KR20100047619A - 금형의 열처리 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)이 갖는 열전도 특성을 이용하여 프레스 금형의 에지부를 급속 가열 및 급속 냉각을 반복하여 경화되도록 함으로써 경화작업이 간편하고, 경제적인 금형의 열처리 장치 및 그 방법을 제공한다.

전도용접구간, 열처리 방법, 전도열, 레이저빔, 급속 가열

Description

금형의 열처리 장치 및 그 방법{HEAT TREATMENT DEVICE AND METHOD OF METALLIC PATTERN}

본 발명은 금형의 열처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프레스용 금형의 에지부에 대하여 전도용접구간의 레이저빔을 이용하여 급속 가열 및 급속 냉각을 반복하여 경화작업을 이루도록 하는 금형의 열처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 메이커에서 자동차를 생산하기까지는 2 내지 3만 여개의 부품을 수 차례의 조립공정을 통하여 이루어진다.

특히, 차체는 자동차 제조과정의 첫 단계로서, 여러 종류의 프레스 장치를 통하여 제품패널을 생산한 후, 차체공장으로 옮겨와서 제품패널의 각 부분이 조립되어 화이트 보디(B.I.W) 상태의 차체를 이루게 된다.

이와 같이 소재패널을 제품패널로 성형하기 위해서는 여러 종류의 프레스 장비를 통하여 일정한 형태로 가압 성형하는 포밍(FORMING) 성형공정 후, 트리밍(TRIMMING)과 피어싱(PIECING) 및 플랜징(FLANGING) 등의 프레스 공정에서 절단, 홀 가공, 절곡 등의 가공작업을 거치게 되는 것이다.

이러한 프레스 공정 중에서, 도 1에서 도시한 바와 같이, 일례로 패널의 포밍(FORMING) 성형을 위한 포밍용 프레스 장치는 제품패널의 하단면 형상을 갖는 하형(101)가 하부의 볼스터(103)에 장착되고, 이 하형(101)의 외측에는 상기 볼스트(103)에 쿠션핀(105)을 통하여 블랭크 홀더(107)가 장착된다.

그리고 상기 하형(101)의 상부에서 제품패널의 상단면 형상을 갖는 상형(111)이 상부의 슬라이더(113)에 장착되어 상기 하형(101)과의 사이에 패널(100)을 상기 블랭크 홀더(107)에 걸친 상태에서 상부에서 가압하여 제품패널을 성형 가공하게 된다.

여기서, 도 2에서 도시한 바와 같은 하형(101)의 경우, 소재패널(100)과 상형(111)의 성형압력에 의해 에지부(E)는 큰 힘을 받기 때문에 열처리 또는 크롬도금 등의 방법을 통하여 그 에지부(E)의 경도를 강화하고 있다.

그런데, 종래와 같은 열처리는 침탄, 침탄질화 등의 방법을 통하여 에지부(E)의 표면경도를 강화하게 되며, 상기 크롬도금은 이형성이 좋은 이점은 있으나, 상기한 바와 같은 침탄 혹은 침탄질화 등의 열처리는 작업이 번거럽고, 상기 크롬도금은 금형의 제작원가를 높이는 원인이 되는 단점도 내포하고 있다.

이에, 동일 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원 제10-2007-0099870(출원일; 2007.10.04)에도 소개된 바와 같이, 비초점구간에서 소재에 대하여 열전도에 의한 용접이 가능한 전도용접구간(T2)의 레이저빔을 이용하여 상기 금형의 에지부를 급속 가열 후, 급속 냉각시키면, 금속조직의 경화가 가능한 원리에 착안하여, 이에, 상기 금형의 에지부 경화를 위하여 레이저빔을 이용한 새로운 열처리 장치 및 그 방법에 대한 요구가 있어 왔다.

