KR101149732B1 - 금형의 열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 스캐너를 이용하여 금형의 성형 표면에 대하여 저입열의 레이저빔을 지그재그 형상의 조사패턴을 따라 일정 열처리속도로 조사하여 금형의 성형 표면층을 소입온도까지 급속 가열함과 동시에, 냉각에어로 급속 냉각시켜 성형 표면층의 내마모성과 내피로성을 향상시키며, 상기 고속 스캐너를 로봇과 연계 설치하여 금형의 형상과 위치에 무관하게 열처리를 진행할 수 있도록 함으로써, 범용성을 갖는 금형의 열처리방법을 제공한다.

레이저, 저입열, 지그재그, 열처리, 급속가열, 급속냉각

Description

금형의 열처리방법{HEAT TREATMENT METHOD OF PRESSING DIE}

본 발명은 금형의 열처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금형의 성형 표면에 대하여 저입열의 레이저빔을 일정한 조사패턴을 따라 일정 열처리속도로 조사하여 급속 가열함과 동시에, 냉각에어로 급속 냉각시켜 성형 표면층의 강도를 더욱 향상시키는 금형의 열처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 차체 부품의 제조과정은 여러 종류의 프레스 금형을 통하여 제품패널을 성형한 후, 차체공장에서 조립되어 화이트 바디(B.I.W) 상태의 차체를 제작하게 된다.

즉, 상기한 프레스 금형은 차체의 각 부분을 이루는 부품패널의 성형과정에서, 최초로 코일소재를 부품패널의 사이즈에 맞게 적당한 크기로 절단하는 블랭킹(BLANKING) 공정을 이루는 블랭킹 프레스 금형과, 부품패널의 형태로 다수회 가압 성형하는 드로우(DRAW) 공정을 이루는 드로우 프레스 금형, 부품패널에서 불필요한 부분을 절단하거나 홀 등을 가공하는 트림(TRIM) 또는 피어싱(PIECING) 프레스 금형 등으로 구분된다.

이러한 각 종 프레스 금형은 부품패널의 성형과정에서, 그 성형 표면에 많은 부하와 피로가 누적됨으로, 금형 본래의 재질이 갖는 강도 특성보다 높은 강도를 갖도록 열처리를 통하여 고강도화가 진행된다.

통상, 금형의 열처리는 고주파 열처리로 이루어지는데, 고주파 열처리는 고주파 유도가열의 열원으로 금형의 표면을 가열 및 냉각하여, 금형의 표면층을 오스테나이트 조직에서 마르텐사이트 조직으로 변화시킴으로서, 내마모성은 물론 내피로성을 더욱 유효하게 하여 그 기계적 성질을 높이게 된다.

즉, 이러한 고주파 열처리는 고주파 유도가열의 방법을 이용하여 금형의 표면을 소입온도(가열물의 재질에 따라 편차가 큼)까지 가열하여 공냉식 혹은 수냉식으로 순간 냉각함으로써 표면층에 소입 경화층을 만든 후, 템퍼링을 거쳐 내마모성을 향상시키게 되는데, 이때 경화 깊이는 주파수와 가열온도와 시간에 따라 달라진다.

