molding die in the secondary molding step.
  • cooling is carried out through several stages such as notching, blanking, forming, piercing, flanging, and/or trimming.
  • the present inventors found that the cooling rate of the material that can determine whether the material properties can be secured is the press speed It was additionally found that phosphorus SPM, the number of processes until the final product is taken out, the holding time staying near the bottom dead center to close the upper and lower molds within one process, and the relational expression of the slide stroke can influence.
  • the multi-stage process may be performed in a number greater than or equal to the minimum number of processes obtained by the following relational expression (1). Through this, a product having desired physical properties can be obtained.
  • N ROUNDUP ⁇ T / [(60/SPM) ⁇ (f/100) ] ⁇
  • N represents the minimum number of necessary steps from the forming step excluding the notching process and the blanking process
  • SPM represents the number of strokes per minute (SPM) of the press
  • f represents the percentage of holding time near the bottom dead center in one stroke (%)
  • T is 0.8 ⁇ t ⁇ 1.5, it represents a value calculated from the following Relational Expression 2, and if 1.5 ⁇ t, it represents a value calculated from the following Relational Expression 3,
  • ROUNDUP indicates the value rounded up to the number of decimal places for the calculated value within ⁇ .
  • the thickness of the material increases, cooling becomes difficult, so that the contact time with the mold needs to be longer. Therefore, as the thickness of the material increases, it is possible to select a press motion with a large retention ratio at the bottom dead center.
  • the contact time with the mold can be approached by increasing the number of processes, but if the number of processes with the mold contact is small in one process, another phase occurs as the air cooling time increases. chance increases Therefore, most preferably, it is necessary to increase the percentage of holding time that the press slide stays near the bottom dead center in one process.
  • the contact time with the mold affects not only the ratio of the holding time that the slide stays near the bottom dead center, but also the time required for one process, that is, the press movement speed (SPM).
  • the desired strength is secured by performing a multi-step process with more than the minimum number of steps calculated from the above relation 1, and securing the minimum f value according to the material thickness expressed in the relation 4 and 5 finished product can be obtained.
  • the cooling of the material is suppressed in the notching step and the blanking step, while the cooling is promoted in the multi-stage process (ie, from the forming step) after the notching step and the blanking step to have a temperature of Ms or less in the final product It is necessary to secure Therefore, it is necessary to increase the contact time with the mold for rapid cooling, and for this, the following method can be used.
  • the position of the strip material rises in conjunction with the rise of the press upper die, and it stands by for transfer to the next stage.
  • the molded article (or material) is cooled by contacting the upper and lower molds of the mold only while the press slide stays near the bottom dead center, and as the press slide rises, the molded article rises and separates from the upper and lower molds of the mold. It is cooled only to the air cooling level.
  • the present inventors intensively studied the preferred embodiment of the multi-stage process, and as a result, the strip material is not transferred while the slide upper plate (press slide) is rising.
  • the material or molded product
  • the material can be kept near the press bottom dead center until it rises to a certain height level and the strip material reaches the conveying stage. In this way, when the press slide rises, the material stays near the press bottom dead center and uses the position information of the press slide to raise the material just before the transfer stage of the strip. It was further found that cooling could be ensured.
  • FIG. 15-17 show the press motion of an exemplary processing apparatus 41 of the present invention. That is, according to one aspect of the present invention, as shown in FIG. 15 , the press slide 6a descends to the press bottom dead center 120b when the material is input into the processing device 41 to process the material. Next, as shown in FIG. 16, the raw material is staying in the vicinity of the press bottom dead center 120b while the press slide 6a is rising. Finally, as shown in Fig. 17, by utilizing the position information of the press slide, when the press slide rises and reaches a point 120a that does not interfere with the transfer of the material, the material located near the press bottom dead center (120b) A method of raising the .
  • the method for raising the above-mentioned material is shown in FIG. 17 , and specifically, when the press slide 6a rises and reaches a point 120a that does not interfere with the transfer of the material, each step The material can be raised from the vicinity of the press bottom dead center to the transfer point 120a by the lower mold (61b, 62b, 63b, 64b) of the mold and the cylinder-shaped material position control unit 600 that controls the material to fall. .
  • the material position control unit 600 may be provided on the side of the press lower plate (ie, press bolster) on the side where the mold is provided. More specifically, the material position control unit 600 may be provided at both ends of a single mold (ie, a lower mold; any one of 61b, 62b, 63b, 64b) in the material transport direction. Alternatively, as shown in FIG. 17 , one material position control unit 600 may be provided between two molds adjacent to each other.
  • the molding step when the molding step is performed in two or more multi-step processes, in order to prevent cracks from occurring due to excessive cooling of the portion to be molded, the molding step is used in the primary molding step
  • the method may further include heating one or more molding molds for additional molding molds other than the primary molding mold to be used.
  • At least one of the above-described piercing step and flanging step, and/or the trimming step is performed in order to prevent cracks due to excessive cooling of the processing area, at least one mold in each step. It may further comprise the step of heating.
  • FIG. 12( a ) The three-dimensional three-dimensional structure of the material after passing through a multi-step process according to an exemplary progressive method of the present invention is shown in FIG. 12( a ).
  • the notched material 210 after passing through the notching step has a shape connected to the strip by the web portion 300 .
  • the molded material 220 after passing through the molding step as a second process forms a three-dimensional three-dimensional structure.
  • a side view of the three-dimensional three-dimensional structure is shown in FIG. 12(b).
  • the shape of the pierced material 230 after passing through the piercing step is shown, and unnecessary holes are removed from the material.
  • the shape of the trimmed material 240 after passing through the trimming step is shown, and unnecessary outer portion 400 is removed by performing the trimming step.
  • a blank in a form separated from the strip so as not to include the strip web portion in FIG. 12 ( After blank) is formed, the material can be processed in the same manner except that it undergoes a subsequent process. At this time, the shape of the material may be formed in the same manner as in the case of using a conventional method in the art.
  • the material is transferred by forming a material guide portion in the aforementioned web portion 300 and operating it.
  • the strip web portion 300 is a portion that is not actually formed and is removed from the shape of the final product in the trimming step. Accordingly, the web portion 300 may be heated to a low temperature during the processing process or cooled faster than the portion of the material processed in the notching step to promote smooth material transfer.
  • cooling of the web portion of the material can be performed faster than the forming portion of the material.
  • the web portion of the material in the notching step, may be controlled to a temperature lower than that of the molding portion of the material.
  • the web portion of the material in order to control the web portion of the material at a lower temperature than other portions, in the notching mold, only a portion of the mold corresponding to the web portion of the material may be controlled at a lower temperature than other portions.
  • the hot press forming method for a multi-stage process promotes uniform heating by rapidly heating the strip material, and at least one of the notching step and the blanking step for the high-temperature strip material, the mold and the It is required to minimize the temperature drop by minimizing the contact time of the
  • piercing step, flanging step, trimming step, etc. after at least one of the notching step and the blanking step (however, at least one of the piercing step and the flanging step can be omitted)
  • Contact of the material with the mold It is required to maximize the time to ensure fast cooling.
  • the present inventors have studied diligently, and in each step, in order to satisfy the contradictory requirements described above, the use of the progressive method in the heating step, notching step, and blanking step has many advantages, the aspect and the molding step, In the piercing step, the flanging step, and the trimming step, it was additionally discovered that the transfer method can control the contact with the mold for a longer period of time.
  • the heating step, the notching step, the blanking step are carried out in a progressive manner, and the forming step, the piercing step, the flanging step and the trimming step are carried out in a transfer manner by applying a complex method, It was confirmed that it is more advantageous in securing physical properties.
  • a blank material in a form separated from the strip is obtained by cutting a part of the heated strip material input to the processing device using the blanking mold.
  • Including the blanking step when transferring the material from the mold in the pre-transfer step (previous step) to the vicinity of the die in the post-transfer step (next step) based on two molds adjacent to each other in the feed direction of the material in one press, a transfer method using a clamp-shaped transfer means can be applied.
  • the material located near the mold can be transferred to the vicinity of the next stage of the mold.
  • Another aspect of the present invention is
  • a supply unit for continuously supplying the strip material
  • a heating unit for heating the supplied strip material
  • a processing unit including a processing device in which one or more of a notching mold and a blanking mold, a molding mold, and a plurality of molds including a trimming mold are mounted on one press;
  • a transfer unit for transferring the strip material heated by the heating unit to the processing unit
  • It provides an apparatus for manufacturing a hot press-formed member for a multi-stage process, comprising a.
  • FIG. 1 the structure of an exemplary apparatus for manufacturing a hot press-formed member for a multi-stage process of the present invention is shown in FIG. 1 , and the apparatus 100 for manufacturing a hot-press-formed member for a multi-stage process includes a supply unit 1; heating unit (2); transfer unit (3); and a processing unit 4 .
  • the supply unit 1 continuously supplies the strip material 200 .
  • the supply unit 1 may continuously supply the material 10 provided in the form of a coil to the heating unit 2 in the form of a strip material having a constant width by an uncoiler.
  • the heating unit 2 may heat the strip material supplied from the above-described supply unit using the heating device 21 .
  • the above-described rapid heating method may be applied, and for example, various rapid heating devices such as high-frequency heating, energization heating, and infrared heating may be used.
  • the transfer unit 3 may transfer the strip material 200 heated by the heating unit 2 to the processing unit 4 .
  • the transfer of the strip material 200 may be performed in the heat retention chamber 31 .
  • the above-described description may be equally applied to the heat preservation chamber.
  • the processing unit 4 one or more molds (61a, 61b) of a notching mold and a blanking mold, forming molds (62a, 62b) in one press (6; 6a, 6b) and It may include a processing device 41 equipped with trimming molds 64a and 64b. Meanwhile, as described above in the molding method, at least one of a piercing mold and a flanging mold may be further mounted between the molding mold and the trimming mold.
  • the single press 6 includes a press slide corresponding to the upper plate 6a of the press, and a press bolster corresponding to the lower plate 6b of the press. ) may be included.
  • the lower plate 6b of the press may be provided to correspond to the upper plate 6a of the press.
  • the processing apparatus 41 may further include a temperature control unit (5a, 5b) of a separate mold for controlling the temperature of each mold described above, the temperature control unit of the mold is the mold. And it may be provided between the press. That is, the temperature control unit of the mold may be provided on the side of the press in contact with each mold.
  • a separate notching mold and/or blanking mold temperature controller 51a, 51b for controlling the temperature of the mold is included. can do.
  • the temperature controllers 51a and 51b may be provided between the molds 61a and 61b and the presses 6a and 6b.
  • a temperature control unit of each mold may be separately provided between each mold and the press, in the same manner as in the above-described method (eg, temperature control unit 52a, 52b of the molding mold). , temperature controllers 53a, 53b for piercing or flanging molds, and temperature controllers 54a, 54b for trimming molds; see Fig. 1(b)).
  • a push bar 11 operated by a spring may be provided as a structure protruding on the surface on the side in contact with the strip material of the notched upper mold or blanking upper mold.
  • a push bar 11 operated by a spring may be provided as a structure protruding on the surface on the side in contact with the strip material of the notched upper mold or blanking upper mold.
  • a push bar 11 operated by a spring may be provided as a structure protruding on the surface on the side in contact with the strip material of the notched upper mold or blanking upper mold.
  • the material position control unit 600 in the form of a cylinder may be provided on the surface of the press lower plate (ie, the press bolster) on the side where the mold is provided.
  • the press lower plate ie, the press bolster
  • the above-described description may be equally applied to the material position control unit 600 .
  • the processing apparatus includes a blanking mold as a plurality of molds, and in one press, based on two molds adjacent to each other in the feeding direction of the material, the next step from the previous step It may further include a tongs-shaped transfer means for transferring the material to the vicinity of the mold.
  • the tongs-shaped transport means as showing an example of applying the transfer method can be equally applied to the above description.
  • the apparatus for manufacturing a hot press-formed member for a multi-stage process can equally apply the contents of the above-described method for manufacturing a molded member, so as an example, the minimum number of steps calculated from the above-mentioned relational expression 1
  • a processing apparatus capable of performing the above multi-step process can be used.
  • the number of the plurality of molds mounted on one press may be equal to or greater than the minimum number of steps calculated from the aforementioned relational expression (1).
  • the processing apparatus satisfying the above-described Relations 4 and 5 may be used by using the thickness (corresponding to t in Relations 4 and 5) information of the material input to the processing apparatus.
  • Another aspect of the present invention is
  • a hot press-formed member having an undercut shape and having a tensile strength of 1300 MPa or more is provided.
  • the undercut shape has the same meaning as a term used in the art. Accordingly, the undercut shape may include various shapes commonly interpreted in the art. For example, as a molding shape of a hot press-formed member, it may include a shape that cannot be molded or taken out by only vertical movement of the mold because a convex or concave portion is included in the side portion, or a burring portion is formed in the side portion. .
  • a hot press-formed member may include a flat portion (A) having a first surface direction (S) and a side portion (B) having a second surface direction (P) different from the first surface direction.
  • the hot press-formed member may have one or more flat portions, and/or one or more side portions.
  • the hot press-formed member may be connected to any one flat portion (A) and any one side portion (B). By connecting the portion (A) and the side portion (B) may be provided with a bent portion.
  • the first side part and the second side part may be connected to both ends of one flat part, respectively (that is, the first side part and the second side part may be connected to either end of either end of the one flat part.
  • the side part may be connected, and the second side part may be connected to the other end).
  • an additional first flat portion is connected to an end of the first side portion other than the side connected to the flat portion
  • an additional second flat portion is connected to an end other than the side connected to the flat portion of the second side portion.
  • the hot press-formed member may be composed of three flat parts (A) and two side parts (B), as shown in FIG. 18 .
  • the undercut shape of the present invention as shown in the side view of the molding member of FIG. There may be a case where the angle D of the narrow side formed by the second plane direction P of (B) includes a portion within 90°.
  • the molding member of FIG. may include an additional molding part (C) (eg, including a burring part, etc.).
  • the molding member may include a curved portion formed by connecting any one of the flat portions (A) and any one of the side portions (B). Accordingly, the molding portion (C) may be provided on a surface in the second surface direction of the side portion.
  • the undercut shape is a case in which the above-described forming step is performed in a multi-step process of two or more steps, and the forming direction for the material in one forming step and the material in the other forming step It can be manufactured through different manufacturing methods with respect to the molding direction.
  • the undercut shape may mean including two or more portions having different forming directions from each other, and in this case, the forming direction may be the same as described above.
  • the angle formed by the flat portion and the side portion by applying pressure to the material in a direction perpendicular to the surface of the side portion in the second forming step An undercut shape in which is within 90° may be formed.
  • the hot-formed member may have an overall tensile strength of 1,300 MPa or more even including an undercut shape, and the upper limit thereof may not be particularly limited because the higher the strength characteristic, the better the characteristic.
  • the upper limit may be 2,000 MPa.
  • a strip material having a constant width and a blank material having a non-uniform width were prepared, respectively, and energized heating was performed for each material at a heating rate of 50° C./s.
