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KR101588740B1 - 핫 스탬핑 장치 및 방법 - Google Patents

핫 스탬핑 장치 및 방법 Download PDF

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KR101588740B1
KR101588740B1 KR1020140074420A KR20140074420A KR101588740B1 KR 101588740 B1 KR101588740 B1 KR 101588740B1 KR 1020140074420 A KR1020140074420 A KR 1020140074420A KR 20140074420 A KR20140074420 A KR 20140074420A KR 101588740 B1 KR101588740 B1 KR 101588740B1
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cam
blank
cooling
upper mold
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공호영
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현대자동차 주식회사
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Abstract

핫 스탬핑 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 장치는, 제품 소재의 하단면 형상을 가지는 하부 금형, 상기 제품 소재의 상단면 형상을 가지며, 상기 하부 금형과 함께 상기 제품 소재를 가압하는 상부 금형, 상기 상부 금형의 내주부에 설치되며 상기 상부 금형과 하부 금형 사이에 블랭크를 고정하는 블랭크 홀더, 및 제품 소재의 플랜지부의 형상을 가지며, 상기 블랭크 홀더의 내주부를 따라 상승 또는 하강하면서 제품 소재의 플랜지부를 성형하는 캠을 포함한다.

Description

핫 스탬핑 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR HOT STAMPING}
핫 스탬핑 장치 및 핫 스탬핑 방법에 관한 것이다.
최근 들어 자동차 산업에서는 차체의 경량화 및 충돌 안전성을 개선하기 위해 초고강도강의 적용이 확대되고 있다. 예를 들면, 1500MPa급 초고강도강 성형 기술의 하나로서 핫 스탬핑(Hot stamping) 성형("열간 프레스 성형" 이라고도 한다) 기술을 들 수 있다.
상기 핫 스탬핑 성형 기술은 블랭크를 오스테나이트영역까지 가열하여 프레스 성형한 후, 금형 내에서 급냉시킴으로써 마르텐사이트로의 상변태를 통해 초고강도 차체 부품을 생산하는 공법이다.
상기와 같은 핫 스탬핑 성형 기술은 차체의 센터 필러, 루프 레일, 범퍼, 임팩트 빔 등과 같은 충돌부재의 강도 확보와 보강부재 삭제에 의한 경량화를 위해 많이 적용되고 있다.
종래 기술에서는 핫 스탬핑 성형에 의하여 성형된 제품(이하, 제품소재라고 한다)의 플랜지부를 핫 스탬핑에 의하여 성형시, 플랜지부와 금형이 먼저 접촉하게 되므로 플랜지부에서 먼저 열을 뺏기게 된다.
따라서 플랜지부에서 먼저 마르텐사이트로의 상변태가 일어나게 되어 플랜지부에서 연신율이 저하되며, 소재의 유입이 원할히 이루어지지 않아 파단이 발생하는 문제점이 발생한다.
또한, 이후 플랜지부 용접시 용접부 주변의 강도가 저하되고, 쉽게 파괴되는 문제점이 발생한다.
본 발명의 일 실시예는 핫 스탬핑 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 핫 스탬핑 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 장치는, 제품 소재의 하단면 형상을 가지는 하부 금형; 상기 제품 소재의 상단면 형상을 가지며, 상기 하부 금형과 함께 상기 제품 소재를 가압하는 상부 금형; 상기 상부 금형의 내주부에 설치되며 상기 상부 금형과 하부 금형 사이에 블랭크를 고정하는 블랭크 홀더; 및 제품 소재의 플랜지부의 형상을 가지며, 상기 블랭크 홀더의 내주부를 따라 상승 또는 하강하면서 제품 소재의 플랜지부를 성형하는 캠을 포함한다.