그러나 상기한 금형의 고주파 열처리는 금형의 형상에 맞게 고주파 유도코일을 제작해야함으로 그 범용성이 떨어지고, 금형의 국부적인 부분까지 열처리가 어렵다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 고주파 열처리의 단점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고속 스캐너를 이용하여 금형의 성형 표면에 대하여 저입열의 레이저빔을 지그재그 형상의 조사패턴을 따라 일정 열처리속도로 조사하여 금형의 성형 표면층을 소입온도까지 급속 가열함과 동시에, 냉각에어로 급속 냉각시켜 성형 표면층의 내마모성과 내피로성을 향상시키는 금형의 열처리방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 고속 스캐너를 로봇과 연계 설치하여 금형의 형상과 위치에 무관하게 열처리를 진행할 수 있도록 함으로써, 범용성을 갖는 금형의 열처리방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 금형의 열처리방법은 로봇 아암의 선단에 장착되는 고속 스캐너를 통하여 금형의 성형 표면에 대하여 저입열의 레이저빔을 지그재그 형상의 조사패턴을 따라 조사하여 금형의 성형 표면층을 급속 가열하여 열영향부를 형성하는 단계와, 상기 금형의 열영향부에 에어노즐을 통하여 냉각에어를 분사하여 급속 냉각하는 단계를 포함하는 금형의 열처리방법에 있어서, 상기 열영향부는 반타원형의 단면형상을 가지며, 상기 금형의 성형 표면에서, 상기 조사패턴의 단위피치보다 큰 반경으로 형성되며, 상기 조사패턴의 단위피치당 적어도 2회 이상 중첩되도록 하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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상술한 바와 같이 본 발명에 따른 금형의 열처리방법에 의하면, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고속 스캐너를 이용하여 금형의 성형 표면에 대하여 3.2㎾~3.8㎾의 범위 내의 출력을 갖는 저입열의 레이저빔을 반복되는 "V"자 형상의 조사패턴을 따라 일정 열처리속도로 조사하여 금형의 성형 표면층에 소입온도까지 급속 가열된 열영향부를 형성한 후, 상기 열영향부를 냉각에어로 급속 냉각시켜 상기 금형상의 성형 표면층의 강도를 높임으로써, 금형의 성형 표면에 대하여 내마모성과 내피로성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 열처리방법은 고속 스캐너를 로봇과 연계 설치함으로써 금형의 형상과 위치에 무관하게 효과적인 열처리작업을 진행할 수 있도록 하는 효과 가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리방법의 공정 사시도 및 작업도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리방법에 의한 레이저빔의 조사 패턴도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리방법의 레이저빔의 조사패턴에 따른 열영향부의 중첩 원리도이다.

본 실시예에 따른 금형의 열처리방법은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 로봇(1)의 아암(3) 선단에 장착되는 고속 스캐너(5)로부터 조사되는 레이저빔(LB)을 이용하여 프레스 금형(10)의 성형 표면(F)을 열처리하기 위한 것으로, 상기 금형(10)의 성형 표면(F)에 대하여 저입열의 레이저빔(LB)을 지그재그 형상의 조사패턴(20)을 따라 일정한 열처리속도로 조사하여 진행된다.

즉, 상기한 금형의 열처리방법은 먼저, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 금형(10)의 성형 표면(F)에 대하여 상기 로봇(1)의 아암(3) 선단에 장착되는 고속 스캐너(5)를 통하여 저입열의 레이저빔(LB)을 일정피치(P)의 지그재그 모양을 갖는 조사패턴(20)을 따라 조사하여 금형(10)의 성형 표면(F)층을 일정깊이(D)로 소입온도까지 급속 가열하여 열영향부(H)를 형성한다.

그리고 상기 소입온도까지 가열된 금형(10)의 성형 표면(F)층에 형성되는 열영향부(H)에 대하여 상기 고속 스캐너(5)의 일측에 장착된 에어노즐(7)을 통하여 일정 분사속도로 냉각에어(AIR)를 분사하여 상기 열영향부(H)를 급속하게 냉각하여 열처리를 진행한다.

이때, 상기 금형(10)의 성형 표면(F)에는 저입열의 레이저빔(LB)에 의해 그 소입온도까지 가열되는 열영향부(H)가 지그재그 모양의 조사패턴(20)을 따라 중첩되어 형성된다.

즉, 상기한 조사패턴(20)은, 도 3에서 도시한 바와 같이, 반복되는 "V"자 형상으로 지그재그 모양을 형성하며, 그 단위피치(P)는 1mm 이하의 간격으로 설정되는 것이 실험적으로 바람직하였다.