  • a material by weight C: 0.22%, Si: 0.3%, Mn: 1.2%, Cr: 0.2%, Al: 0.03%, P: 0.01%, S: 0.001%, N: 0.003%
  • An alloyed steel sheet having an Fe content of 30% by weight was used.
  • Example 1 the temperature distribution result at the time of energization heating for the strip material having a constant width is shown in FIG. It is shown in Figure 2(b).
  • the prepared strip material having a thickness of 1.4 mm was rapidly heated to 920° C. at a heating rate of 50° C./s by using a method of energization heating with an effective length of a heating device of 2 m and a cycle time of 4 seconds.
  • the strip material the alloy plated steel sheet used in Experimental Example 1 was used in the same manner.
  • the heated strip material was transferred to a processing device through a heating chamber at 900°C.
  • the transferred strip material was operated at 15SPM using the crank motion type press motion of FIG. 3(a).
  • Example 2 The case of notching using a notching mold in a cold state having an initial temperature of 25 ° C was set to Example 2, and the case of notching using a notching mold in a heated state having an initial temperature of 500 ° C was set to Example 3.
  • Example 3 a graph of the temperature change of the material over time in the notching step is shown in FIG. 4 below.
  • Example 2 the cooling of the material proceeded very quickly from the time the notched upper die descended and made contact by using the notching mold in a cold state.
  • Example 3 by using a heated notching mold having an initial mold temperature of 50° C. or higher, excessive cooling could be suppressed when the notched upper mold was lowered and contacted with the material. That is, Example 3 was able to control the temperature of the material to 700 °C or more after the end of the notching step by suppressing excessive cooling compared to Example 2. For this reason, it was confirmed that the elongation of the material rough in the notching step was 50% or more, which could be secured to a level sufficient to perform the molding process in the subsequent process, and thus the moldability in the subsequent process was more excellent.
  • a strip material having a thickness of 1 mm was used, and the strip material was processed in the same manner as in Experimental Example 2, except that the temperature of the initial notching mold was changed as shown in Table 1 below. At this time, the surface temperature of the material was measured and shown in Table 1 based on the time when the contact with the material of the notching mold was finished in the notching step.
  • the elongation of the material obtained after the notching step was measured to evaluate whether additional molding is possible based on the following criteria.
  • Comparative Example 2 secured a high surface temperature of the material by heating the blank itself, but the temperature of the material after the blanking step was too low due to the non-uniform temperature distribution due to the non-uniform shape of the width of the blank material. A part occurred, and further molding became impossible.
  • Examples 8 to 11 in which the initial temperature of the notching mold is 400 ° C. or higher, compared to Examples 4 to 7 in which the initial temperature of the notching mold is less than 400 ° C., the temperature of the material after notching is high to secure the desired level of elongation. was possible, and this made additional molding possible.
  • a steel sheet having the same composition as that used in Experimental Example 1 was rapidly heated to 920° C. at a heating rate of 50° C./s using an energized heating method. Then, the heated strip material was transferred to a processing device in a thermal insulation chamber at 900°C. For the transferred strip material, it was worked at 15 SPM using the motion method shown in Table 2 below and the press motion that satisfies the retention ratio near the bottom dead center within one stroke, and the notching process, forming process, and piercing process of HAT-shaped parts and a trimming process. At this time, in the notching process, an initial temperature of the notching mold that satisfies Table 2 was used, and the notching upper mold and the notched lower mold were controlled to contact the strip material only in the cutting process using a push bar.
  • the formability was evaluated based on the same criteria as in Experimental Example 3 described above, and the strength characteristics of the product were obtained by securing 99% or more of the martensite phase in the final product based on the molding and cooling analysis method considering the phase transformation of the material.
  • a case in which the strength is 1300 MPa or more is indicated by ' ⁇ ', and a case in which the fraction of the martensite phase secured in the final product is 90% or less is indicated by 'X'.
  • the temperature change of the material according to time during the multi-stage process is shown in FIGS. 6 to 8, respectively.
  • the temperature change of the material represents the temperature change at the surface based on the point at which the circled part of FIGS. 6 to 8 is the final part.
  • Example 14 it was confirmed that the moldability was more excellent compared to Comparative Example 3. However, as the contact time with the mold was rather short, as shown in FIG. 6 , the cooling rate was low, so that sufficient martensite of 99% or more was not secured.
  • Example 15 in the case of Example 15, as can be seen in FIG. 7, the temperature drop was somewhat reduced in the 0-4 second section corresponding to the notching step, and the formability was excellent compared to Example 14. However, the contact time between the mold and the molded product was rather short, so sufficient martensite of 99% or more was not secured.
  • Example 16 in addition, in the case of Example 16, as can be seen in FIG. 8, the temperature drop in the notching step was small, so that the formability was excellent, and the strength characteristics of the product were also excellent.
  • Example 16 compared to Examples 14 and 15, the ratio of the holding time in which the upper and lower molds of the mold stay in the closed state at the press bottom dead center is high, so that it is possible to secure a fast cooling rate of the material in the entire process. could Therefore, after the multi-step process for a total of 16 seconds is performed, the temperature of the material is secured below the Ms temperature of 400° C. or less, and the critical cooling rate can be secured. A product having strength characteristics could be obtained.
  • Example 18 by performing the notching step by dividing it into two steps, it was confirmed that the thickness reduction rate in the final part was further reduced compared to Example 17 in which the notching step was performed as a single process, and thus the effect of preventing cracks was better than
  • the press movement speed (SPM) the ratio of the holding time that the slide stays near the bottom dead center in one process
  • the minimum required number of processes from the forming step excluding notching Table 3 below shows whether the material taken out according to the Ms temperature is secured or not, whether a stable martensite phase is secured, and the physical properties of the product.
  • the formability was evaluated on the same basis as in Experimental Example 2 described above, and whether or not the stable martensite phase was secured is 'OK' when 99% or more of the martensite phase is secured on the same basis as in Experimental Example 5 above, A case in which 90% or less was secured was indicated as 'NOK'.
  • the product strength evaluation corresponds to the above-mentioned 'OK', and the case where the tensile strength is 1300 MPa or more is indicated by ' ⁇ ', and other cases are indicated by 'x'.
  • Examples 19, 21 to 23, 26, 29, 32 and 33 had excellent formability compared to Comparative Example 4, but were smaller than the minimum f value required from the material thickness according to the above-described Relations 4 and 5, so that other phases were generated. Therefore, the physical properties could not be secured.
  • Examples 25, 28 and 34 satisfy the minimum f-value required from the material thickness according to the above-mentioned Relations 4 and 5, but are smaller than the minimum number of processes (N) calculated from the Relational Equation 1. For this reason, it did not reach below the Ms temperature when taking out, and there was room for other phases other than martensite to occur in the air cooling process after taking out under the condition of having a temperature higher than Ms. Therefore, if the above-mentioned Relations 4 and 5 are not satisfied, or if Relation 1 is not satisfied, the solution is to take out the product after performing more processes than the minimum required process (N) by adding a cooling process, etc. it was necessary
  • Examples 20, 24, 27, 30, 31, 35 and 36 satisfy the minimum f value required from the material thickness according to the aforementioned Relations 4 and 5, and also the minimum number of steps calculated from the aforementioned Relation 1 (N) This is a case where the above multi-step process is performed. Accordingly, the Ms temperature or lower was ensured when taking out the multi-step process, and phases other than martensite were not generated, so that a product in which a sufficient martensite phase was secured was obtained, and the physical properties of the final product were secured.
  • a blanking step was performed in the same manner as in Experimental Example 2 described above, except that in Examples 37 and 38, a blanking step of preparing a blank material in a form separated from the strip was included instead of the notching step, followed by molding, piercing and A trimming step was performed. At this time, when transferring between two adjacent molds in the transfer direction of the material, a clamp-shaped transfer means was used.
  • Example 37 the cooling of the material proceeded very quickly by using a blanking mold in a cold state having an initial temperature of 25°C, whereas in Example 38, where the initial temperature was 500°C, a blanking upper mold by using a heated blanking mold Excessive cooling is suppressed when it descends and comes into contact with the material.
  • Example 38 by suppressing excessive cooling compared to Example 37, the temperature of the blank material after the end of the blanking step is 700° C. or more, and at the same time, it is possible to secure a material having an elongation of 50% or more, so that the subsequent process after the blanking step It was confirmed that the moldability was better.
  • 61a, 61b Notching mold or blanking mold
  • 63a, 63b piercing mold or flanging mold
  • Molding part (burring part, etc.)

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Abstract

스트립 소재를 가열하는 가열 단계; 하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치로, 가열된 스트립 소재를 이송하는 이송 단계; 상기 노칭 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립에 웹부로 연결된 형태의 노칭된 소재를 얻는 노칭 단계, 및 상기 블랭킹 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계; 상기 노칭 단계 및 상기 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계를 거친 소재를 이송하여 상기 성형 금형 부근에 위치시킨 후, 상기 성형 금형을 이용하여 상기 소재를 성형하는 성형 단계; 및 상기 트리밍 금형을 이용하여 최종 제품 형상에서 불필요한 소재의 외곽부를 제거하는 트리밍 단계;를 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법 및 장치를 제공한다. [대표도] 도 1

Description

다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법 및 장치
본 발명은 생산성 및 성형성 중 하나 이상의 특성이 개선된 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
차량 경량화 및 안전성 향상 요구에 따라 열간 프레스 성형 공법을 활용한 고강도강 적용이 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로 열간 프레스 성형 공법은 부품을 성형하기 위해 설계된 형상의 블랭크를 준비하고 이를 고온으로 가열한 후 프레스에 장착된 금형에 투입한다. 이후, 프레스 슬라이드를 하사점까지 하강하여 블랭크를 성형하고 일정 시간 동안 하사점에서 유지하여 성형된 부품이 금형 안에서 급냉된다. 이렇듯 충분히 냉각된 다음, 슬라이드를 상승하고 제품을 취출하는 공정으로부터 부품을 제작한다. 또한, 일반적으로 이렇게 제작된 부품은 최종 부품 형상에서 일부 불필요한 에지 부위나 안쪽에 홀 부위 등을 절단하는 공정이 추가적으로 진행되어 최종적인 부품 형상으로 제작되는 과정을 거친다. 이러한 성형 후 제품을 절단하는 공정은 성형된 제품이 고강도를 갖기 때문에 레이저 트리밍을 하거나, 혹은 트리밍 금형/프레스를 활용한 기계적 트리밍으로 진행된다.
앞서 언급한 일반적인 열간 프레스 성형은 한번의 성형으로 최종 부품이 제작되어야 하는 제약 사항이 있어, 한번의 성형으로 제작이 힘든 부품 형상은 제작하지 못한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 상온에서 중간 단계 형상으로 성형한 후, 이렇게 예비 성형된 부품을 가열하여 이를 열간 프레스 성형을 통해 최종 부품 형상으로 제작하는 인다이렉트(indirect) 열간 프레스 성형을 활용하는 방법도 일부 적용되고 있다. 하지만 이러한 인다이렉트 열간 프레스 성형은 중간 단계 형상으로 성형을 하는 공정이 추가적으로 필요하다는 점과, 성형된 부품에 대한 가열이 가능한 특수한 가열로가 필요하다는 점 등의 여러 생산 비용이 추가되는 단점이 있다.
한편, 일반 냉간 프레스 성형에서는 여러 단의 성형 공정을 거쳐 최종 부품을 성형하는 것이 일반적인 접근 방법이다. 이러한 냉각 프레스 성형 방법으로는 몇 개의 프레스와 금형을 활용하여 몇 공정으로 나누어서 성형하거나, 하나의 프레스 내에 여러 단의 금형을 넣고 성형하는 방법이 활용되고 있다. 한편, 하나의 프레스 내에 여러 단의 금형을 넣고 성형하는 방법으로서, 금형에 각각 분리된 블랭크를 투입하여 여러 단으로 성형하는 트랜스퍼(transfer) 방식의 성형이나, 연속적으로 연결되어 있는 스트립 형태의 소재를 공급하여 여러 단으로 성형하는 프로그래시브(progressive) 방식의 성형이 일반적으로 활용되고 있다.
하지만 냉간 프레스 성형과는 달리 열간 프레스 성형은 고온의 소재를 급냉을 통하여 고강도를 확보해야 한다는 특수한 제약 사항이 있어, 앞서 언급한 여러 단을 거친 성형 방법을 적용하는 것이 용이하지 않다.
(특허문헌 1) 공개공보 제2006-0054479호
본 발명의 일 측면에 따르면, 생산성 및 성형성 중 하나 이상의 특성이 개선된 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
혹은, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 종래 단일 공정의 열간 프레스 성형 방법에서는 얻을 수 없었던 복잡한 성형을 가지면서도 강도 특성이 우수한 성형 부재를 제공할 수 있다.
본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은,
스트립 소재를 가열하는 가열 단계;
하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치로, 가열된 스트립 소재를 이송하는 이송 단계;
상기 노칭 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립에 웹부로 연결된 형태의 노칭된 소재를 얻는 노칭 단계, 및 상기 블랭킹 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계;
상기 노칭 단계 및 상기 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계를 거친 소재를 이송하여 상기 성형 금형 부근에 위치시킨 후, 상기 성형 금형을 이용하여 상기 소재를 성형하는 성형 단계; 및
상기 트리밍 금형을 이용하여 최종 제품 형상에서 불필요한 소재의 외곽부를 제거하는 트리밍 단계;
를 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은,
스트립 소재를 연속적으로 공급하는 공급부;
공급된 스트립 소재를 가열하는 가열부;
하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치를 포함하는 가공부; 및
상기 가열부에서 가열된 스트립 소재를 상기 가공부로 이송하는 이송부;
를 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은,
전술한 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법에 의해 제조된 열간 프레스 성형 부재로서,
언더컷 형상을 포함하고, 인장 강도가 1300MPa 이상인 열간 프레스 성형 부재를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스트립 소재를 빠른 사이클 타임으로 안정적으로 가열 공급할 수 있어, 생산성이 향상된 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
혹은, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 스트립 소재를 다단 공정을 통하여 성형함으로써, 단일 공정 열간 프레스 성형에 비하여, 복잡한 형상도 비교적 용이하게 제공할 수 있다.
혹은, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 종래 단일 공정의 열간 프레스 성형 방법에서는 얻을 수 없었던 복잡한 성형을 가지면서도 강도 특성이 우수한 성형 부재를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 다단 공정용 열간 프레스 성형 장치를 나타낸다.
도 2(a)는 폭이 일정한 소재에 대한 통전 가열 시의 온도 분포 결과를 나타내고, 도 2(b)는 폭이 일정하지 않은 소재에 대한 통전 가열 시의 온도 분포 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 예시적인 기계식 프레스의 작동 방식을 크랭크 각에 따른 스트로크의 관계로 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 노칭 단계에 있어서, 통상의 프로그래시브 방식을 적용한 경우의 시간에 따른 소재의 온도 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 노칭 단계에 있어서, 절단 공정에서만 노칭 상형 및 노칭 하형을 스트립 소재에 접촉시키는 경우의 시간에 따른 소재의 온도 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6~8은 각각 실시예 14~16에 대한 시간에 따른 소재의 온도 변화를 그래프로 도식화한 것이다.
