KR20200050780A - 핫스탬핑 금형 및 방법 - Google Patents

Abstract

핫스탬핑 부품을 금형을 이용하여 피어싱 하는 과정에 발생할 수 있는 품질 결함을 해소하기 위한 핫스탬핑 금형 및 방법이 소개된다. 핫스탬핑 금형은 복수의 스틸 블록을 조립하여 제작된다. 스틸 블록은 인서트홈이 마련된 제1 성형면; 인서트홈을 통과하도록 내부에 마련된 냉각채널; 인서트홈에 끼워져 금형에 분리 가능하게 결합된 인서트;를 포함한다. 인서트는 제1 성형면 위로 돌출된 제2 성형면을 구비하며, 냉각채널은 인서트의 둘레면을 타고 우회하는 유로에 연결된다.

Description

핫스탬핑 금형 및 방법{DIE AND METHOD FOR HOT STAMPING}

본 발명은 고강도의 차량 부품을 제조하기 위한 핫스탬핑 금형과 방법에 관한 것이다.

최근 연비 규제나 안전법규의 강화 등으로 차량 부품의 경량화 및 고강도화가 최대 이슈이다. 국내외 차량 제조업계에서는 부품 제조에 핫스탬핑을 적용하는 비율이 대폭 확대하고 있는 추세이다.

상기 핫스탬핑은 영국특허 제1490535호에서 소개되었다. 보론 강판을 오스테나이트화 온도 이상, 예로서 900℃ 이상으로 가열 후 성형 금형 내에서 급냉시킴에 의해 초고강도 부품이 얻어진다. 고온에서의 산화방지를 위해 핫스탬핑용으로 주로는 Al-Si 합금이 도금된 강판이 사용된다.

차량 부품의 제조분야서 생산성 및 경제성은 매우 중요하다. 핫스탬핑에서 강판 가열에 주로 이용되는 전통적인 전기로는 길이도 가열시간도 매우 길다. 핫스탬핑 공정의 생산성 및 경제성 제고를 위해 미국특허 제9,631,248호에서는 전기로에 고주파유도가열로가 혼합된 가열로가 제안되었다.

도 1을 참조하면, 핫스탬핑 금형(500)은 성형면(504)을 갖는 스틸 블록(502)을 복수 개 조립하여 제작될 수 있다. 스틸 블록(502)에는 고온 강판으로부터 열을 흡수하기 위한 냉각채널(506)이 마련된다. 냉각채널(506)은 건 드릴링(gun drilling) 의해 형성될 수 있다.

핫스탬핑된 블랭크는 상온에서 충분히 냉각되며, 이후 레이저 장치를 이용하여 요구되는 최종 형상으로 트리밍된다. 피어싱 작업도 레이저빔이 이용되고 있는데, 레이저 장치는 고가인데다가 트리밍이 바라는만큼 빠르게 진행되지 못한다. 핫스탬핑 전체 공정의 생산성 향상을 위해서는 트리밍 및 피어싱 공정의 개선이 요구된다.

인장강도가 1500Mpa에 이르는 핫스탬핑 부품은 금형을 이용하여 트리밍이나 피어싱을 하기에는 강도가 높다. 핫스탬핑 부품의 절단에 트리밍 금형을 적용하기 위해서는 초고경도의 공구강이 요구되며 툴의 잦은 파손 등 해결해야 할 과제들이 있으나, 생산성 향상과 비용절감을 위해 핫스탬핑의 후공정에 금형을 이용하고자 하는 요구는 높다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식과 핫스탬핑 부품의 트리밍 및 피어싱에 금형을 이용하는 과정에 축적된 새로운 발견에 기초한 것이다.

본 발명은 블랭크를 핫스탬핑한 후 금형을 이용하여 트리밍 및 피어싱을 하는 과정에 발생될 수 있는 품질 결함을 신속하고 경제적으로 해결하기 위한 방안을 제공하고자 한다.

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

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑 금형은 복수의 스틸 블록을 조립하여 제작될 수 있다.

본 발명에 의하면 복수의 스틸 블록 중 적어도 어느 하나는, 인서트홈이 마련된 제1 성형면; 인서트홈을 통과하도록 내부에 마련된 냉각채널; 인서트홈에 끼워져 금형에 분리 가능하게 결합된 인서트;를 구비할 수 있다.