또한, 상기 상부 금형의 일측에 설치되며, 단부에는 경사면이 형성되어 있고, 상기 단부의 경사면은 제 2 캠 구동장치의 경사면과 접하여 상부 금형의 상승 또는 하강에 의하여 제 2 캠 구동장치를 좌우로 슬라이딩 시키는 제 1 캠 구동장치; 및 양측 단부에 경사면이 형성되어 있으며, 일측 단부는 제 1 캠 구동장치의 경사면과 접하여 제 1 캠 구동장치의 상승 또는 하강에 따라 좌우로 슬라이딩 운동을 하며, 타측 단부는 캠의 하측 단부의 경사면과 접하여 제 2 캠 구동장치의 좌우 슬라이딩 운동에 따라 캠을 상하로 운동시키는 제 2 캠 구동장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 금형의 내측 상단부와 블랭크 홀더 사이에 설치되며, 캠의 상승에 따라 압축되는 탄성부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 캠 구동장치의 상부 및 하부에 설치되어 제 2 캠의 좌우 슬라이딩 운동의 경로를 제공하는 가이드레일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 캠의 측면에 설치되어 캠의 상승 또는 하강의 경로를 제공하는 가이드레일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부 금형, 상기 상부 금형, 상기 블랭크 홀더, 및 상기 캠은 냉각 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 장치는 냉각 매체가 순환되기 위한 냉각채널을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 장치는 냉각 매체를 냉각하기 위한 냉각탑, 냉각 매체를 압송하기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 금형의 내측 상단부에 연결되며 블랭크 홀더를 상승 또는 하강 시키는 블랭크 홀더 구동장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 방법은, 블랭크를 고정하는 단계; 블랭크를 하부 금형과 상부 금형으로 가압하여 성형하는 단계; 상기 하부 금형과 상기 상부 금형에 의해 가압된 블랭크의 성형부는 급냉하며, 플랜지부는 서냉 하는 단계; 및 캠에 의하여 상기 플랜지부를 성형하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 캠에 의하여 상기 플랜지부를 성형하는 단계는, 상기 하부 금형과 상기 상부 금형과 접촉된 부분의 상변태가 시작된 이후, 급냉하여 상변태 시키것 일 수 있다.
또한, 상기 상변태는 오스테나이트 영역으로부터 Mf온도(마르텐사이트 변태 종료 온도) 이하로 급냉시키는 것이며, 베이나이트 및 페라이트 변태 반응이 일어나지 않는 것 일 수 있다.
또한, 상기 서냉속도는 5℃/s 이상 20℃/s 이하이며, 급냉속도는 50℃/s 이상 150℃/s 이하인것 일 수 있다.
또한, 상기 블랭크는 Ni: 0.01wt% 이상 0.03wt% 이하, Cr: 0.1wt% 이상 0.5wt% 이하, Mo: 0.001wt%이상 0.012wt% 이하를 포함하고, B: 0.001wt%이상 0.005wt% 이하를 더 포함하며, 잔부는 Fe 및 강중에 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함하는 것 일 수 있다.
본 발명의 실시예는 제품 소재의 플랜지부 등을 성형시 연신율이 우수한 오스테나이트 영역에서 실시할 수 있게 함으로써, 파단 발생을 억제할 수 있으며 성형성을 개선할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치의 블랭크 홀더가 블랭크를 고정한 상태를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치의 상부 금형이 하강하고 있는 상태를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치의 캠이 상승한 상태를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 장치의 블랭크 홀더, 상부 금형 및 하부 금형, 캠과 블랭크가 접촉되는 부분의 변태곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 볼 발명의 일 실시예에 따른 블랭크 소재에서 페라이트, 펄라이트 베이나이트 변태가 지연되는 효과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 장치는 고온으로 가열된 블랭크(1)를 프레스 성형하며 급랭함으로써 고강도의 성형물을 얻는 열간 프레스 성형 설비에 적용될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치는, 제품 소재의 하단면 형상을 가지는 하부 금형(20); 상기 제품 소재의 상단면 형상을 가지며, 상기 하부 금형과 함께 상기 제품 소재를 가압하는 상부 금형(30); 상기 상부 금형의 내주부에 설치되며 상기 상부 금형과 하부 금형 사이에 블랭크를 고정하는 블랭크 홀더(10); 및 제품 소재의 플랜지부의 형상을 가지며, 상기 블랭크 홀더의 내주부를 따라 상승 또는 하강하면서 제품 소재의 플랜지부를 성형하는 캠(40)을 포함한다.