도 9은 본 발명의 예시적인 성형 공정을 단일 공정으로 수행한 경우의 두께감소율 변화를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 성형 공정을 2단계 공정으로 나누어서 수행한 경우의 두께감소율 변화를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 예시적인 다단 공정용 열간 프레스 성형 방법을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 예시적인 다단 공정을 수행하는 동안, 소재의 변화를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 예시적인 노칭 또는 블랭킹 방법을 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 예시적인 푸쉬 바를 이용한 노칭 또는 블랭킹 방법을 나타낸 것이다.
도 15 내지 17은 본 발명의 예시적인 금형의 접촉 시간 증대 방법을 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 예시적인 열간 프레스 성형 부재의 구조를 나타낸 것으로서, 도 18(a)는 성형 부재의 사시도를 나타내고, 도 18(b)는 성형 부재의 측면도를 나타낸다.
열간 프레스 성형은 고온의 소재를 급냉하여 고강도를 확보해야 하므로 여러 단을 거친 성형 방법을 적용하는 것이 여의치 않다. 이에, 최근에는 아연 도금 열간 프레스 성형용 강재를 활용하여, 블랭크를 가열한 후 기계식 서보 프레스에 장착된 여러 단계를 위한 금형에 투입하여 어느 정도 낮은 온도로 급냉하는 공정, 피어싱하는 공정, 및 최종적으로 트리밍하는 공정을 적용하는 방법이 연구되었다. 그러나, 이러한 방식은 프레스에서 요구하는 속도로 가열된 블랭크를 공급해줄 수 있는 충분한 가열로 성능이 확보되는 것이 필수적으로 요구된다.
예를 들어, 15SPM(분당 15스트로크)의 속도로 프레스가 작업된다면 4초마다 가열된 블랭크를 공급해줄 수 있는 가열로가 필요하다는 것을 의미한다. 통상적인 열간 프레스 성형의 사이클 타임도 16초 수준으로 상당히 빠르게 작업을 수행하는 것으로 생각할 수 있는데, 이는 16초마다 가열된 블랭크를 공급해줄 수 있는 가열로 성능이 필요하다고 보면 된다.
그런데, 만약에 사이클 타임이 4초라고 한다면 전술한 사이클 타임이 16초인 경우보다 4배나 빠른 속도로 가열된 블랭크를 공급해주어야 한다. 소재는 가열로 내에서 필요한 시간만큼 머물러야 원하는 온도까지 가열되므로, 4배나 빠른 속도로 가열을 하려면 4배나 많은 양의 블랭크가 가열로 안에 들어갈 수 있어야 한다는 의미가 된다. 따라서, 가열로의 길이가 산술적으로 4배가 더 길어져야 한다고 추정할 수 있다. 예를 들어, 통상적인 가열로는 30m 수준인데, 전술한 바와 같이 4배나 빠른 속도로 가열하려면 가열로의 길이가 120m 수준이 되거나, 30m 길이의 가열로 4개를 병렬로 설치해야 한다.
그러나, 가열로의 길이가 길어지는 것은 공간 및 비용 측면에서 큰 걸림돌이 되므로, 블랭크를 앞서 언급한 일반적인 분위기의 가열로가 아니라 급속 가열할 수 있는 설비를 활용할 수도 있다.
이에 대해, 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 형상을 가진 블랭크를 급속으로 균일하게 가열하는 것은 기술적으로 용이하지 않음을 발견하였다. 이에, 본 발명자들은 연구를 계속하여, 짧은 사이클 타임에 대응 가능한 빠른 속도로 고온의 소재를 안정적으로 공급함과 동시에, 성형성이 개선된 다단 공정용 열간 프레스 성형 장치 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
또한, 일반적인 열간 프레스 성형은 성형 후 일정 시간 동안 프레스를 하사점에서 유지하여 금형을 닫은 상태로 유지하여 냉각을 하는 공정이 있다. 그런데, 다단 공정의 경우는 여러 단의 공정을 순차적으로 실시해야 하므로, 하나의 금형에서만 냉각이 수행되는 것이 아니라, 여러 단의 금형에서 냉각이 실시된다. 따라서, 본 발명과 같은 다단 공정용 열간 프레스 성형 방법은 프레스 속도와 공정 수 등 여러 공정 인자들이 냉각에 미치는 영향을 고려한 공정의 설계가 필요하다. 이에, 본 발명자들은 여러 공정 인자들을 고려하여 최적의 다단 공정을 설계하였다.
[다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법]
본 발명의 일 측면은,
스트립 소재를 가열하는 가열 단계;
하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치로, 가열된 스트립 소재를 이송하는 이송 단계;
상기 노칭 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립에 웹부로 연결된 형태의 노칭된 소재를 얻는 노칭 단계, 및 상기 블랭킹 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계;
상기 노칭 단계 및 상기 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계를 거친 소재를 이송하여 상기 성형 금형 부근에 위치시킨 후, 상기 성형 금형을 이용하여 상기 소재를 성형하는 성형 단계; 및
상기 트리밍 금형을 이용하여 최종 제품 형상에서 불필요한 소재의 외곽부를 제거하는 트리밍 단계;
를 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스트립 소재를 가열하는 가열 단계를 포함할 수 있고, 850~960℃의 온도 범위로 스트립 소재를 가열할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가열 방법으로는 급속 가열을 적용할 수 있고, 가열 속도는 12~200℃/s 범위일 수 있다. 한편, 바람직하게 상기 가열 속도의 하한은 13℃/s일 수 있고, 보다 바람직하게 상기 가열 속도의 하한은 30℃/s일 수 있다. 또한, 상기 가열 속도의 상한은 100℃/s일 수 있고, 보다 바람직하게 상기 가열 속도의 상한은 80℃/s 일 수 있다. 또한, 상기 가열 온도는 스트립 소재의 표면 중 어느 한 지점을 기준으로 한 온도 변화를 기초로 측정된 값일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 급속 가열의 방법으로는 고주파 가열(induction heating), 통전 가열(resistance heating), 적외선 가열(infrared heating) 등 다양한 방식을 이용할 수 있다. 전술한 급속 가열 방식을 이용하여 균일한 폭을 가진 스트립 소재를 가열함으로써, 형상을 가진 블랭크 소재를 가열하는 종래 방식에 비해, 훨씬 균일한 온도 분포를 확보할 수 있고, 이를 통해 빠른 사이클 타임으로 가열된 스트립 소재를 안정적으로 공급할 수 있다.
반면, 종래의 블랭크 소재를 가열하는 방법은 균일한 가열이 수행되기 어려우므로, 분위기 가열로를 활용하는 것이 대부분이었다. 그런데, 다단 공정의 짧은 사이클 타임으로 가열된 블랭크를 공급하려면, 가열로의 길이가 과도하게 길어지는 문제가 있다. 이에, 본 발명에서는 폭이 일정한 스트립 소재 자체에 급속 가열 방식을 적용함으로써 전술한 문제를 해결할 수 있음을 발견하였다.
예를 들어, 사이클 타임이 4초인 경우(이 때, 후술하는 다단 공정에서 설계된 피치량은 500㎜를 기준으로 하였다), 만약 16초만에 최종 온도로 급속 가열을 하는 방식을 활용한다면 가열 공정에 관여된 스트립 소재의 길이는 2m 수준으로 계산된다. 따라서, 앞서 예로 들었던 종래의 블랭크를 가열하는 방식에서의 가열로 길이 120m 또는 30m 길이의 가열로 4개의 병렬 배치 방식에 비해 획기적으로 가열 공간을 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 사이클 시간(S) 대비 총 가열 장치의 유효길이(L)의 비(L/S)는 0.25~4 범위일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 전술한 범위를 충족함으로써 빠른 사이클 타임으로 소재를 안정적으로 공급함과 동시에, 성형성이 개선된 열간 프레스 성형 방법을 제공할 수 있다.
이 때, 전술한 총 가열 장치의 유효길이(L)는, 소재의 가열에 직접적으로 사용되는 부분의 길이를 말하며, 그 단위는 m를 사용한다. 일례로, 가열로의 경우에는 가열로 내부 길이를 의미하고, 고주파 가열의 경우에는 가열에 사용되는 고주파 코일의 길이를 의미할 수 있다. 즉, 직렬 방식 및 병렬 방식 중 하나 이상을 포함하는 경우에도 모든 가열 장치의 유효 길이를 의미하며, 구체적으로 가열로가 병렬 방식으로 30m가 4개 배치된 경우에는 총 가열 장치의 유효길이는 120m [=30m×4]에 해당한다. 또한, 전술한 사이클 타임은 다단 공정에 있어서 하나의 사이클이 수행되는 동안의 시간을 의미하고, 그 단위는 sec(초)를 사용한다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 스트립 소재로는, 소지강판; 및 소지 강판 상에 구비되는 도금층;을 포함하는 도금 강판을 이용할 수 있다. 즉, 스트립 소재에 급속 가열 방식의 적용 시 도금층의 충분한 합금화를 도모함과 동시에, 도금층의 용융 및 휘발 방지를 위해 알루미늄 도금 강판 또는 알루미늄 합금 도금 강판을 적용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 소지강판은 중량%로, C: 0.1~0.5%, Si: 0.1~2%, Mn: 0.5~3%, Cr: 0.01~0.5%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, B: 0.002~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가질 수 있으나, 소지강판은 이러한 조성으로 한정되지 않는다. 또한, 상기 도금층은 중량%로, Si: 5~11%, Fe: 4.5% 이하, 잔부 Al, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지도록, 용융도금 생산된 도금재를 합금화하여 사용할 수 있으나, 도금층은 이러한 조성으로 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 비제한적인 일례로서, 전술한 조성을 충족하는 알루미늄 도금 강판 혹은 알루미늄 합금 도금 강판을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 스트립 소재로는 도금층 표면부에서의 Fe 함량이 5중량% 이상, 바람직하게는 5~60중량%(보다 바람직하게는, 30~60중량%)인 알루미늄 도금 강판 또는 알루미늄 합금 도금 강판을 사용할 수 있다. 이 때, 상기 도금층의 표면부라 함은, 도금층의 표면으로부터 2㎛ 이내인 영역을 의미한다. 한편, 상기 스트립 소재로서 도금층 표면부에서의 Fe 함량이 전술한 범위를 충족하는 것을 사용함으로써, 급속 가열의 적용 시 충분한 합금화 시간을 확보한 상태로, 고온 가열이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가열 단계 이전에, 준비된 스트립 소재를 가열부에 연속적으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 스트립 소재의 공급은 코일 형태로 구비된 소재가 언코일러에 의해 폭이 일정한 스트립 소재의 형태로 가열부에 연속 공급될 수 있다. 이 때, 상기 폭이 일정한 스트립 소재라 함은, 스트립 소재의 면을 기준으로, 소재의 이송 방향과 수직인 방향으로 측정되는 스트립 소재의 폭이 일정한 것을 말한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 '연속적으로 공급'은 후속 공정을 고려하여 잠시 정지하는 순간을 제외하고, 가열부에 스트립 소재가 일정 속도로 공급되는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치로, 상기 가열된 스트립 소재를 이송하는, 스트립 소재의 이송 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가열된 스트립 소재를 상기 가공 장치로 연속적으로 이송할 수 있다. 이 때, 상기 연속적으로 이송한다는 의미는, 가열된 스트립 소재를 대상으로 이를 가공 장치로 이송한다는 점을 제외하고는, 전술한 '연속적으로 공급'에 대한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 이송 단계에서 가열된 스트립 소재의 냉각은 최소화되는 것이 바람직하므로, 상기 스트립 소재의 이송 단계는 보온 챔버 내에서 수행할 수 있다. 즉, 전술한 보온 챔버 속에서 스트립 소재를 이송함으로써, 열손실 방지 및 가공 장치에서의 용이한 가공성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 보온 챔버에 공급된 스트립 소재의 표면 온도(Ts)를 기준으로, 상기 보온 챔버는 Ts-200℃ 이상 Ts+50℃ 이하의 온도 범위 내로 유지될 수 있다. 이렇듯, 보온 챔버의 온도를 Ts-200℃ 이상으로 제어함으로써 이송 과정 중, 스트립 소재의 냉각을 최소화함과 동시에 가공 장치에서의 용이한 가공성을 확보할 수 있고, 보온 챔버의 온도를 Ts+50℃ 이하로 제어함으로써 이송 과정 중 추가적인 승온이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 한편, 전술한 용이한 가공성 및 이송 과정 중 추가적인 승온 발생 방지의 효과를 보다 향상시키고자 하는 측면에서, 상기 보온 챔버의 온도는 바람직하게는 900℃ 이상 Ts+50℃ 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 900~1,010℃ 범위일 수 있다.
이 때, 상기 보온 챔버에 공급된 스트립 소재의 표면 온도(Ts)는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 소재의 가열 온도 범위를 동일하게 적용할 수 있으므로, 본 명세서에 있어서 그 범위를 특별히 한정하지는 않는다. 다만, 비제한적인 일례로서 상기 스트립 소재의 표면 온도(Ts)는 850~960℃의 범위일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 하나의 프레스에 있어서, 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형은 서로 설계된 피치량만큼 스트립 소재의 이송방향으로 간격을 두고 장착될 수 있다. 예를 들어, 상기 노칭 금형만이(또는 블랭킹 금형만이) 포함되는 경우, 하나의 프레스에 있어서 스트립 소재의 이송방향으로 순차로 노칭 금형(또는 블랭킹 금형)이 먼저 장착되고, 이어서 노칭 금형(또는 블랭킹 금형)으로부터 설계된 피치량만큼 간격을 두고 성형 금형이 장착될 수 있다. 혹은, 상기 노칭 금형 및 블랭킹 금형이 모두 포함되는 경우, 하나의 프레스에 있어서 스트립 소재의 이송방향으로 순차로 노칭 금형, 블랭킹 금형 및 성형 금형이 장착될 수 있고, 이 때 상기 이송방향으로 서로 인접한 2개의 금형 사이에는 설계된 피치량만큼 간격을 둘 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 하나의 프레스에 있어서, 상기 성형 금형과 트리밍 금형은 서로 설계된 피치량만큼 스트립 소재의 이송방향으로 간격을 두고 장착될 수 있다. 즉, 상기 하나의 프레스에 있어서, 스트립 소재의 이송방향으로 순차로 노칭 금형(및/또는 블랭킹 금형) 및 성형 금형이 전술한 방법과 동일하게 장착되고, 또한 상기 성형 금형으로부터 설계된 피치량만큼 간격을 두고 트리밍 금형이 장착될 수 있다.