상기 인서트는 제1 성형면 위로 돌출된 제2 성형면을 구비하며, 제2 성형면은 모서리 형상을 가질 수 있다.

상기 냉각채널은 인서트의 둘레면을 타고 우회하는 유로에 연결되거나, 인서트를 관통하여 연장되는 것 중 적어도 어느 하나의 형태로 마련될 수 있다.

본 발명에 따른 핫스탬핑 방법은 상기된 특징적인 요소들을 하나 이상 갖는 금형을 이용할 수 있다.

본 발명에 의한 핫스탬핑 방법은 블랭크를 고온으로 가열하는 단계; 가열된 블랭크를 상기된 금형을 이용하여 성형하는 단계, 여기서 성형된 블랭크는 제2 성형면에 대응하는 성형부를 가짐; 및 성형된 블랭크를 피어싱 금형을 이용하여 성형부에 홀을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 성형부는 제2 성형면에 대응하는 형상을 갖는 피어싱 금형에 의해 가압될 수 있다.

본 발명에 의하면 핫스탬핑된 블랭크의 트리밍과 피어싱은 함께 수행될 수 있다. 하나의 금형에 트리밍 파트와 피어싱 파트가 함께 존재할 수 있으며, 이러한 금형은 트리밍 금형으로 혹은 피어싱 금형으로도 지칭될 수 있다. 트리밍은 피어싱을 포함하는 핫스탬핑 후공정으로 대표명화되어 있기도 하다. 트리밍은 1회보다 많은 2회 이상 다단으로 수행될 수 있으며, 피어싱은 복수의 트리밍 단계 중 어느 한 단계에서 혹은 그 이상의 단계에서 함께 수행될 수 있다. 상기된 피어싱 금형은 트리밍이 함께 수행되는 금형일 수 있다.

본 발명에 의하면 핫스탬핑 부품을 금형을 이용하여 피어싱 하는 과정에 발생할 수 있는 품질 결함을 해소할 수 있다.

고온 가열된 블랭크를 성형하는 과정에 발생되는 마모로 인해 핫스탬핑 금형과 트리밍 금형 간의 형상 차이가 발생하여 핫스탬핑 부품에 품질 결함이 발생할 수 있는데, 본 발명에 의하면 이러한 품질 결함에 신속하고 경제적으로 해결할 수 있다.

도 1은 핫스탬핑 금형의 예를 도인 도면,
도 2는 스틸 블록의 예를 보인 도면,
도 3은 핫스탬핑 금형의 마모로 인해 성형품에 품질 결함이 발생되는 것을 설명하기 위한 것으로, 도 2에 도시된 것과 같은 금형에 의해 성형된 블랭크를 보인 도면,
도 4는 마모된 핫스탬핑 금형에 의한 블랭크 성형을 보인 도면,
도 5는 도 4의 블랭크가 피어싱 금형에 놓인 것을 보인 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 금형을 개략적으로 보인 것으로서, 위에서 바라본 뷰이며,
도 7은 도 6에 도시된 핫스탬핑 금형을 측방향에서 본 단면을 개략적으로 보인 도면,
도 8은 도 7에 도시된 금형 인서트를 보인 도면이다.

이하 본 발명의 여러 특징적인 측면을 이해할 수 있도록 실시예를 들어 보다 상세히 살펴보기로 한다. 첨부된 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징에 대한 명확한 이해와 설명을 위해 과장되게 그리고 개략적으로 도시될 수 있다.

본 발명에 대한 설명에서, 별도 한정이 없는 한, 제2 요소가 제1 요소 '상'에 배치되거나 두 요소가 서로 '연결'된다고 하는 것은, 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재된 것을 허용하는 의미로 이해될 필요가 있다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표현은 설명의 편의를 위한 것이라는 점도 이해될 필요가 있다.

도 2에는 스틸 블록(10)이 도시되어 있다. 이러한 스틸 블록(10)이 여러 개 조립되어 핫스탬핑 금형을 구성한다. 본 발명에서 핫스탬핑 금형은 상형, 하형, 펀치 또는 다이일 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 스틸 블록(10)은 블랭크에 형상을 부여하기 위한 제1 성형면(11)과 내부의 냉각채널(13)을 구비한다.