이때, 상기 열영향부(H)는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 반타원형의 단면형상을 갖는데, 상기 금형(10)의 성형 표면(F)에서, 상기 조사패턴(20)의 단위피치(P) 보다 큰 반경(R)으로 형성되어 상기 열영향부(7)가 상기 조사패턴(20)의 단위피치(P)당 적어도 2회 이상 중첩되어 이루어진다.

여기서, 상기 레이저빔(LB)은 Nd:YAG 레이저발진기로부터 발진되는 Nd:YAG 레이저빔으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 금형의 열처리방법에서, 상기 저입열의 레이저빔(LB)이 갖는 출력은 3.2㎾ 내지 3.8㎾의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하고, 그 열처리속도는 150mm/sec 내지 250mm/sec의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하며, 이러한 수치는 수회에 걸친 시험결과를 통하여 확인할 수 있었다.

또한, 상기 금형(10)의 성형 표면(F)층에 형성되는 열영향부(H)의 깊이(D)는 0.8mm 내지 1.2mm 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하며, 이상적으로 1mm로 설정 되는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 에어노즐(7)을 통하여 분사되는 냉각에어는 상기 열영향부(H)에 대하여 20ℓ/min 만큼 공급되도록 그 분사속도가 설정되어야 이상적이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 일반적인 금속의 급속 냉각 조건에 따라 달라질 수 있을 것이다.

따라서 상기한 바와 같은 금형의 열처리방법에 의해 고 강도화가 요구되는 프레스 금형(10)의 성형 표면(F)에 대한 열처리는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 상기 금형(10)의 성형 표면(F)에 대하여 3.2~3.8㎾의 출력을 갖는 저입열의 레이저빔(LB)을 150mm/sec ~ 250mm/sec 범위 사이의 열처리속도로, 도 3에서 도시한 바와 같은 1mm 이하의 단위피치(P)를 갖는 지그재그 모양의 조사패턴(20)을 따라 조사하여 진행된다.

이때, 상기 금형(10)의 성형 표면(F)층에 형성되는 열영향부(H)는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 단위피치(P)당 적어도 2회 이상 중첩되어 형성되며, 이와 같이, 형성된 열영향부(H)는 에어노즐(7)을 통하여 직접 분사되는 냉각에어에 의해 급속 냉각되어 상기 금형(10)의 성형 표면(F)층의 금속조직이 오스테나이트 조직에서 마르텐사이트 조직으로 변화되어 내마모성은 물론 내피로성을 더욱 유효하게 하여 그 기계적 성질을 높이게 된다.

또한, 상기한 금형의 열처리방법은 종전의 고주파 열처리의 단점인 고주파 유도코일의 금형별 제작 없이도, 고속 스캐너(5)를 로봇(1)의 아암(3) 선단 설치함으로써 금형(10)의 형상과 위치에 무관하게 효과적인 레이저 열처리작업을 진행할 수 있으며, 무엇보다 금형(10)의 국부적인 열처리 작업도 손쉽게 진행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리방법의 공정 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리방법의 작업도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리방법에 의한 레이저빔의 조사 패턴도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리방법의 레이저빔의 조사패턴에 따른 열영향부의 중첩 원리도이다.

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15. 로봇 아암의 선단에 장착되는 고속 스캐너를 통하여 금형의 성형 표면에 대하여 저입열의 레이저빔을 지그재그 형상의 조사패턴을 따라 조사하여 금형의 성형 표면층을 급속 가열하여 열영향부를 형성하는 단계와, 상기 금형의 열영향부에 에어노즐을 통하여 냉각에어를 분사하여 급속 냉각하는 단계를 포함하는 금형의 열처리방법에 있어서,

    상기 열영향부는

    반타원형의 단면형상을 가지며, 상기 금형의 성형 표면에서, 상기 조사패턴의 단위피치보다 큰 반경으로 형성되며, 상기 조사패턴의 단위피치당 적어도 2회 이상 중첩되도록 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 강판의 레이저 용접방법.

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