혹은, 후술하는 바와 같이, 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계가 더 포함되는 경우, 하나의 프레스에 있어서, 소재의 이송 방향으로 성형 금형과 트리밍 금형의 사이에 피어싱 금형(및/또는 플랜징 금형)을 더 장착할 수 있다. 예를 들어, 피어싱 단계를 더 포함하는 경우에는 하나의 프레스에 있어서, 소재의 이송 방향으로 순차로 노칭 금형(및/또는 블랭킹 금형), 성형 금형, 피어싱 금형 및 트리밍 금형이 장착될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 피어싱 단계 및 플랜징 단계 외에도, 발명의 목적에 따라 당해 기술분야에서 통상적으로 적용 가능한 추가의 가공 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 전술한 추가의 가공 단계에 상응하도록 추가의 가공 금형이 목적에 맞게 상기 하나의 프레스에 장착될 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 프레스에 있어서, 스트립 소재의 이송방향으로 서로 인접하는 2개의 금형의 사이에는 설계된 피치량만큼 간격을 두고, 각 금형이 배치될 수 있다. 예를 들어, 피어싱 단계가 더 포함되는 경우, 하나의 프레스에 있어서, 성형 금형으로부터 설계된 피치량만큼 간격을 두고 피어싱 금형이 장착되고, 상기 피어싱 금형으로부터 설계된 피치량만큼 간격을 두고 트리밍 금형이 장착될 수 있다.
혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 후술하는 바와 같이, 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계와; 성형 단계와; 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계와(다만, 피어싱 단계 및 플랜징 단계는 생략 가능함); 트리밍 단계 중 하나 이상의 단계가 2단계 이상의 다단 공정으로 나누어서 수행되는 경우, 상기 다단 공정으로 나누어서 수행되는 단계를 위해 구비되는 다수의 금형은 하나의 프레스에 있어서 스트립 소재의 이송방향으로 서로 설계된 피치량만큼 간격을 두고 각 금형이 장착될 수 있다. 이 때, 하나의 프레스에 있어서, 상기 다단 공정으로 수행되는 단계의 1번째 금형은 직전 단계의 금형과 스트립 소재의 이송방향으로 설계된 피치량만큼 간격을 두고 장착될 수 있다. 또한, 상기 다단 공정으로 수행되는 단계의 마지막 금형은 직후 단계의 금형과 스트립 소재의 이송방향으로 설계된 피치량만큼 간격을 두고 장착될 수 있다.
예를 들어, 상기 성형 단계가 2단계의 다단 공정으로 수행되는 경우, 하나의 프레스에 있어서, 1차 성형 금형 및 2차 성형 금형이 스트립 소재의 이송방향으로 설계된 피치량만큼 간격을 두고 장착될 수 있다. 이 때, 1차 성형 금형은 직전 단계인 노칭 금형(노칭 단계가 포함되는 경우)과 스트립 소재의 이송방향으로 설계된 피치량만큼 간격을 두고 하나의 프레스에 장착될 수 있다. 또한, 다단 공정으로 수행되는 성형 단계의 마지막 금형인 2차 성형 금형은, 직후 단계에서 사용되는 피어싱 금형(피어싱 단계가 포함되는 경우)과 스트립 소재의 이송방향으로 설계된 피치량만큼 간격을 두고 하나의 프레스에 장착될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다수의 금형에 대하여, 스트립 소재의 이송방향으로 서로 인접한 2개의 금형 사이에 설계된 각 피치량은 모두 동일할 수 있다. 한편, 도 1에 스트립 소재의 이송방향(X)을 도시하였고, 상기 이송방향(X)으로 서로 인접한 2개의 금형 사이의 설계된 피치량(50)을 도시하였다. 상기 설계된 피치량은 서로 인접한 2개 금형에 대하여, 각 금형의 중앙(소재의 이송방향을 따른 하나의 금형길이의 1/2이 되는 지점)을 기준으로 측정한 금형 사이의 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 프레스에 장착된 다수의 금형은 하나의 프레스에 의한 프레스 운동에 모두 연동되어 움직일 수 있다. 즉, 하나의 프레스에 장착된 각 금형에 대한 상형과 하형의 합형은 전술한 하나의 프레스에 의한 프레스 운동에 연동되어 이루어질 수 있다. 즉, 프레스 슬라이드가 하강하면서 프레스 하사점에 머물 때에 프레스에 장착된 각 금형의 합형이 이루어질 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 소재의 이송방향으로 서로 인접한 2개의 금형에 대하여 설계된 피치량이 모두 동일하도록 제어함으로써, 본 발명의 일례에 해당하는 프로그래시브 방식에 의해 소재의 가공이 수행될 때 각 금형 사이의 소재의 이송을 일관되게 제어할 수 있다. 이를 통해, 생산성 및 가공성의 향상을 확보함과 동시에, 용이하게 다단 공정을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 하나의 프레스의 프레스 운동에 따른 프레스 상부 판(프레스 슬라이드)과 프레스 하부 판(프레스 볼스터)의 클로징이 1번 수행된 이후마다, 상기 설계된 피치량만큼 소재의 이송방향으로 소재가 이송될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립에 웹부로 연결된 형태의 노칭된 소재를 얻는 노칭 단계; 및 상기 블랭킹 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계; 중 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.
상기 노칭 단계 또는 블랭킹 단계에 있어서, 각 금형의 상형과 하형이 합형함으로써, 소재에서 불필요한 부위를 예비적으로 제거하여 원하는 형상으로 가공할 수 있다. 이 때, 상기 노칭 단계를 통해 얻어지는 원하는 형상으로 가공된 소재는 스트립에 웹부로 연결된 형태의 노칭된 소재일 수 있다. 또한, 상기 블랭킹 단계를 통해 얻어지는 원하는 형상으로 가공된 소재는 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크(blank) 소재일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계에서 가열된 금형을 이용할 수 있고, 특별히 한정하는 것은 아니나, 상기 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형의 초기 온도는 50℃ 이상일 수 있다. 한편, 금형의 온도가 높을수록 냉각 억제의 효과가 우수하므로, 상기 금형의 초기 온도에 대한 상한은 별도로 한정하지 않을 수 있다. 다만, 바람직하게는 상기 금형의 초기 온도 상한은 스트립 소재의 가열 온도 이하일 수 있다. 즉, 노칭 단계에서 가열된 노칭 금형을 이용하거나, 및/또는 블랭킹 단계에서 가열된 블랭킹 금형을 이용할 수 있다. 일반적으로 노칭 단계 및 블랭킹 단계에 있어서 소재의 가공을 위해서는 금형의 상형과 하형이 서로 접촉하는 것이 필수이다. 따라서, 노칭 단계와 블랭킹 단계에서 가열된 금형을 사용함으로써, 고온으로 가열된 스트립 소재가 차가운 금형과 접촉하는 것을 방지하여 소재의 급냉을 억제함과 동시에 후속 공정에서의 용이한 성형성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스트립 소재의 냉각 억제를 위해, 상기 노칭 금형의 초기 온도 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 초기 온도는 400℃ 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 500℃ 이상일 수 있다. 상기 금형의 초기 온도란 소재가 금형에 투입되는 시점에서의 금형의 초기 온도를 의미한다. 한편, 금형의 온도가 높을수록 냉각 억제의 효과가 우수하므로, 상기 금형의 초기 온도에 대한 상한은 별도로 한정하지 않을 수 있다. 다만, 바람직하게는 상기 금형의 초기 온도 상한은 스트립 소재의 가열 온도 이하일 수 있다. 이렇듯, 금형의 초기 온도를 400℃ 이상으로 제어함으로써, 후속 공정인 성형 단계에서의 용이한 성형성을 확보할 수 있다. 또한, 노칭 및 블랭킹 금형의 초기 온도를 스트립 소재의 가열 온도 이하로 제어함으로써, 노칭 및 블랭킹 시 접촉으로 인한 추가적인 승온을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계 직후의 소재의 표면 온도는 700℃ 이상으로 제어할 수 있고, 보다 바람직하게는 712℃ 이상으로 제어할 수 있다. 한편, 상기 표면 온도의 상한은 별도로 한정하지 않으나, 바람직하게는 스트립 소재의 가열 온도 이하일 수 있다. 이 때, 상기 소재의 표면 온도는 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계 직후에 금형과 소재의 접촉이 끝나는 시점을 기준으로 측정한 값이다. 한편, 상기 소재의 표면 온도가 전술한 범위를 충족함으로써 후속 공정에서의 우수한 성형성 및 추가 승온 방지를 동시에 도모할 수 있다.
한편, 도 11 및 13에서 볼 수 있듯이, 일반적은 프로그래시브 방식의 경우, 가공 장치(41)에 이송된 스트립 소재(200)는 통상 소재의 이송 높이 수준(110a)으로 유지되다가 노칭 상형(61a)과 접촉이 발생하면서, 노칭 상형(61a)과 접촉한 상태로 상형(61a)의 움직임에 따라 하강한다. 이렇듯 노칭 상형(61a)과 접촉된 상태로 스트립 소재(200)가 하강하다가, 슬라이드의 하사점 부근(110b)에서 노칭 하형(61b)과도 접촉하면서 스트립 소재(200)의 일부가 절단됨으로써 노칭된다. 이어서, 다시 노칭된 소재는 원래의 이송 높이 수준까지 노칭 상형(61a)과 접촉하면서 상승한다.
이와 같은 사항을 반영한 예시적 실험 결과인 도 4를 살펴보면, 노칭 상형의 접촉이 시작되는 구간에서 소재의 온도가 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이에, 본 발명자들은 스트립 소재가 절단되는 시점에서만 금형과 접촉하게 된다면 스트립 소재가 금형의 상형과 접촉하는 시간을 최소화하여 냉각을 감소시킬 수 있음을 추가로 발견하였다. 또한, 도면에 별도로 표시하지는 않았으나 전술한 노칭 단계와 동일한 방법으로, 상기 블랭킹 단계에 있어서도, 소재가 블랭킹 금형의 상형과 접촉하는 시간을 최소화함으로써 냉각을 감소시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계에 있어서, 가공 장치에 투입된 스트립 소재는 소재의 이송 높이 수준에서부터 금형의 상형과 접촉하지 않은 상태로 프레스 하사점까지 하강하다가, 절단 공정에서만 스트립 소재가 금형의 상형(또는 상형면) 및 하형(또는 하형면)과 접촉하도록 제어될 수 있다.
예를 들어, 상기 노칭 단계 또는 블랭킹 단계를 포함하는 경우, 상기 노칭 단계(또는, 블랭킹 단계)에 있어서, 가공 장치에 투입된 스트립 소재는 소재의 이송 높이 수준에서부터 상기 노칭 상형(또는, 블랭킹 상형)과 접촉하지 않은 상태로 프레스 하사점까지 하강하다가, 절단 공정에서만 스트립 소재가 노칭 상형 및 노칭 하형(또는, 블랭킹 상형 및 블랭킹 하형)과 접촉하도록 제어될 수 있다.
혹은, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계를 모두 포함하는 경우에는, 노칭 단계는 전술한 방법과 동일하게 수행되고, 이어서 블랭킹 단계는 노칭된 소재를 전제로 한다는 점을 제외하고 전술한 방법과 동일하게 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계(또는, 블랭킹 단계)에 있어서, 스트립 소재의 절단 공정 이후의 상승 시에는 전술한 하강 시와 마찬가지로, 노칭(또는, 블랭킹) 상형과 접촉하지 않은 상태로 스트립 소재가 노칭(또는, 블랭킹) 하형으로부터 분리되어 스트립 소재의 이송 높이 수준까지 상승될 수 있다. 이렇듯, 노칭 단계(또는, 블랭킹 단계)에 있어서 스트립 소재의 절단 시점에서만 노칭(또는, 블랭킹) 상형과 노칭(또는, 블랭킹) 하형을 스트립 소재에 접촉되도록 제어함으로써, 노칭 단계(또는, 블랭킹 단계)에서의 과도한 냉각을 억제할 수 있고, 이로 인해 후속하는 성형 단계에서의 용이한 성형성을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명의 예시적인 다단 공정용 열간 프레스 성형 장치를 나타낸 도 1에 있어서, 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중, 노칭 금형만을 포함하는 경우에는 노칭 상형(61a) 및 노칭 하형(61b)을 나타내고, 블랭킹 금형만을 포함하는 경우에는 블랭킹 상형(61a) 및 블랭킹 하형(61b)를 나타낸다. 다만, 노칭 금형 및 블랭킹 금형을 모두 포함하는 경우의 도면은 생략하였다.
전술한 노칭 단계 및 블랭킹 단계에 있어서, 절단 공정에서만 스트립 소재가 금형의 상형 및 하형과 접촉하는 방법으로는 다양한 방법이 있을 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 노칭 상형(또는, 블랭킹 상형)의 스트립 소재와 접하는 측의 면 상에 돌출된 구조물로서 스프링에 의해 작동되는 푸쉬 바(push bar)(11)를 구비할 수 있다. 이 때, 상기 푸쉬 바는 후속 공정 중에 소재에서 제거되는 부분에 대응하도록 노칭 상형(또는, 블랭킹 상형)의 스트립 소재와 접하는 측의 면 상에 위치할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 푸쉬 바(11)는 소재(200) 중에 후속 공정에서 제거되는 부분에 접촉하도록 소재(200)를 눌러주면서 노칭 상형(또는, 블랭킹 상형)을 하강 및 상승할 수 있다. 이를 통해, 프레스의 하강 및 상승 시, 노칭 상형(또는, 블랭킹 상형)의 스트립 소재와 접하는 측의 면 중에 있어서 상기 푸쉬 바가 구비되는 이외의 영역에서는 스트립 소재와 접촉하지 않도록 제어될 수 있다. 일례로, 상기 스트립 소재에 대해 후속하는 공정 중에 스트립 소재에서 제거되는 부분은 스트립의 이송을 위해 스트립을 가이드하고 있는 가이드바 또는 가이드핀 등이 해당될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명자들은 가공 장치의 프레스 운동 시, 프레스 하사점 부근에서 머무는 시간(즉, 프레스의 하사점 부근에서 유지 시간)이 길어짐에 따라 금형의 상형과 하형이 클로징(closing)하는 시간이 증가하게 되고, 이에 따라 소재의 냉각 속도도 빨라질 수 있음을 추가로 발견하였다.
도 3에는 본 발명의 예시적인 기계식 프레스 운동의 작동 방식에 대하여 크랭크 각(crank angle)에 따른 슬라이드의 스트로크(stroke)를 나타내었다. 도 3(a)는 일반적인 크랭크 모션(crank motion) 방식에 해당하고, 도 3(b)는 링크(link), 너클(knuckle), 서보(servo) 등 다른 모션 방식에 해당한다. 전술한 방식의 차이에 따라 슬라이드가 하사점 부근에서의 유지 시간에 차이가 있음을 확인할 수 있고, 상기 도 3(b)의 모션 방식의 경우, 상기 도 3(a)의 모션 방식보다, 하사점 부근에서의 유지 시간의 비율이 보다 높다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가공 장치의 프레스 운동은 링크 모션 방식, 너클 모션 방식 및 서보 모션 방식으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방식으로 수행될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가공 장치의 프레스 운동은 한 스트로크 내 하사점 부근에서 유지 시간의 비율이 4~30%일 수 있고, 보다 바람직하게는 10~30%일 수 있다. 이 때, 상기 하사점 부근에서 유지 시간의 비율이라 함은, 프레스 하사점으로부터 상부방향으로 1mm인 지점까지 프레스가 머무는 시간의 비율을 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유지 시간의 비율이 4% 이상이면, 냉각을 위한 최소한의 금형 접촉 시간을 확보함으로써 물성 확보를 위한 공정 수의 증가를 방지할 수 있다. 또한, 이를 통해 최종 부품 추출 시간의 증가를 방지하여 임계 냉각 속도를 확보하여 목적하는 물성을 용이하게 확보할 수 있다. 또한, 상기 유지 시간의 비율이 30% 이하이면, 불필요한 하사점 부근에서의 유지 시간을 감소시킴으로써 프레스 슬라이드의 상하 운동 및 스트립의 이송을 위한 공정 시간을 충분히 확보하여 안정적인 공정 확보가 가능해진다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계는 1단계로 수행될 수도 있고, 2 이상의 단계로 나누어서 다단 공정으로 수행될 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계를 거친 소재를 이송하여 상기 성형 금형 부근에 위치시킨 후, 상기 성형 금형을 이용하여(즉, 성형 금형의 상형과 하형을 합형함으로써) 상기 소재를 성형하는, 성형 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성형 단계는 1단계로 수행될 수도 있고, 2 이상의 단계로 나누어서 다단 공정으로 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 특별히 한정되는 것은 아니나, 전술한 성형 단계에서, 언더컷 형상이 형성되도록 성형 단계가 2단계 이상의 다단 공정으로 수행될 수 있다(언더컷 형상에 대해서는 후술한 내용이 동일하게 적용된다).