상기 제1 성형면(11)의 햇 형상을 가지며 햇 형상의 브림 부위에는 제2 성형면(12)이 제1 성형면(11) 위로 돌출되어 있다. 제2 성형면(12)은 모서리(14) 형상을 갖는다. 조금 더 구체적으로, 제2 성형면(12)은 탑면(plateou), 제1 성형면(11)과 탑면을 연결하는 상승면을 갖는다. 탑면의 가장자리 혹은 탑면과 상승면 간의 경계가 모서리(14)에 해당한다. 도면부호 15는 성형 후 블랭크(1)의 피어싱 위치에 대응하는 위치를 지시한다.

상기 냉각채널(13)은 스틸 블록(10)을 관통하여 형성된다. 인접하는 스틸 블록들(10) 간의 냉각채널들(13)은 서로 연결될 수 있다.

도 3에는 도 2에 도시된 것과 같은 핫스탬핑 금형(10)에 의해 성형된 블랭크(1)를 보여준다. 제2 성형면(12)에 의해 성형된 부위(이하 '성형부')가 도면부호 2로 지시되어 있다.

핫스탬핑 금형은 적어도 600℃ 이상, 대체로 800℃ 이상 고온의 블랭크를 반복적으로 성형한다. 냉각이 된다고 하더라도, 제2 성형면(12)의 모서리(14)와 같은 부위는 마모될 수 있다. 핫스탬핑에 사용되는 강판의 Al-Si 도금층은 가열 과정에 금속간화합물층을 갖는 경도가 높은 산화물로 바뀐다. 경도가 높은 표면 산화물로 인해 금형 모서리(14)의 마모는 급속히 진행된다.

상기 핫스탬핑 금형의 모서리(14)에서의 빠른 마모 진행은 후공정에서 예상하지 못한 품질 문제를 야기한다. 핫스탬핑 금형(14)의 빠른 마모 속도에 비해, 트리밍이나 피어싱 금형(20)의 상기 모서리(14) 대응 부위(이하 '대응 모서리')에서의 마모는 상대적으로 느리게 진행된다.

참고로 트리밍이나 피어싱용 금형은 성형된 블랭크의 안착 및 홀딩을 위해, 전부는 아니지만 핫스탬핑 금형과 동일한 성형면을 가질 수 있다. 최초 스틸 블록(10)의 모서리(14)와 피어싱 금형(20)의 대응 모서리는 동일 형상이었으나, 스틸 블록(10)의 빠른 마모 진행으로 인해 모서리(14)와 대응 모서리 간의 형상에 편차가 발생할 수 있다.

위와 같은 핫스탬핑 금형과 피어싱 금형 간 마모 속도의 편차로 인해 발생되는 문제를 설명한다.

도 3에는 상기 모서리(14)가 마모되기 전의 블랭크(1)의 성형부(2)가 도시되어 있다. 도면부호 3으로 지시된 점선은 모서리(14)가 마모된 후에 얻어질 수 있는 성형부(2)의 형상을 나타낸 것이다. 모서리(14)의 마모로 인해 성형부(2)의 굽은 부위는 보다 완만해지고 높이가 낮아진다.

도 4는 상기 모서리(14)에서 마모가 발생된 스틸 블록(10)을 보여준다. 이렇게 모서리(14)가 마모된 스틸 블록(10)에 의해 성형된 성형부(2)의 굽은 부위는, 앞서 언급하였듯이, 마모가 없는 스틸 블록(10)에 의한 것보다 완만한 곡률(큰 곡률 반경)을 갖고 높이가 낮다.

도 5는 상기 스틸 블록(10)에 의해 성형된 블랭크(1)가 피어싱 금형(20) 위에 올려진 것을 보여준다. 스틸 블록(10)의 모서리(14)에 비해 마모 속도가 느린 피어싱 금형(20)의 대응 모서리는 블랭크 성형부(2)의 굽은 부위와 간섭을 일으키게 된다(도 5에 A로 표시). 이와 같은 간섭은 성형부(2)의 굽은 부위 이면에 자국이나 손상을 남기고, 이러한 자국이나 손상은 크랙으로 성장할 수 있다.