또한, 상기 상부 금형의 일측에 설치되며, 단부에는 경사면이 형성되어 있고, 상기 단부의 경사면은 제 2 캠 구동장치의 경사면과 접하여 상부 금형의 상승 또는 하강에 의하여 제 2 캠 구동장치를 좌우로 슬라이딩 시키는 제 1 캠 구동장치(41); 및 일측 단부에 경사면이 형성되어 있으며 제 1 캠 구동장치의 경사면과 접하여 제 1 캠 구동장치의 상승 또는 하강에 따라 좌우로 슬라이딩 운동을 하며, 타측 단부에 경사면이 형성되어 있으며, 캠의 하측 단부의 경사면과 접하여 좌우 슬라이딩 운동에 의하여 캠을 상하로 운동시키는 제 2 캠 구동장치(42)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 캠 구동장치(42)의 상부 및 하부에는 제 2 캠의 좌우 슬라이딩 운동의 경로를 제공하는 가이드레일을 설치할 수 있다(도면 미도시).
또한, 상기 캠(40)의 측면에는 캠의 상승 또는 하강의 경로를 제공하는 가이드레일을 설치할 수 있다(도면 미도시).
또한, 상기 하부 금형(20), 상기 상부 금형(30), 상기 블랭크 홀더(10), 및 상기 캠(40)은 내부에 냉각장치(50)를 더 구비할 수 있다. 상기 냉각 장치에서 냉각 매체는 냉각수 또는 냉매일 수 있으며, 상기 냉각 매체가 순환되기 위한 냉각채널을 더 포함 할 수 있다.
또한, 상기 냉각 장치는 냉각 매체를 냉각하기 위한 냉각탑, 냉각 매체를 압송하기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다(도면 미도시).
도 2 는 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치의 블랭크 홀더가 블랭크를 고정한 상태를 나타낸 도면이다. 도 3 은 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치의 상부 금형이 하강하고 있는 상태를 나타낸 도면이다. 도 4 는 본 발명의 실시예에 의한 핫 스탬핑 장치의 캠이 상승한 상태를 나타낸 도면이다.
블랭크(1)는 경화능을 가지는 소재로 마련되며, 성형온도 이상으로 가열된 상태로 공급된다. 상기 성형온도는 블랭크 소재의 연속 냉각 상태도에서, 마르텐사이트 변태 시작온도(Ms) 이상의 오스테나이트 영역 온도 일 수 있다.
블랭크가 로딩되면 블랭크 홀더(10)가 하강하여 블랭크(1)를 고정한다.
블랭크 고정이 완료되면, 상부 금형(30)이 하강하면서 블랭크(1)를 성형하게 된다.
상부 금형이 완전히 하강하면, 블랭크 홀더(10), 하부 금형(20) 및 상부 금형(30)과 접촉되는 블랭크(1) 부분은 Mf온도(마르텐사이트 변태 종료 온도) 이하로 급냉되면서 마르텐사이트로 상변태 된다.
상기 급냉속도는 50℃/s 이상 150℃/s 이하, 바람직하게는 70℃/s 이상 130℃/s 이하, 더욱 바람직하게는 90℃/s 이상 110℃/s 이하 일 수 있다.
이때 블랭크 홀더(10)와 블랭크(1)가 먼저 접촉하게 되고 이후 상부금형(30)과 블랭크(1)가 접촉하게 되므로 마르텐사이트로의 상변태는 도 5 의 (a), (b)와 같이, 블랭크 홀더와 접촉되는 부분의 상변태가 시작된 이후 하부 금형(20) 및 상부 금형(30)과 접촉되는 부분의 상변태가 시작되는 것 일 수 있다.
이때, 상기 블랭크(1)에서 블랭크 홀더(10), 하부 금형(20), 및 상부 금형(30)에 접촉되지 않은 플랜지부는 공기에 의하여 서냉되고 있는 상태이다.
상부 금형(30) 및 하부 금형의 가압에 의한 블랭크(1)의 성형이 완료되면, 캠(40)이 상승하여 플랜지부를 성형하게 된다.