본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 성형 단계가 2 단계 이상의 다단 공정으로 수행되는 경우로서, 어느 하나의 성형 단계에서의 소재에 대한 성형 방향과, 다른 하나의 성형 단계에서의 소재에 대한 성형 방향이 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 1차 성형 단계에서의 소재에 대한 성형 방향과, 1차 성형 단계 이후의 언더컷 형상을 형성하는 추가의 성형 단계에서의 소재에 대한 성형 방향이 서로 상이할 수 있다. 이 때, 서로 성형 방향이 상이하다는 것은 평행이 아닌 것을 말한다.
본 발명의 비제한적인 일례로는 1차 성형 단계에서 소재의 면을 기준으로 수직인 성형 방향으로 버링부를 먼저 형성한 후, 1차 이후의 성형 단계(예를 들어, 2차 성형 단계)에서 소재에 대한 굽힘 가공을 실시할 수 있다. 이 때, 상기 굽힘 가공은 1차 성형 단계에서의 전술한 성형 방향과 90°이하가 되도록 수행됨으로써, 1차 성형 단계에서의 성형 방향과 2차 이후의 성형 단계에서의 성형 방향이 서로 상이할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 측면에 따르면, 단 한번의 굽힘 가공을 하고 나면, 버링부는 추가적인 금형 접촉에 의한 냉각을 수행할 수 없으므로, 성형 단계에서의 버링부 형성 시 충분히 냉각을 행한 후에 굽힘 가공을 수행하도록 공정 설계를 할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 1차 성형 단계에서 소재에 가공을 행하여 버링부 등의 성형 부위를 형성하고, 1차 이후의 성형 단계에서 소재에 대한 굽힘 가공을 실시하여, 소재에 후술하는 굴곡부(즉, 평면부와 측면부가 연결되어 형성되는 부분)를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 비제한적인 또 다른 예로는, 1차 성형 단계에서 성형 금형을 이용하여 소재의 면을 기준으로, 제1 면 방향(S)을 갖는 평면부(A) 및 상기 제1 면 방향과 상이한 제2 면 방향(P)을 갖는 측면부(B)를 포함하도록 소재를 성형할 수 있다. 이어서, 1차 이후의 성형 단계(예를 들어, 2차 성형 단계)에서, 상기 측면부에 압력을 가하여 상기 제1 면 방향(S)과 제2 면 방향(P)이 이루는 각도(D)가 90° 이내인 부위를 포함하도록 성형될 수 있다.
본 발명의 일 측면 따르면, 전술한 서로 성형 방향이 상이한 2 단계 이상의 공정으로 수행되는 성형 단계를 포함함으로써, 후술하는 언더컷 형상을 갖는 열간 프레스 성형 부재를 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따른 2단계 이상의 다단 공정으로 수행되는 성형 단계를 포함함으로써, 성형 단계가 단일 공정으로 수행되는 종래 기술로는 제조할 수 없었던 언더컷 형상을 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 최종 제품으로서 전술한 언더컷 형상을 포함하더라도, 열간 프레스 성형법을 적용하여 전체의 인장강도가 1,300MPa 이상인 성형 부재를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 또는 블랭킹 단계를 포함하는 경우, 노칭 금형 또는 블랭킹 금형으로부터 성형 금형 부근으로 이송할 때, 노칭 금형(또는 블랭킹 금형)으로부터 성형 금형 사이의 설계된 피치량과 상응하도록, 노칭된 소재(또는 블랭킹 소재)를 설계된 피치량만큼 이송하여 성형 금형 부근에 위치시킬 수 있다. 이 때, 상기 성형 금형 부근은 성형 상형과 성형 하형 사이의 성형이 수행되는 공간을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성형 단계 이후에, 성형된 소재에서 홀부 등의 불필요한 부위를 제거하는 피어싱 단계 및 성형된 소재에서 플랜지부를 형성하는 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계는 전술한 성형 단계와 후술하는 트리밍 단계의 사이에 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 피어싱 단계에 있어서, 상기 성형된 소재를 이송하여 상기 피어싱 금형 부근에 위치시킨 후, 상기 피어싱 금형을 이용하여(즉, 피어싱 금형의 상형과 하형을 합형함으로써) 성형된 소재에서 홀부 등의 불필요한 부위를 제거할 수 있다. 이 때, 상기 피어싱 금형 부근은 피어싱 상형과 피어싱 하형 사이의 피어싱이 수행되는 공간을 의미할 수 있다.
또한, 상기 플랜징 단계에 있어서, 상기 성형된 소재를(혹은, 피어싱 단계 및 플랜징 단계를 모두 포함하는 경우로서, 피어싱 단계-플랜징 단계가 순차로 수행되는 경우에는 '피어싱된 소재'를 의미함) 이송하여 상기 플랜징 금형 부근에 위치시킨 후, 상기 플랜징 금형을 이용하여(즉, 플랜징 금형의 상형과 하형을 합형함으로써) 피어싱된 소재에서 플랜지부를 형성하도록 가공할 수 있다. 이 때, 상기 플랜징 금형 부근은 플랜징 상형과 플랜징 하형 사이의 플랜징이 수행되는 공간을 의미할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 피어싱 단계 및 플랜징 단계가 모두 포함되는 경우에는, 피어싱 단계 및 플랜징 단계의 순서는 별도로 한정되지 않는다. 즉, 성형 단계와 트리밍 단계의 사이에 수행되기만 하면 되고, 피어싱-플랜징이 순차로 수행되거나, 혹은 플랜징-피어싱이 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 성형 금형 부근으로부터 피어싱 금형(또는 플랜징 금형) 부근으로 소재를 이송할 때, 성형 금형과 피어싱 금형(또는 플랜징 금형)의 사이에 설계된 피치량과 상응하도록, 상기 성형된 소재를 설계된 피치량만큼 이송하여 상기 피어싱 금형(또는 플랜징 금형) 부근에 위치시킬 수 있다. 한편, 피어싱 단계 및 플랜징 단계가 모두 포함되는 경우로서 피어싱 금형으로부터 플랜징 금형으로 소재를 이송할 때에도 전술한 방법과 동일한 방법으로 소재를 이송시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계는 1단계로 수행될 수도 있고, 2 이상의 단계로 나누어서 다단 공정으로 수행될 수도 있다. 혹은, 필요에 따라 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계를 생략할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 트리밍 금형을 이용하여 최종 제품 형상에서 불필요한 소재의 외곽부를 제거하는 트리밍 단계를 포함할 수 있다. 이러한 트리밍 단계를 통해 최종의 원하는 제품 형상을 갖는 소재를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 트리밍 단계에 있어서, 성형된 소재(단, 전술한 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계를 더 포함하는 경우에는 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계를 거친 소재를 의미함)를 이송하여 상기 트리밍 금형 부근에 위치시킨 후, 트리밍 금형을 이용하여 상기 소재에서 불필요한 외곽부를 제거함으로써, 최종 제품 형상의 소재를 제조할 수 있다. 이 때, 상기 트리밍 단계는 트리밍 금형 부근(트리밍 상형과 트리밍 하형 사이의 트리밍이 이루어지는 공간)에 이송된 소재에 대하여, 트리밍 금형의 상형과 하형을 합형함으로써 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 성형 단계에서부터 트리밍 단계까지 소재의 이송 시에는, 소재의 이송방향으로 서로 인접한 2개의 금형에 대한 설계된 피치량에 상응하도록, 소재를 설계된 피치량만큼 이송 전 단계(이전 단계)의 금형으로부터 이송 후 단계(다음 단계)의 금형 부근으로 이송시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 트리밍 단계는 1단계로 수행될 수도 있고, 2 이상의 단계로 나누어서 다단 공정으로 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계; 성형 단계; 트리밍 단계(전술한 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계를 더 포함하는 경우에는 상기 단계도 포함); 중 하나 이상은, 2 이상의 단계로 나누어서 다단 공정으로 수행될 수 있다. 이렇듯, 각 공정을 다단 공정으로 수행함으로써, 각 공정을 단일 공정으로 수행하는 경우보다 성형성이 보다 개선될 수 있을 뿐만 아니라, 각 공정에서의 두께감소율을 감소시킴으로써 최종 제품에서의 크랙 발생 방지의 효과가 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 트리밍된 최종 형상의 제품을 상온까지 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계; 성형 단계; 트리밍 단계(전술한 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계를 더 포함하는 경우에는 상기 단계도 포함); 중 하나 이상은, 금형의 냉각 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 성형 단계가 2 이상의 단계로 나누어서 다단 공정으로 수행되는 경우, 2차 성형 단계에서 2차 성형 금형을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 통상적인 열간 프레스 성형 방법은 한번의 공정으로 성형이 완료되고, 성형의 직후에 동일 금형 속에서 일정시간 유지되면서 소재가 급냉되어 강도를 확보하게 된다. 반면, 본 발명의 기술은 노칭, 블랭킹, 성형, 피어싱, 플랜징, 및/또는 트리밍 등의 여러 단의 공정을 거쳐 냉각이 실시된다.
이에, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 다단 공정을 통해 소재의 물성 확보 가능 여부에 대하여 예의 검토한 결과, 본 발명자들은 소재의 물성 확보 가능 여부를 판단할 수 있는 소재의 냉각 속도는 프레스 속도인 SPM, 최종 제품이 취출되기까지의 공정 수, 한 공정 내에서 상형 및 하형을 클로징하기 위해 하사점 부근에 머무르는 유지 시간 및 슬라이드 스트로크의 관계식 등이 좌우할 수 있음을 추가로 발견하였다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 관계식 1에 의해 구해지는 최소 공정 수 이상으로 다단 공정을 수행할 수 있다. 이를 통해, 원하는 물성을 갖는 제품을 얻을 수 있다.
[관계식 1]
N = ROUNDUP { T / [(60/SPM)×(f/100) ] }
(상기 관계식 1에서, N은 노칭 공정 및 블랭킹 공정을 제외한 성형 단계에서부터 최소 필요 공정 수를 나타내고,
SPM은 프레스의 분당 스트로크수(stroke per minute; SPM)를 나타내고,
f는 한 스트로크 내 하사점 부근의 유지 시간 비율(%)을 나타내고,
T는 0.8≤t<1.5이면, 하기 관계식 2로부터 계산되는 값을 나타내고, 1.5≤t이면, 하기 관계식 3으로부터 계산되는 값을 나타내고,
ROUNDUP은 {}내의 계산 값에 대해 소수점 이하의 수를 올림한 값을 나타낸다.)
[관계식 2]
T = t
[관계식 3]
T = 5×t-6
(상기 관계식 2 및 3에서, t는 소재의 두께로 단위는 ㎜이다.)
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 f는 0.8≤t<1.5를 충족하면, 하기 관계식 4를 충족하고, 1.5≤t를 충족하면 하기 관계식 5를 충족할 수 있다.
[관계식 4]
0.8×t + 2.6 ≤f
[관계식 5]
4.4×t - 2.8 ≤ f
(상기 관계식 4 및 5에서, t는 소재의 두께로 단위는 ㎜이다.)
본 발명의 일 측면에 따르면, 소재의 두께가 두꺼워질수록, 냉각이 용이하지 않게 되므로 금형과의 접촉 시간이 더 길어질 필요가 있다. 따라서, 소재의 두께가 커질수록 하사점에서의 유지 비율이 큰 프레스 모션을 선택할 수 있다.
혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 금형과의 접촉 시간은 공정 수를 늘리는 방안으로 접근 가능하지만, 한 공정 내에서 금형 접촉이 적은 상태에서 너무 많은 공정 수는 공냉 시간이 증가함에 따라 다른 상이 생기 여지가 증가한다. 따라서, 가장 바람직하게는 프레스 슬라이드가 한 공정 내에서 하사점 부근에 머무르는 유지 시간 비율이 증가하는 것이 필요하다. 또한, 금형과의 접촉 시간은 슬라이드가 하사점 부근에서 머무르는 유지 시간 비율뿐만 아니라, 한 공정의 소요시간, 즉 프레스 운동 속도(SPM)도 영향을 미친다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 관계식 1로부터 계산된 최소 공정수 이상으로 다단 공정을 실시하고, 상기 관계식 4 및 5에서 표현된 소재 두께에 따른 최소 f값을 확보함으로써, 원하는 강도가 확보된 최종 제품을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 노칭 단계 및 블랭킹 단계에서는 소재의 냉각을 억제하는 한편, 노칭 단계 및 블랭킹 단계 이후의 다단 공정(즉, 성형 단계부터)에서는 냉각을 촉진하여 최종 제품에서 Ms 이하의 온도를 확보하는 것이 필요하다. 따라서, 빠른 냉각을 위해 금형과의 접촉 시간이 증대할 필요가 있고, 이를 위해서는 다음과 같은 방식을 활용할 수 있다.
통상적인 프로그래시브 방식에서는 프레스 상형의 상승과 연동하여 스트립 소재의 위치가 상승하고, 다음 단계로의 이송을 위해 대기하고 있게 된다. 그러나, 이런 경우에는 프레스 슬라이드가 하사점 부근에 머무르는 동안에만 성형품(또는 소재)이 금형의 상형 및 하형과 접촉하여 냉각되고, 프레스 슬라이드가 상승함에 따라 성형품도 상승하여 금형의 상형 및 하형과 떨어지게 되므로 공냉 수준으로만 냉각된다.
이에, 본 발명자들은 다단 공정의 바람직한 실시형태에 대하여 예의 검토한 결과, 슬라이드 상부 판(프레스 슬라이드)이 상승하는 동안은 스트립 소재가 이송되지 않으므로, 도 15~17과 같이, 프레스 슬라이드가 프레스 하사점으로부터 일정 높이 수준까지 상승하여 스트립 소재가 이송 단계가 되기 전까지는 소재(혹은, 성형품)를 프레스 하사점 부근에 머무르게 할 수 있다. 이렇게 프레스 슬라이드가 상승 시에는 소재를 프레스 하사점 부근에 머무르게 하고 있다가, 프레스 슬라이드의 위치 정보를 활용하여, 스트립의 이송 단계가 되는 시점의 직전에 소재를 상승시키는 방법을 적용할 경우, 보다 빠른 냉각을 확보할 수 있음을 추가로 발견하였다.