도 2에 도시된 상기 스틸 블록(10)에 의해 성형된 블랭크(1)의 성형부(2)는, 피어싱 시 피어싱될 위치를 제외(피어싱 툴이 진입할 수 있어야 하므로)하고는 피어싱 금형(20)에 의해 구속된다. 인장강도 1500Mpa에 이르는 핫스탬핑 부품에 품질 결함 없이 피어싱을 하기 위해서는 성형부(2)는 견고하게 구속 및 가압되며, 이 과정에 성형부(2)의 굽은 부위 이면에 자국이나 손상이 발생될 수 있다.

상기 스틸 블록(10)의 신속한 마모가 언급되었으나, 통상적으로는 이 정도의 마모나, 또는 성형용 스틸 블록(10)과 트리밍용 혹은 피어싱용 금형(20) 간의 마모 차이는 핫스탬핑 부품의 품질에 별다른 영향을 미치지 않는다. 핫스탬핑된 블랭크를 금형을 이용하여 정밀한 피어싱하는 과정에 위에 언급된 바와 같이 크랙의 원인이 만들어질 수 있다.

도 6 및 도 7은 실시예에 따른 스틸 블록(30), 도 8은 실시예에 따른 인서트(40)를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, 상기 스틸 블록(30)은 제1 성형면(31)을 가지며, 앞서 언급된 제2 성형면(12)에 대응하는 부위에는 인서트(40)가 마련된다. 스틸 블록(30)에는 인서트(40)의 설치를 위한 인서트홈(32)가 마련된다. 스틸 블록(30)의 내부에는 냉각채널들(33)이 관통한다. 편의를 위해 도 6에서 냉각채널들(33)이 실선으로 표시되어 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 인서트(40)는 모서리(42)를 갖는 제2 성형면(41), 둘레면에 형성된 그루브(43), O링 장착홈(44) 및 하부 바디(45)를 구비한다. O링 장착홈(44)에는 실링을 위한 O링(47)이 장착된다.

상기 인서트(40)가 인서트홈(32)에 장착된 상태에서 제2 성형면(41)은 제1 성형면(31) 위로 돌출된다. 스틸 블록(30)에는 볼트(50)의 삽입을 위한 삽입홈(34)이 마련되며, 이 삽입홈(34)을 통해 유입된 볼트(50)에 의해 인서트(40)가 스틸 블록(40)에 고정된다. 인서트(40)의 하부 바디(45)에는 볼팅을 위한 체결홈이 마련된다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 인서트홈(32)에는 냉각채널(33)이 관통한다. 인서트(40) 둘레면의 그루브(43)는 우회유로(C)로서 기능한다. 우회유로(C)는 제1 연결지점(C1)에서 냉각수 유입 측 냉각채널(33a)과 연결되며, 제2 연결지점(C2)에서 냉각수 유출 측 냉각채널(33b)과 연결된다. 제1 연결지점(C1)으로 유입된 냉각수는 분기되어 그루브(43)를 따라 흐른 후 제2 연결지점(C2)에서 합쳐져 배출된다.

상기 우회유로(C)를 따라 흐르는 냉각수가 제1 성형면(31)으로 누출되지 않도록 그루브(43)의 위와 아래에 배치 O링(47)이 배치된다. O링 장착홈(44)은 그루브(43)와 마찬가지로 인서트(40)의 둘레면을 따라 형성된다.

위와 같이 냉각수가 인서트(40)의 둘레면을 따라 우회하여 지나도록 하는 것이 인서트(40)의 냉각, 냉각수의 누출 방지 및 인서트홈(32)의 용이한 형성에 바람직한 할 것이나, 이와 달리 냉각수가 인서트(40)를 관통하도록 할 수도 있을 것이라는 점은 이해될 필요가 있다.

실시예에 따른 핫스탬핑 방법을 살펴본다.

실시예에 의하면 블랭크는 오스테나이트화 온도, 예로서 900℃ 이상으로 가열되며, 가열된 블랭크는 수초 내에 상기된 스틸 블록(30)을 갖는 핫스탬핑 금형에 의해 성형된다. 핫스탬핑 금형 내에는 냉각수가 흐르는 냉각채널이 마련되며, 블랭크는 핫스탬핑 금형 내에서 25℃/sec 이상의 속도로 냉각된다. 블랭크로는 Al-Si 도금층을 갖는 보론 강판이 사용될 수 있다.