상기 캠에 의한 플랜지부의 성형은 오스테나이트 영역에서 완료 될 수 있다.
이 때, 블랭크(1)에서 캠과 접촉되는 플랜지부는 도 5 의 (c)와 같이, 캠과 접촉되기 이전 공기에 의하여 서냉되어 오스테나이트 영역을 유지하고 있다가, 캠과 접촉하여 Mf온도(마르텐사이트 변태 종료 온도) 이하로 급냉되면서 마르텐사이트로 상변태 된다.
또한, 상기 상변태는 베이나이트 및 페라이트 변태 반응이 일어나지 않는 것 일 수 있다.
이 때, 서냉속도는 5℃/s 이상 20℃/s 이하 일 수 있다. 또한, 급냉속도는 50℃/s 이상 150℃/s 이하, 바람직하게는 70℃/s 이상 130℃/s 이하, 더욱 바람직하게는 90℃/s 이상 110℃/s 이하 일 수 있다.
도 1 내지 도 4 를 참고하면, 상기 캠의 상승은 제 1 캠 구동장치 및 제 2 캠 구동장치에 의하여 이루어 질 수 있다.
제 1 캠 구동장치(41)는 상기 상부 금형에 결합되며, 그 일단에는 제 1 경사부가 형성되어 있다.
또한, 제 2 캠 구동장치의 일단에는 상기 제 1 경사부와 선택적으로 접촉하는 제 2 경사부가 형성되어 있으며, 반대측 단부는 제 3 경사부가 형성되어 있다. 또한, 상기 캠의 일단에는 제 4 경사부가 형성되어 상기 제 3 경사부와 접촉하고 있다.
제 1 캠 구동장치는 상기 상부 금형을 따라 하강하면서 제 1 캠 구동장치의 제 1 경사부와 제 2 캠 구동장치의 제 2 경사부가 접촉하여 제 2 구동장치를 이동 시킨다. 이와 동시에, 상기 제 2 구동장치의 제 3 경사부가 캠의 제 4 경사부를 밀어 캠이 상부로 이동될 수 있다.
또한, 상기 상부 금형의 내측 상단부와 블랭크 홀더 사이에 설치되는 탄성부재(11)가 설치되어 있어 상기 캠의 상승과 함께 압축되면서 플렌지부를 성형 할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 방법은, 블랭크 소재를 하부 금형과 상부 금형으로 가압하여 성형하는 단계; 상기 하부 금형과 상기 상부 금형에 의해 가압된 블랭크의 성형부는 급냉하며, 플랜지부는 서냉 하는 단계; 및 상기 하부 금형과 상기 상부 금형과 접촉되는 부분의 상변태가 시작된 이후, 캠에 의하여 상기 플랜지부를 성형하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 블랭크는 Ni: 0.01wt% 이상 0.03wt% 이하, Cr: 0.1wt% 이상 0.5wt% 이하, Mo: 0.001wt%이상 0.012wt% 이하를 포함하고, B: 0.001wt%이상 0.005wt% 이하를 더 포함하며, 잔부는 Fe 및 강중에 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함할 수 있다.