도 15~17에 본 발명의 예시적인 가공 장치(41)의 프레스 운동을 나타내었다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 도 15에 나타낸 바와 같이, 프레스 슬라이드(6a)는 가공 장치(41)에 소재가 투입되면 프레스 하사점(120b)까지 하강하여 소재를 가공한다. 다음으로, 도 16에 나타낸 바와 같이, 프레스 슬라이드(6a)의 상승 중에 소재는 프레스 하사점 부근(120b)에서 머무르고 있다. 마지막으로, 도 17에 나타낸 바와 같이, 프레스 슬라이드의 위치 정보를 활용함으로써, 프레스 슬라이드가 상승하여 소재의 이송에 방해가 되지 않는 지점(120a)까지 도달하면, 프레스 하사점 부근(120b)에 위치한 소재를 상승시키는 방법을 적용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 소재를 상승시키는 방법은 도 17에 도시하였고, 구체적으로 프레스 슬라이드(6a)가 상승하다가 소재의 이송에 방해가 되지 않는 지점(120a)까지 도달하면, 각 단계에서 사용되는 금형의 하형(61b, 62b, 63b, 64b)과 소재가 떨어지도록 제어하는 실린더 형태의 소재 위치 제어부(600)에 의해 소재를 프레스 하사점 부근으로부터 이송 지점(120a)까지 상승시킬 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 소재 위치 제어부(600)는 프레스 하부 판(즉, 프레스 볼스터) 상의 금형이 구비되는 측의 면 상에 구비될 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 소재 위치 제어부(600)는 하나의 금형(즉, 하형; 61b, 62b, 63b, 64b 중 어느 하나)에 대하여 소재의 이송방향으로 양단에 구비될 수 있다. 혹은, 도 17에 도시한 바와 같이, 서로 인접하는 2개의 금형 사이에는 하나의 소재 위치 제어부(600)가 구비될 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 성형 단계가 2 이상의 다단공정으로 수행되는 경우, 성형되는 부위가 과도하게 냉각되어 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 상기 성형 단계는, 1차 성형 단계에서 사용되는 1차 성형 금형 이외의 추가의 성형 금형에 대하여 하나 이상의 성형 금형을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계와, 및/또는 트리밍 단계는 가공 부위의 과도한 냉각으로 인한 크랙 발생을 방지하기 위하여, 각 단계에서 하나 이상의 금형을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 프로그래시브 방식에 따른 다단 공정을 통과한 후의 소재의 3차원적 입체 구조를 도 12(a)에 나타내었다. 구체적으로, 제1 공정으로서 노칭 단계를 통과한 이후의 노칭된 소재(210)는 스트립에 웹부(300)로 연결된 형상을 가진다. 이어서, 제2 공정으로서 성형 단계를 통과한 이후의 성형된 소재(220)는 3차원적인 입체 구조를 형성한다. 이 때, 3차원적 입체구조의 측면도를 도 12(b)에 나타내었다. 또한, 제3 공정으로서 피어싱 단계를 통과한 이후의 피어싱된 소재(230)의 형상을 나타내었고, 소재에서 불필요한 홀부가 제거된다. 또한, 제4 공정으로서 트리밍 단계를 통과한 이후의 트리밍된 소재(240)의 형상을 나타내었고, 트리밍 단계를 수행함으로써 불필요한 외곽부(400)가 제거된다. 전술한 모든 공정이 수행됨으로써, 가공 장치에서 취출된 최종 제품(도 11의 250)을 얻을 수 있다.
또한, 도면에 별도로 표시하지는 않았으나, 후술하는 트랜스퍼 방식에 따른 스트립으로부터 분리된 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계를 포함하는 경우에는, 전술한 도 12에서 스트립 웹부를 포함하지 않도록 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크(blank)를 형성한 후, 후속 공정을 거친다는 점을 제외하고는 동일한 방식으로 소재가 가공될 수 있다. 이 때, 소재의 형상은 당해 기술분야에서 통상적인 방법을 사용한 경우와 동일하게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 프로그래시브 방식의 경우, 전술한 웹(web)부(300)에 소재 가이드부를 형성하여 이를 작동시킴으로써 소재를 이송하게 된다. 스트립 웹부(300)는 실제 성형이 되지 않는 부위로서 트리밍 단계에서 최종 제품 형상에서 제거되는 부위이다. 따라서, 상기 웹부(300)는 가공 과정에서 낮은 온도로 가열하거나, 노칭 단계에서 가공되는 소재의 부위보다 빠르게 냉각하여 원활한 소재의 이송을 도모할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계에 있어서, 소재의 웹부에 대한 냉각을 소재의 성형 부위보다 빠르게 수행할 수 있다.
혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 노칭 단계에 있어서, 소재의 웹부는 제품이 소재의 성형 부위보다 낮은 온도로 제어할 수 있다. 이렇듯, 소재의 웹부를 다른 부위에 비해 낮은 온도로 제어하기 위하여, 노칭 금형에 있어서 소재의 웹부에 대응하는 금형의 일부분만을 다른 부분에 비해 낮은 온도로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 다단 공정용 열간 프레스 성형 방법은, 스트립 소재를 급속 가열하여 균일한 가열을 도모함과 동시에, 고온의 스트립 소재에 대한 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계에서는 금형과의 접촉 시간을 최소화시켜 온도 하강을 최소화하는 것이 요구된다. 반면, 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계 이후의 성형 단계, 피어싱 단계, 플랜징 단계, 트리밍 단계 등에서는(단, 피어싱 단계 및 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계는 생략 가능) 소재의 금형과의 접촉 시간을 최대화시켜 빠른 냉각을 확보하는 것이 요구된다. 이와 같이, 상반되는 요구 사항은 프로그래시브 방식으로 최종 단계까지 실시될 경우, 노칭 단계와 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계와, 성형 단계, 피어싱 단계, 플랜징 단계, 트리밍 단계에서 모두 동일한 이송 시점으로 진행되기 때문에 서로 다른 목표를 달성하기가 용이하지 않다.
이에, 본 발명자들은 예의 검토한 결과, 각 단계에 있어서 전술한 상반되는 요구 사항을 만족하기 위해서는 가열 단계, 노칭 단계, 및 블랭킹 단계에서는 프로그래시브 방식을 이용하면 유리한 점이 많다는 측면과, 성형 단계, 피어싱 단계, 플랜징 단계 및 트리밍 단계에서는 트랜스퍼 방식을 이용하면 금형과의 접촉을 보다 길게 제어할 수 있다는 측면을 추가로 발견하였다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가열 단계, 노칭 단계, 블랭킹 단계는 프로그래시브 방식으로 실시되고, 성형 단계, 피어싱 단계, 플랜징 단계 및 트리밍 단계는 트랜스퍼 방식으로 실시되는 복합 방식을 적용됨으로써, 물성 확보에 보다 유리함을 확인하였다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다단 공정용 열간 프레스 성형 방법은, 상기 블랭킹 금형을 이용하여 상기 가공 장치로 투입된 가열된 스트립 소재의 일부를 절단함으로써 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계를 포함하고, 하나의 프레스에 있어서 소재의 이송방향으로 서로 인접한 2개의 금형을 기준으로, 이송 전 단계(이전 단계)의 금형으로부터 이송 후 단계(다음 단계)의 금형 부근으로 소재를 이송 시에는, 집게 형상의 이송 수단을 이용하는 트랜스퍼 방식을 적용할 수 있다.
예를 들어, 블랭킹 단계로부터 성형 단계로 소재를 이송할 때 및 성형 단계로부터 다음 단계(피어싱 단계, 플랜징 단계 혹은 트리밍 단계)로 소재를 이송할 때에는 집게 형상의 이송 수단을 이용하여, 이전 단계의 금형 부근에 위치한 소재를 다음 단계의 금형 부근으로 이송시킬 수 있다.
[다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치]
본 발명의 또 다른 일 측면은,
스트립 소재를 연속적으로 공급하는 공급부;
공급된 스트립 소재를 가열하는 가열부;
하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치를 포함하는 가공부; 및
상기 가열부에서 가열된 스트립 소재를 상기 가공부로 이송하는 이송부;
를 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치를 제공한다.
한편, 상기 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치에 대해서는, 전술한 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법에 대한 설명이 동일하게 적용할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 예시적인 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치에 대한 구조를 도 1에 나타내었고, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치(100)는 공급부(1); 가열부(2); 이송부(3); 및 가공부(4)를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 공급부(1)는, 스트립 소재(200)를 연속적으로 공급한다. 이 때, 공급부(1)는 코일 형태로 구비된 소재(10)가 언코일러에 의해 폭이 일정한 스트립 소재의 형태로 가열부(2)에 연속적으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가열부(2)는, 전술한 공급부로부터 공급된 스트립 소재를 가열 장치(21)를 이용하여 가열할 수 있다. 이 때, 전술한 급속 가열 방식을 적용할 수 있고, 예를 들어 고주파 가열, 통전 가열, 적외선 가열 등의 다양한 급속 가열 장치를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 이송부(3)는 상기 가열부(2)에서 가열된 스트립 소재(200)를 가공부(4)로 이송할 수 있다. 이 때, 스트립 소재(200)의 이송은 보온 챔버(31) 속에서 수행될 수 있다. 한편, 보온 챔버에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가공부(4)는, 하나의 프레스(6; 6a, 6b)에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형(61a, 61b), 성형 금형(62a, 62b) 및 트리밍 금형(64a, 64b)을 장착된 가공 장치(41)를 포함할 수 있다. 한편, 성형 방법에서 전술한 바와 같이, 상기 성형 금형과 트리밍 금형의 사이에, 피어싱 금형 및 플랜징 금형 중 하나 이상의 금형이 더 장착될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 하나의 프레스(6)는, 프레스의 상부 판(6a)에 해당하는 프레스 슬라이드(press slide)와, 프레스의 하부 판(6b)에 해당하는 프레스 볼스터(press bolster)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 프레스의 하부 판(6b)은 상기 프레스의 상부 판(6a)에 대응하도록 구비될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가공장치(41)는 전술한 각 금형의 온도를 제어하기 위한 별도의 금형의 온도 제어부(5a, 5b)를 더 포함할 수 있고, 상기 금형의 온도 제어부는 금형과 프레스의 사이에 구비될 수 있다. 즉, 금형의 온도 제어부는 각 금형과 접하는 프레스 측에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 노칭 금형 및/또는 블랭킹 금형으로 가열된 금형을 사용하는 경우에는 금형의 온도를 제어하기 위한 별도의 노칭 금형 및/또는 블랭킹 금형의 온도 제어부(51a, 51b)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 온도 제어부(51a, 51b)는 금형(61a, 61b)과 프레스(6a, 6b)의 사이에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 각 금형과 프레스의 사이에는 전술한 방법과 동일하게, 각 금형의 온도 제어부를 별도로 구비할 수 있다(예를 들어, 성형 금형의 온도 제어부(52a, 52b), 피어싱 금형 또는 플랜징 금형의 온도 제어부(53a, 53b), 트리밍 금형의 온도 제어부(54a, 54b); 도 1(b) 참조).
본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 바와 같이, 상기 노칭 상형 또는 블랭킹 상형의 스트립 소재와 접하는 측의 면 상에 돌출된 구조물로서 스프링에 의해 작동되는 푸쉬 바(push bar)(11)를 구비할 수 있다(도 14 참조). 한편, 푸쉬 바에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 바와 같이, 프레스 하부 판(즉, 프레스 볼스터) 상의 금형이 구비되는 측의 면 상에 실린더 형태의 소재 위치 제어부(600)가 구비될 수 있다. 상기 소재 위치 제어부(600)에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가공 장치는 다수의 금형으로서 블랭킹 금형을 포함하고, 하나의 프레스에 있어서 소재의 이송방향으로 서로 인접한 2개의 금형을 기준으로, 이전 단계의 금형으로부터 다음 단계의 금형 부근으로 소재를 이송하는 집게 형상의 이송 수단을 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 집게 형상의 이송 수단은 트랜스퍼 방식을 적용한 예를 나타낸 것으로서 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치는 전술한 성형 부재의 제조 방법에 대한 내용을 동일하게 적용할 수 있으므로, 일례로 전술한 관계식 1로부터 계산된 최소 공정수 이상의 다단 공정을 실시할 수 있는 가공 장치를 이용할 수 있다. 예를 들어, 전술한 가공 장치에 있어서, 하나의 프레스에 장착된 다수의 금형의 개수는 전술한 관계식 1로부터 계산되는 최소 공정수 이상일 수 있다. 혹은, 가공 장치에 투입되는 소재의 두께(관계식 4 및 5의 t에 해당) 정보를 활용하여, 전술한 관계식 4 및 5를 충족하는 가공 장치를 이용할 수 있다.
[열간 프레스 성형 부재]
본 발명의 또 다른 일 측면은,
전술한 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법에 의해 제조된 열간 프레스 성형 부재로서,
언더컷 형상을 포함하고, 인장 강도가 1300MPa 이상인 열간 프레스 성형 부재를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 언더컷 형상이란 당해 기술 분야에서 사용되는 용어와 동일한 의미를 가진다. 따라서, 상기 언더컷 형상으로는 당해 기술 분야에서 통상적으로 해석되는 다양한 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열간 프레스 성형 부재의 성형 형상으로서 측면부에 볼록하거나 오목한 부위를 포함하거나 측면부에 버링부 등이 형성되어 있어서, 금형의 수직 이동만으로는 성형품을 성형하거나, 빼낼 수 없는 형상을 포함할 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일례로서, 열간 프레스 성형 부재의 다양한 형태를 도 18에 나타내었다. 본 발명의 일 측면에 따른 열간 프레스 성형 부재는 제1 면 방향(S)을 갖는 평면부(A) 및 상기 제1 면 방향과 상이한 제2 면 방향(P)을 갖는 측면부(B)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 열간 프레스 성형 부재는 하나 이상의 평면부를 가지거나, 및/또는 하나 이상의 측면부를 가질 수도 있다. 한편, 상기 열간 프레스 성형 부재는 어느 하나의 평면부(A)와 어느 하나의 측면부(B)가 연결될 수 있고, 전술한 평면부(A)와 측면부(B)는 서로 상이한 면 방향을 가지므로 평면부(A)와 측면부(B)가 연결됨으로써 굴곡부를 구비할 수 있다.