성형이 완료된 상기 블랭크는 제1 성형면(31)에 의한 제1 성형부 및 인서트(40)의 제2 성형면(41)에 의한 제2 성형부를 가지며, 금형을 이용하여 트리밍 및 피어싱된다.

실시예에 의하면 트리밍과 피어싱은 함께 수행될 수 있다. 여기서 함께는 반드시 동시적인 것을 의미하는 것은 아니며, 하나의 금형(예를 들어 이 금형은 피어싱 금형으로 지칭될 수 있다) 내에서 트리밍 후 피어싱이 수행되는 것을 포함하는 의미로 받아들여질 필요가 있다.

상기 피어싱 금형은 제1 및 제2 성형면(41)에 대응하는 형상을 갖는다. 피어싱 시, 상기 블랭크의 성형부, 특히 제2 성형부는 피어싱 금형에 의해 견고히 구속 및 가압되며, 피어싱 툴에 의해 제2 성형부 상에 홀이 형성된다.

반복적인 핫스탬핑 과정에 상기 스틸 블록(30)의 인서트(40), 특히 모서리(42)가 마모가 진행된다. 인서트(40)의 모서리(42)의 마모 정도와 피어싱 금형의 대응 모서리의 마모 정도의 편차가 모니터링될 수 있다. 이 편차가 큰 경우, 제2 성형부에 찍힌 자국이 남을 수 있으며 이 자국은 크랙으로 발전할 수 있다. 편차가 관리 범위에 이른 경우, 인서트(40)를 새 것으로 교체한다.

본 발명에 따라 성형용 금형과 트리밍 혹은 피어싱 금형 간의 마모 정도의 편차가 모니터링 또는 미리 예측될 수 있으며, 그러한 편차로 인해 발생될 수 있는 핫스탬핑 부품의 품질 저하 문제를 신속하고도 경제적으로 해결 및 방지할 수 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

1: 블랭크 2: 성형부
10,30: 스틸 블록 11,31: 제1 성형면
12,41: 제2 성형면 13,33: 냉각채널
14,44: 모서리 20: 피어싱 금형
32: 인서트홈 33a,33b: 냉각채널
40: 인서트 43: 그루브
44: O링 장착홈 47: O링
50: 볼트 C: 우회유로
C1: 제1 연결지점 C2: 제2 연결지점

Claims (3)

1. 복수의 스틸 블록을 조립하여 제작되는 핫스탬핑 금형으로서, 복수의 스틸 블록 중 적어도 어느 하나는,
   인서트홈이 마련된 제1 성형면;
   상기 인서트홈을 통과하도록 내부에 마련된 냉각채널;
   상기 인서트홈에 끼워져 금형에 분리 가능하게 결합된 인서트, 여기서 인서트는 제1 성형면 위로 돌출된 제2 성형면을 구비하며, 제2 성형면은 모서리 형상을 가짐;을 포함하며,
   상기 냉각채널은 인서트의 둘레면을 타고 우회하는 유로에 연결되거나, 인서트를 관통하여 연장되는 것 중 적어도 어느 하나의 형태로 마련된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 금형.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 인서트의 둘레면에는 그루브가 형성되며,
   상기 우회하는 유로는 냉각채널과의 제1 연결지점으로부터 유입된 냉각수가 분기되어 그루브를 따라 흐른 후 냉각채널과의 제2 연결지점에서 합쳐져 나가도록 구성된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 금형.
3. 블랭크를 가열하는 단계;
   상기 가열된 블랭크를 청구항 1에 따른 금형을 이용하여 성형하는 단계, 여기서 성형된 블랭크는 제2 성형면에 대응하는 성형부를 갖게 됨; 및
   상기 성형된 블랭크를 피어싱 금형을 이용하여 성형부에 홀을 형성하는 단계, 여기서 성형부는 제2 성형면에 대응하는 형상을 갖는 피어싱 금형에 의해 가압됨;을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 방법.

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