블랭크에 Ni, Cr, Mo를 첨가하여, 도 6 과 같이 페라이트, 펄라이트 베이나이트 변태곡선이 시간축을 따라 오른쪽으로 이동하여 변태가 지연되는 효과가 발생한다. 따라서 변태가 지연되는 시간만큼 블랭크가 오스테나이트 영역을 유지하고 있으므로 성형성이 유리한 오스테나이트 영역에서 성형을 시작할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1 : 블랭크
10 : 블랭크 홀더
11 : 블랭크 홀더 구동장치
20 : 하부 금형
30 : 상부 금형
40 : 캠
41 : 제 1 캠 구동장치
42 : 제 2 캠 구동장치
50 : 냉각 장치

Claims (13)

  1. 제품 소재의 하단면 형상을 가지는 하부 금형;
    상기 제품 소재의 상단면 형상을 가지며, 상기 하부 금형과 함께 상기 제품 소재를 가압하는 상부 금형;
    상기 상부 금형의 내주부에 설치되며 상기 상부 금형과 하부 금형 사이에 블랭크를 고정하는 블랭크 홀더; 및
    제품 소재의 플랜지부의 형상을 가지며, 상기 블랭크 홀더의 내주부를 따라 상승 또는 하강하면서 제품 소재의 플랜지부를 성형하는 캠을 포함하고,
    상기 블랭크 홀더의 하단부에 상기 캠의 상단부가 삽입되기 위한 삽입부가 형성되고,
    상부 금형에 결합되며, 그 일단에 제 1 경사부가 형성된 제 1 캠 구동장치; 및
    일단에 상기 제 1 경사부와 선택적으로 접촉하는 제 2 경사부가 형성되며, 타단에는 제 3 경사부가 형성된 제 2 캠 구동장치; 를 포함하되,
    상기 캠의 일단에는 제 4 경사부가 형성되어 상기 제 3 경사부와 접촉하고,
    상기 상부 금형의 하강에 따라 제 1 캠 구동장치의 제 1 경사부와 제 2 캠 구동장치의 제 2 경사부가 접촉하여 제 2 구동장치를 이동시키며,
    상기 제 2 구동장치의 제 3 경사부가 캠의 제 4 경사부를 밀어 캠이 상부로 이동되는 핫 스탬핑 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 금형의 내측 상단부와 블랭크 홀더 사이에 설치되며, 캠의 상승에 따라 압축되는 탄성부재를 포함하는 핫 스탬핑 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 캠 구동장치의 상부 및 하부에 설치되어 제 2 캠의 좌우 슬라이딩 운동의 경로를 제공하는 가이드레일을 포함하는 핫 스탬핑 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 캠의 측면에 설치되어 캠의 상승 또는 하강의 경로를 제공하는 가이드레일을 포함하는 핫 스탬핑 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 금형, 상기 상부 금형, 상기 블랭크 홀더, 및 상기 캠은 냉각 장치를 포함하는 핫 스탬핑 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 냉각 매체가 순환되기 위한 냉각채널을 포함하는 핫 스탬핑 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 냉각 매체를 냉각하기 위한 냉각탑, 냉각 매체를 압송하기 위한 펌프를 더 포함하는 핫 스탬핑 장치.
  9. 블랭크 홀더에 의하여 블랭크를 고정하는 단계;
    블랭크를 하부 금형과 상부 금형으로 가압하여 성형하는 단계;
    상기 하부 금형과 상기 상부 금형에 의해 접촉된 부분은 급냉 시키며, 상기 하부 금형과 상기 상부 금형에 의해 접촉되지 않은 플랜지부를 서냉시키는 단계; 및
    상기 하부 금형과 상기 상부 금형과 접촉되는 부분의 상변태가 시작된 이후, 캠에 의하여 상기 플랜지부를 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 블랭크를 하부 금형과 상부 금형으로 가압하여 성형하는 단계는, 상기 블랭크 홀더의 하단부에 형성된 삽입부에 상기 캠의 상단부를 삽입하는 단계를 포함하고,
    상기 캠에 의하여 상기 플랜지부를 성형하는 단계에서, 상기 캠에 의한 플랜지부의 성형은 오스테나이트 영역에서 완료되는 핫 스탬핑 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 상변태는 오스테나이트 영역으로부터 Mf온도(마르텐사이트 변태 종료 온도) 이하로 급냉시키는 것이며, 베이나이트 및 페라이트 변태 반응이 일어나지 않는 핫 스탬핑 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 서냉속도는 5℃/s 이상 20℃/s 이하이며, 급냉속도는 50℃/s 이상 150℃/s 이하인 핫 스탬핑 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 블랭크는 Ni: 0.01wt% 이상 0.03wt% 이하, Cr: 0.1wt% 이상 0.5wt% 이하, Mo: 0.001wt%이상 0.012wt% 이하를 포함하고, B: 0.001wt%이상 0.005wt% 이하를 더 포함하며, 잔부는 Fe 및 강중에 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함하는 핫 스탬핑 방법.
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