예를 들어, 도 18과 같이 모자 형상을 가지는 경우에는, 하나의 평면부의 양단에 각각 제1 측면부 및 제2 측면부가 연결될 수 있다(즉, 상기 하나의 평면부의 양단 중 어느 하나의 단부에 제1 측면부가 연결되고, 다른 하나의 단부에 제2 측면부가 연결될 수 있다). 또한, 상기 제1 측면부의 상기 평면부와 연결되는 측 이외의 단부에 추가의 제1 평면부가 연결되고, 상기 제2 측면부의 상기 평면부와 연결되는 측 이외의 단부에 추가의 제2 평면부가 연결될 수 있다(다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 추가의 평면부 및/또는 측면부를 더 포함할 수도 있다). 따라서, 본 발명의 비제한적인 일례로서, 열간 프레스 성형 부재는 도 18과 같이, 3개의 평면부(A)와 2개의 측면부(B)로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 비제한적인 언더컷 형상의 예로는, 도 18(b)의 성형 부재의 측면도에 나타낸 바와 같이, 어느 하나의 평면부(A)의 제1 면 방향(S)와 어느 하나의 측면부(B)의 제2 면 방향(P)이 이루는 좁은 측의 각도(D)가 90° 이내인 부위를 포함하는 경우가 있을 수 있다.
혹은, 본 발명의 또 다른 비제한적인 언더컷 형상의 예로서, 도 18(a)의 성형 부재의 사시도에 나타낸 바와 같이, 어느 하나의 평면부(A) 및 어느 하나의 측면부(B) 중 하나 이상에 추가의 성형 부위(C)(예를 들어, 버링부 등을 포함)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 성형 부재는 어느 하나의 평면부(A)와 어느 하나의 측면부(B)가 연결되어 형성된 굴곡부를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 성형 부위(C)는 상기 측면부의 제2 면 방향의 면 상에 구비될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 언더컷 형상은 전술한 성형 단계가 2 단계 이상의 다단 공정으로 수행되는 경우로서, 어느 하나의 성형 단계에서의 소재에 대한 성형 방향과, 다른 하나의 성형 단계에서의 소재에 대한 성형 방향이 서로 상이한 제조 방법을 통해 제조될 수 있다. 구체적으로, 언더컷 형상은 서로 성형 방향이 상이한 2 이상의 부위를 포함하는 것을 의미할 수 있고, 이 때 성형 방향이라 함은 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.
예를 들어, 전술한 바와 같이, 1차 성형 단계에서 버링부를 형성한 후, 2차 성형 단계에서 굽힘 가공을 수행하는 경우, 1차 성형 단계와 2차 성형 단계에서의 성형 방향이 서로 상이하므로, 성형 단계가 단일 공정으로 이루어지는 경우에는 형성될 수 없는 언더컷 형상을 형성할 수 있다.
혹은, 또 다른 예로, 1차 성형 단계에서 평면부 및 측면부를 포함하도록 소재를 가공한 후, 2차 성형 단계에서 상기 측면부의 면에 수직인 방향으로 소재에 압력을 가하여 평면부와 측면부가 이루는 각도가 90°이내가 되는 언더컷 형상이 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 열간 성형 부재는 언더컷 형상을 포함하더라도 전체 인장 강도가 1,300MPa 이상일 수 있고, 그 상한은 강도 특성이 높을수록 특성이 우수하므로 특별히 한정하지 않을 수 있다. 다만, 비제한적인 일례로서 그 상한은 2,000MPa일 수 있다.
(실시예)
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실험예 1)
폭이 일정한 스트립 소재와, 폭이 일정하지 않은 블랭크 소재를 각각 준비하고, 각 소재에 대하여 50℃/s의 가열속도로 통전 가열을 수행하였다. 이 때, 소재로는 중량%로, C: 0.22%, Si: 0.3%, Mn: 1.2%, Cr: 0.2%, Al: 0.03%, P: 0.01%, S: 0.001%, N: 0.003%, B: 0.003%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 소지강판에 대해 도금욕 Al-Si9%-Fe3%에 침지하여 형성된 도금강판을 합금화하여 도금층 표면부(도금층 표면으로부터 2㎛ 이내)에서의 Fe 함량이 30중량%인 합금화 도금강판을 사용하였다.
상기 폭이 일정한 스트립 소재에 대한 통전 가열 시의 온도 분포 결과를 실시예 1로서 도 2(a)에 나타내었고, 상기 폭이 일정하지 않은 소재에 대한 통전 가열 시의 온도 분포 결과를 비교예 1로서 도 2(b)에 나타내었다.
상기 도 2의 온도 분포 결과를 비교함으로써 알 수 있듯이, 비교예 1에서는 도 2(b)와 같이 소재의 폭이 좁은 영역과 넓은 영역에서 도 2(a)에 비해 보다 많은 온도차가 발생하였다. 따라서, 도 2(a)의 폭이 일정한 스트립 소재를 사용한 실시예 1의 경우, 폭이 일정하지 않은 블랭크를 사용한 비교예 1에 비해, 급속 가열을 적용하여 보다 균일한 가열을 용이하게 수행할 수 있음이 확인되었다.
(실험예 2)
두께 1.4㎜의 준비된 스트립 소재에 대하여, 가열 장치의 유효 길이가 2m이고 사이클 타임이 4초인 통전 가열의 방식을 사용하여 50℃/s의 가열속도로 920℃까지 급속 가열하였다. 이 때, 스트립 소재는 상기 실험예 1에서 사용된 합금화 도금강판을 동일하게 사용하였다. 이어서, 가열된 스트립 소재를 900℃의 가열 챔버를 통과하여 가공 장치로 이송하였다. 이송된 스트립 소재에 대하여 도 3(a)의 크랭크 모션 방식의 프레스 운동을 사용하여 15SPM으로 작업하였다. 초기 온도가 25℃인 차가운 상태의 노칭 금형을 사용하여 노칭한 경우를 실시예 2로 하고, 초기 온도가 500℃인 가열된 상태의 노칭 금형을 사용하여 노칭한 경우를 실시예 3으로 하였다. 실시예 2 및 3에 대하여, 노칭 단계에 있어서 시간에 따른 소재의 온도 변화 그래프를 하기 도 4에 나타내었다.
실시예 2의 경우, 차가운 상태의 노칭 금형을 사용함으로써 노칭 상형이 하강하여 접촉할 때부터 소재의 냉각이 매우 빠르게 진행되었다. 반면, 실시예 3의 경우, 초기 금형의 온도가 50℃ 이상인 가열된 노칭 금형을 사용함으로써 노칭 상형이 하강하여 소재와 접촉할 때 과도한 냉각이 억제될 수 있었다. 즉, 실시예 3은 실시예 2에 비해 과도한 냉각을 억제함으로써 노칭 단계의 종료 후에 소재의 온도를 700℃ 이상으로 제어할 수 있었다. 이로 인해, 노칭 단계 거친 소재의 연신율이 50% 이상으로, 후속 공정에서 성형 공정을 수행할 수 있을 정도의 수준으로 확보할 수 있어, 후속 공정에서의 성형성이 보다 우수함을 확인하였다.
(실험예 3)
두께 1㎜인 스트립 소재를 사용하고, 초기 노칭 금형의 온도를 하기 표 1과 같이 변경한 것 외에는, 전술한 실험예 2와 동일한 방법으로 스트립 소재를 가공하였다. 이 때, 노칭 단계에서 노칭 금형의 소재와의 접촉이 끝나는 시점을 기준으로, 소재의 표면 온도를 측정하여 표 1에 나타내었다.
한편, 노칭 금형의 온도에 따른 추가 성형 가능 여부의 효과를 확인하기 위해, 노칭 단계 이후 얻어지는 소재의 연신율을 측정하여 하기 기준으로 추가 성형 가능 여부를 평가하였다.
×: 연신율 50% 미만
○: 연신율 50% 이상
이 때, 비교예 2에서는 스트립 소재가 아닌 블랭크 자체를 급속 가열하였을 때, 소재의 표면온도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었고, 추가 성형 가능 여부는 전술한 방법과 동일하게 측정하였다.
또한, 소재에 대한 온도의 균일성 여부를 전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 측정하였고, 하기와 같은 기준으로 평가하였다.
×: 소재에서 발생된 온도차가 50℃ 이상인 경우
○: 소재에서 발생된 온도차가 50℃ 미만인 경우
No. 노칭 금형의
초기온도		 소재의
표면온도		 온도의
균일성 여부		 추가 성형
가능 여부
비교예 2 500℃ 550~720℃ × ×
실시예 4 25℃ 608℃ ○ ×
실시예 5 50℃ 612℃ ○ ×
실시예 6 200℃ 656℃ ○ ×
실시예 7 300℃ 682℃ ○ ×
실시예 8 400℃ 712℃ ○ ○
실시예 9 500℃ 742℃ ○ ○
실시예 10 600℃ 772℃ ○ ○
실시예 11 700℃ 801℃ ○ ○
상기 표 1과 같이, 비교예 2는 블랭크 자체를 가열함으로써 높은 소재의 표면 온도는 확보하였으나, 블랭크 소재의 폭이 일정하지 않은 형상으로 인한 불균일한 온도 분포로 인해 블랭킹 단계 이후 소재의 온도가 너무 낮은 부분이 발생하여 추가 성형이 불가능한 수준이 되었다.
반면, 스트립 소재를 급속 가열한 실시예 4~11의 경우, 상기 비교예 2에 비해 소재의 온도 균일성이 보다 우수함을 확인하였다.
한편, 노칭 금형의 초기 온도가 400℃ 이상인 실시예 8~11은, 노칭 금형의 초기 온도가 400℃ 미만인 실시예 4~7에 비해, 노칭 후의 소재의 온도가 높아 목적하는 수준의 연신율을 확보할 수 있었고, 이로 인해 추가 성형이 가능하였다.
(실험예 4)
도 3(b)의 링크(link) 방식의 프레스 운동을 사용하여 작업하고, 노칭 단계에서 절단 공정에서만 노칭 상형 및 노칭 하형이 스트립 소재와 접촉하도록, 노칭 상형의 스트립 소재와 접하는 측의 면 상에 푸쉬 바를 구비하여 스프링에 의해 작동되도록 제어한 것 외에는, 실험예 2와 동일한 방법으로 스트립 소재를 노칭하였다. 이 때, 노칭 금형의 초기 온도가 25℃인 경우를 실시예 12으로 하고, 노칭 금형의 초기 온도가 500℃인 경우를 실시예 13로 하여, 노칭 단계에서 시간에 따른 소재의 온도 변화 그래프를 도 5에 나타내었다.
한편, 전술한 도 4와 도 5의 비교를 통해, 실시예 12 및 13은 실시예 2 및 3에 비해, 노칭 상형과의 접촉 시간이 감소함에 따라 소재의 냉각이 확연히 감소함을 확인하였다. 이렇듯, 프레스의 하강 및 상승 시에, 노칭 상형이 스트립 소재와 접촉하지 않은 상태로 하강 및 상승하고, 절단 공정에서만 노칭 상/하형과 스트립 소재를 접촉시킴으로써 노칭 단계 이후의 소재의 표면 온도를 보다 높게 제어할 수 있었다. 이를 통해 50% 이상인 소재의 높은 연신율을 확보할 수 있음을 확인하였고 후속 공정에서 보다 우수한 성형성을 확인하였다.
(실험예 5)
두께 1.4㎜의 준비된 스트립 소재로서, 전술한 실험예 1에서 사용된 것과 동일한 조성을 갖는 강판을 통전 가열 방식을 사용하여 50℃/s의 가열속도로 920℃까지 급속 가열하였다. 이어서, 가열된 스트립 소재를 900℃의 보온 챔버 내에서 가공 장치로 이송하였다. 이송된 스트립 소재에 대하여, 하기 표 2에 기재된 모션 방식과 한 스트로크 내 하사점 부근에서의 유지 비율을 충족하는 프레스 운동을 사용하여 15SPM으로 작업하였고, HAT 형상 부품의 노칭 공정, 성형 공정, 피어싱 공정 및 트리밍 공정을 행하였다. 이 때, 상기 노칭 공정에서는 노칭 금형의 초기 온도가 하기 표 2를 충족하는 것을 사용하였고, 푸쉬바를 사용하여 절단 공정에서만 노칭 상형 및 노칭 하형이 스트립 소재와 접촉하도록 제어하였다.
하기 표 2의 실험조건을 충족하는 실시예 14~16에 대하여, 성형성, 마르텐사이트(Ms)상 확보 여부 및 강도 특성을 평가하여 하기 표 2에 나타내었다.
이 때, 성형성은 전술한 실험예 3과 동일한 기준으로 평가하였고, 제품의 강도 특성은 소재의 상변태를 고려한 성형 및 냉각 해석 방법을 기준으로, 최종 제품에서 마르텐사이트 상의 분율이 99% 이상 확보됨으로써 인장 강도 1300MPa 이상인 경우를 '○'로 나타내고, 최종 제품에서 확보된 마르텐사이트 상의 분율이 90% 이하인 경우를 '×'로 나타내었다.
No. 노칭 금형의 초기온도 프레스 운동의 모션 방식 한 스트로크 내 하사점 부근에서의 유지 비율 성형성 제품의 강도 특성
비교예 3 - 도 3(a) 3.2% × ×
실시예 14 25℃ 도 3(a) 3.2% ○ ×
실시예 15 500℃ 도 3(a) 3.2% ○ ×
실시예 16 500℃ 도 3(b) 10% ○ ○
상기 표 2의 실시예 14~16에 대하여, 다단 공정 동안의 시간에 따른 소재의 온도 변화를 각각 도 6~8에 나타내었다. 이 때, 상기 소재의 온도 변화는, 최종 부품에서 도 6~8의 원 표시 부분이 되는 지점을 기준으로 하여, 표면에서의 온도 변화를 나타내었다.
종래의 블랭크 소재를 급속 가열하는 방식을 적용한 것을 제외하고는 실시예 14~16과 동일한 조건으로 다단 공정을 수행한 비교예 3의 경우, 블랭크 소재의 폭이 일정하지 않은 형상으로 인한 불균일한 온도 분포로 인해 블랭킹 단계 이후 소재의 온도가 너무 낮은 부분이 형성되어 추가 성형이 불가능한 수준이 되었다.
한편, 실시예 14의 경우, 비교예 3에 비해 성형성이 보다 우수함을 확인하였다. 다만, 금형과의 접촉 시간이 다소 짧아서 도 6에서 볼 수 있듯이 냉각속도가 낮아 99% 이상의 충분한 마르텐사이트가 확보되지는 않았다.
반면, 실시예 15의 경우, 도 7에서 볼 수 있듯이, 노칭 단계에 해당하는 0~4초 구간에서 온도의 하강이 다소 줄어들어, 실시예 14에 비해 성형성이 우수하였다. 다만, 금형과 성형품과의 접촉 시간이 다소 짧아서 99% 이상의 충분한 마르텐사이트가 확보되지는 않았다.
또한, 실시예 16의 경우, 도 8에서 볼 수 있듯이, 노칭 단계에서의 온도 하강이 적어 성형성이 우수할 뿐만 아니라, 제품의 강도 특성 역시 보다 우수하였다.
구체적으로, 실시예 16은, 실시예 14 및 15에 비해, 프레스 하사점에서 금형의 상형과 하형이 클로징한 상태로 머무는 유지 시간의 비율이 높아서, 전체 공정에 있어서 소재의 빠른 냉각 속도를 확보할 수 있었다. 따라서, 총 16초의 다단 공정이 수행된 후에 소재의 온도가 Ms 온도인 400℃ 이하로 확보되어, 임계 냉각 속도를 확보할 수 있었고, 이로 인해 다단 공정 후에 마르텐사이트의 상을 충분히 확보함으로써, 원하는 소정 강도 특성을 갖는 제품을 얻을 수 있었다.
(실험예 6)
상기 실험예 2의 방법으로 제조된 노칭된 소재를 제조할 때, 도 9(a)와 같이 노칭 단계를 단일 공정으로 수행한 경우를 실시예 17로 하고, 이 때의 두께감소율을 도 9(b)에 나타내었다. 마찬가지로, 도 10(a)와 같이 노칭 단계를 2단계 공정으로 나누어서 수행한 경우를 실시예 18로 하고, 이 때의 두께감소율을 도 10(b)에 나타내었다.
실시예 18의 경우, 노칭 단계를 2단계로 나누어서 수행함으로써, 노칭 단계를 단일 공정으로 수행하는 실시예 17에 비해, 최종 부품에서 두께 감소율이 보다 감소함을 확인하였고, 이에 따라 크랙 발생 방지의 효과가 보다 우수하였다.
(실험예 7)
전술한 실험예 2와 동일한 조성을 갖는 소재의 몇가지 두께에 대해, 프레스 운동 속도(SPM)와 슬라이드가 한 공정 내 하사점 부근에서 머무르는 유지 시간 비율, 노칭을 제외한 성형 단계에서부터의 최소 요구 공정 수의 변동에 따라 취출되는 소재가 Ms 온도 이하로 확보되는 지 여부, 안정적인 마르텐사이트상의 확보 여부 및 제품의 물성에 대한 평가 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
이 때, 성형성은 전술한 실험예 2와 동일한 기준으로 평가하였고, 상기 안정적인 마르텐사이트상의 확보 여부는 전술한 실험예 5와 동일한 기준으로 마르텐사이트상이 99% 이상 확보된 경우를 'OK'로 나타내고, 90% 이하로 확보된 경우를 'NOK'로 나타내었다. 또한, 제품 강도 평가는 전술한 'OK'에 해당되어 인장 강도가 1300MPa 이상인 경우를 '○'로 나타내고, 그 이외의 경우를 '×'로 나타내었다.
실험예 소재
두께
[mm]		 f SPM 공정 수 취출시 Ms 온도 미만 도달 여부 성형성
평가		 안정적인
마르텐사이트 상 확보 여부		 제품 강도
평가
비교예 4 1 12.5 15 3 OK × NOK ×
실시예 19 1 5 15 5 OK ○ NOK ×
실시예 20 1 12.5 15 3 OK ○ OK ○
실시예 21 1 5 10 3 OK ○ NOK ×
실시예 22 1 7.5 10 3 OK ○ NOK ×
실시예 23 1 7.5 15 4 OK ○ NOK ×
실시예 24 1 9 15 4 OK ○ OK ○
실시예 25 1 9 15 2 NOK ○ 취출 후 공냉시 마르텐사이트상 이외의 상의 생성 여지 있음 ×
실시예 26 1.5 5 15 7 OK ○ NOK ×
실시예 27 1.5 12.5 15 4 OK ○ OK ○
실시예 28 1.5 12.5 15 2 NOK ○ 취출 후 공냉시 마르텐사이트상 이외의 상의 생성 여지 있음 ×
실시예 29 1.5 7.5 15 5 OK ○ NOK ×
실시예 30 1.5 10 15 4 OK ○ OK ○
실시예 31 1.5 12.5 30 6 OK ○ OK ○
실시예 32 2 5 15 8 OK ○ NOK ×
실시예 33 2 12.5 15 7 OK ○ NOK ×
실시예 34 2 25 15 3 NOK ○ 취출 후 공냉시 마르텐사이트상 이외의 상의 생성 여지 있음 ×
실시예 35 2 25 15 4 OK ○ OK ○
실시예 36 2 17.5 10 4 OK ○ OK ○
상기 표 3과 같이, 종래의 블랭크 소재를 급속 가열하는 방식을 적용한 비교예 4의 경우, 가열 단계에서 발생된 소재의 온도 불균일로 인해 실시예 20에서 보는 바와 같이 물성 확보가 되는 조건임에도 불구하고 가열 단계에서 발생된 소재의 온도 불균일에 의해 성형성이 좋지 못하였고, 최종 제품의 물성이 확보되지 않았다.
한편, 실시예 19, 21~23, 26, 29, 32 및 33은, 비교예 4에 비해 성형성은 우수하였으나, 전술한 관계식 4 및 5에 의한 소재 두께로부터 요구되는 최소 f값보다 작아서 다른 상이 생기는 관계로 물성이 확보되지 못하였다. 또한, 실시예 25, 28 및 34는, 전술한 관계식 4 및 5에 의한 소재 두께로부터 요구되는 최소 f값은 충족하지만, 관계식 1로부터 계산되는 최소 공정 수(N)보다 작았다. 이로 인해, 취출 시 Ms온도 미만으로 도달하지 못했고, Ms 이상의 온도를 갖는 조건으로 취출 후 공냉 공정에서 마르텐사이트 이외의 다른 상이 생길 여지가 있었다. 따라서, 전술한 관계식 4 및 5를 충족하지 못하거나, 관계식 1을 충족하지 못하는 경우에는 냉각 공정을 추가하는 등의 방법으로 최소 요구 공정(N)보다 많은 공정을 실시한 후 제품을 취출하는 방안으로 해결할 필요가 있었다.
반면, 실시예 20, 24, 27, 30, 31, 35 및 36은, 전술한 관계식 4 및 5에 의한 소재 두께로부터 요구되는 최소 f값을 충족하고, 또한 전술한 관계식 1로부터 계산되는 최소 공정 수(N) 이상으로 다단 공정을 수행한 경우이다. 이에 따라, 다단 공정의 취출 시 Ms 온도 이하를 확보함과 동시에, 마르텐사이트 이외의 상이 생성되지 않아, 충분한 마르텐사이트상을 확보한 제품을 얻을 수 있었고, 최종 제품의 물성이 확보되었다.
(실험예 8)
실시예 37 및 38에서 노칭 단계 대신 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 제조하는 블랭킹 단계를 포함하는 것을 제외하고는, 전술한 실험예 2와 동일한 방법으로 블랭킹 단계를 실시하였고, 이어서 성형, 피어싱 및 트리밍 단계를 실시하였다. 이 때, 소재의 이송방향으로 인접한 2개의 금형 사이의 이송 시에는 집게 형상의 이송수단을 이용하였다.
실시예 37의 경우, 초기 온도가 25℃인 차가운 상태의 블랭킹 금형을 사용함으로써 소재의 냉각이 매우 빠르게 진행된 반면, 초기 온도가 500℃인 실시예 38의 경우, 가열된 블랭킹 금형을 사용함으로써 블랭킹 상형이 하강하여 소재와 접촉할 때 과도한 냉각이 억제되었다.
즉, 실시예 38은 실시예 37에 비해 과도한 냉각을 억제함으로써 블랭킹 단계의 종료 후에 블랭크 소재의 온도가 700℃ 이상임과 동시에, 연신율이 50% 이상인 소재를 확보할 수 있어, 블랭킹 단계 이후의 후속 공정에서 성형성이 보다 우수함을 확인하였다.
[부호의 설명]
100: 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치
1: 공급부
10: 코일 형태로 구비된 소재
11: 푸쉬 바
2: 가열부
21: 스트립 소재의 가열 장치
3: 이송부
31: 보온 챔버
4: 가공부
41: 가공 장치
5a, 5b: 금형의 온도 제어부
50: 설계된 피치량
X: 스트립 소재의 이송방향
51a, 51b; 노칭 금형 또는 블랭킹 금형의 온도 제어부
52a, 52b: 성형 금형의 온도 제어부
53a, 53b: 피어싱 금형 또는 플랜징 금형의 온도 제어부
54a, 54b: 트리밍 금형의 온도 제어부
6: 프레스
6a: 프레스 상부 판 (프레스 슬라이드)
6b: 프레스 하부 판 (프레스 볼스터)
61a, 61b: 노칭 금형 또는 블랭킹 금형
62a, 62b: 성형 금형
63a, 63b: 피어싱 금형 또는 플랜징 금형
64a, 64b: 트리밍 금형
110a: 스트립 소재의 이송 높이 수준
110b: 프레스 슬라이드의 하사점 부근
120a: 소재의 이송에 방해가 되지 않는 지점
120b: 프레스 하사점 부근
200: 소재
210: 노칭된 소재
220: 성형된 소재
230: 피어싱된 소재
240: 트리밍된 소재
250: 취출된 최종 제품
300: 웹부
400: 불필요한 외곽부
600: 소재 위치 제어부
A: 평면부
B: 측면부
C: 성형 부위 (버링부 등)
S: 제1 면 방향
P: 제2 면 방향
D: 제1 면 방향과 제2 면 방향이 이루는 좁은 측의 각도

Claims (17)

  1. 스트립 소재를 가열하는 가열 단계;
    하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치로, 가열된 스트립 소재를 이송하는 이송 단계;
    상기 노칭 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립에 웹부로 연결된 형태의 노칭된 소재를 얻는 노칭 단계, 및 상기 블랭킹 금형을 이용하여 소재의 일부를 절단함으로써 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계;
    상기 노칭 단계 및 상기 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계를 거친 소재를 이송하여 상기 성형 금형 부근에 위치시킨 후, 상기 성형 금형을 이용하여 상기 소재를 성형하는 성형 단계; 및
    상기 트리밍 금형을 이용하여 최종 제품 형상에서 불필요한 소재의 외곽부를 제거하는 트리밍 단계;
    를 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송 단계는 가열된 스트립 소재가 보온 챔버 내에서 수행되고, 상기 보온 챔버에 공급된 스트립 소재의 표면 온도(Ts)를 기준으로, 상기 보온 챔버는 Ts-200℃ 이상 Ts+50℃ 이하의 온도 범위 내로 유지되는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나의 프레스에 있어서, 소재의 이송방향으로 서로 인접하는 2개의 금형의 사이에 설계된 피치량만큼 간격을 두고 각 금형이 배치되고,
    프레스 운동에 따라 하나의 스트로크가 수행된 이후마다, 상기 설계된 피치량만큼 소재의 이송방향으로 소재가 이송되는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 노칭 금형의 초기 온도 및 상기 블랭킹 금형의 초기 온도는 400℃ 이상인, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계 중 하나 이상의 단계; 성형 단계; 및 트리밍 단계 중 하나 이상은, 2 이상의 단계로 나누어서 다단 공정으로 수행되는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 노칭 단계 및 블랭킹 단계에 있어서, 가공 장치에 투입된 스트립 소재는 스트립 소재의 이송 높이 수준에서부터 금형의 상형과 접촉하지 않은 상태로 프레스 하사점까지 하강하다가, 절단 공정에서만 스트립 소재가 금형의 상형면 및 하형면과 접촉하도록 제어되는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 가공 장치의 프레스 운동은 한 스트로크 내 하사점 부근에서 유지 시간의 비율이 4~30%이고,
    상기 하사점 부근에서 유지 시간의 비율은 프레스 하사점으로부터 상부방향으로 1mm인 지점까지 프레스가 머무는 시간의 비율인, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형 단계와 상기 트리밍 단계의 사이에, 성형된 소재에서 불필요한 홀부를 제거하는 피어싱 단계 및 성형된 소재에서 플랜지부를 형성하는 플랜징 단계 중 하나 이상의 단계를 더 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    하기 관계식 1에 의해 구해지는 최소 공정 수 이상으로 다단 공정을 수행하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
    [관계식 1]
    N = ROUNDUP { T / [(60/SPM)×(f/100) ] }
    (상기 관계식 1에서, N은 노칭 공정 및 블랭킹 공정을 제외한 성형 단계에서부터 최소 필요 공정 수를 나타내고,
    SPM은 프레스의 분당 스트로크수(stroke per minute; SPM)를 나타내고,
    f는 한 스트로크 내 하사점 부근의 유지 시간 비율(%)을 나타내고,
    T는 0.8≤t<1.5이면, 하기 관계식 2로부터 계산되는 값을 나타내고, 1.5≤t이면, 하기 관계식 3으로부터 계산되는 값을 나타내고,
    ROUNDUP은 {}내의 계산 값에 대해 소수점 이하의 수를 올림한 값을 나타낸다.)
    [관계식 2]
    T = t
    [관계식 3]
    T = 5×t - 6
    (상기 관계식 2 및 3에서, t는 소재의 두께로 단위는 ㎜이다.)
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 f는 0.8≤t<1.5를 충족하면, 하기 관계식 4를 충족하고, 1.5≤t를 충족하면 하기 관계식 5를 충족하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
    [관계식 4]
    0.8×t + 2.6 ≤f
    [관계식 5]
    4.4×t - 2.8 ≤ f
    (상기 관계식 4 및 5에서, t는 소재의 두께로 단위는 ㎜이다.)
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 가공 장치에 소재가 투입되면 프레스 슬라이드가 프레스 하사점까지 하강하여 소재를 가공한 후, 프레스 슬라이드의 상승 중에 소재는 프레스 하사점 부근에서 머무르고 있다가, 프레스 슬라이드의 위치 정보를 활용하여, 프레스 슬라이드가 소재의 이송에 방해가 되지 않는 지점까지 도달하면, 프레스 하사점 부근에 위치한 소재를 상승시키는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 블랭킹 금형을 이용하여 상기 가공 장치로 투입된 가열된 스트립 소재의 일부를 절단함으로써 스트립으로부터 분리된 형태의 블랭크 소재를 얻는 블랭킹 단계를 포함하고,
    상기 하나의 프레스에 있어서 소재의 이송방향으로 서로 인접한 2개의 금형을 기준으로, 이전 단계의 금형으로부터 다음 단계의 금형 부근으로 소재를 이송 때에는 집게 형상의 이송 수단을 이용하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
  13. 스트립 소재를 연속적으로 공급하는 공급부;
    공급된 스트립 소재를 가열하는 가열부;
    하나의 프레스에 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과, 성형 금형과, 트리밍 금형을 포함하는 다수의 금형이 장착된 가공 장치를 포함하는 가공부; 및
    상기 가열부에서 가열된 스트립 소재를 상기 가공부로 이송하는 이송부;
    를 포함하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 가공 장치는 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형의 초기 온도를 400℃ 이상으로 제어하는 온도 제어부를 더 포함하고,
    상기 온도 제어부는 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형과 프레스의 사이에 구비되는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 노칭 금형 및 블랭킹 금형 중 하나 이상의 금형의 상형에 대한 스트립 소재와 접하는 측의 면 상에 돌출된 구조물로서 스프링에 의해 작동되는 푸쉬 바를 구비하는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 하나의 프레스는 프레스 슬라이드와 프레스 볼스터를 포함하고,
    상기 프레스 볼스터 상의 금형이 구비되는 측의 면 상에 실린더 형태의 소재 위치 제어부가 구비되는, 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 장치.
  17. 청구항 1에 기재된 다단 공정용 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법에 의해 제조된 열간 프레스 성형 부재로서,
    언더컷 형상을 포함하고, 인장 강도가 1300MPa 이상인 열간 프레스 성형 부재.
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