한편, 상기한 전도용접구간의 레이저빔 특성에 대해서는 상기한 기 출원내용이 충분히 언급된 바, 이에 대한 특징적인 특성에 대하여 간단히 언급하면, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)은 비초점구간의 레이저빔으로, 도 4에서 도시한 바와 같이, 키홀용접구간(T1)의 초점 사이즈보다 몇 배의 빔 면적을 차지한다. 따라서 레이저빔(LB)의 밀도는 초점위치보다 훨씬 낮으나, 레이저빔(LB)이 알루미늄 합금 등의 소재패널(100) 표면에 충돌하는 순간 소량의 금속증기가 발생하고 용융되면서 용접이 가능해지고 용접패턴 또한 반달형상으로, 키홀용접구간(T1)의 레이저빔(LB)과는 다른 형상으로 나타난다.

이에, 상기한 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)이 갖는 열전도 현상에 착안하여 상기한 프레스 금형의 에지부(E)에 대한 열처리 시에, 급속 가열을 위하여 상기한 바와 같은 전도열을 이용하는 것이 가능할 것이다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 금형의 새로운 열처리 장치 및 그 방법에 대한 요구에 의해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)이 갖는 열전도 특성을 이용하여 프레스 금형의 에지부를 급속 가열 및 급속 냉각을 반복하여 경화되도록 함으로써 경화작업이 간편하고, 경제적인 금형의 열처리 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명에 의한 금형의 열처리 장치는 로봇 암의 선단에 장착되어 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔을 열처리할 금형의 에지부에 조사하여 전도열을 제공하는 레이저 옵틱헤드; 상기 레이저 옵틱헤드의 일측부에 장착되어 상기 레이저빔이 조사된 금형의 에지부 온도를 검출하는 온도센서; 상기 레이저 옵틱헤드의 타측부에 장착되어 상기 레이저빔이 조사된 금형의 에지부에 대하여 냉각공기를 고속으로 분사하는 냉각공기노즐로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 레이저빔은 전도용접구간의 레이저빔인 것을 특징으로 한다.

상기 레이저 발진기는 Nd:YAG 레이저 발진기인 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 의한 금형의 열처리 방법은 지그 상에 열처리할 금형을 안착시키는 제1공정; 로봇을 거동하여 상기 금형의 에지부를 따라 레이저빔을 조사하는 레이저 옵틱헤드를 이동시키는 제2공정; 상기 제2공정 중에, 상기 레이저 발진 기를 구동시켜 상기 레이저 옵틱헤드를 통하여 상기 금형의 에지부를 따라 전도용접구간의 레이저빔을 조사하여 전도열을 통해 상기 에지부를 급속 가열시키는 제3공정; 상기 제3공정에 의해 전도용접구간의 레이저빔이 조사된 금형의 에지부 온도를 검출하는 제4공정; 상기 제4공정에서, 상기 금형의 에지부 온도가 설정치에 도달하면, 상기 금형의 에지부를 따라 냉각공기를 분사하여 상기 에지부를 급속 냉각시키는 제5공정; 상기 제5공정에 이어, 상기 금형의 에지부를 사상하는 제6공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 레이저빔은 Nd:YAG 레이저 발진기를 통하여 발진되는 것을 특징으로 한다.

상기 제3공정에서, 상기 레이저빔의 조사는 상기 금형의 에지부 모서리에 경사지게 조사되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 금형의 열처리 장치 및 그 방법에 의하면, 로봇의 거동에 따라 열처리할 프레스 금형의 에지부를 따라 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)을 조사하여 그 열전도 특성을 이용하여 급속 가열하고, 상기 에지부가 설정온도 일 때 냉각공기를 분사하여 급속 냉각을 반복함으로써 상기한 금형의 에지부 열처리 작업을 간편하게 경제적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 실현할 수 있는 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리 장치의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리 개념도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리 방법에 따른 공정 블록도이다.

본 실시예에 따른 금형의 열처리 장치는, 도 5와 도 6에서 도시한 바와 같이, 로봇(1) 암(3)의 선단에 레이저 옵틱헤드(5)가 장착되며, 상기 레이저 옵틱헤드(5)는 레이저 발진기(7)로부터 발진되는 레이저빔(LB)을 열처리할 금형(10)의 에지부(E)에 조사하여 전도열을 제공하도록 구성된다.

즉, 상기 레이저 옵틱헤드(5)는 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)을 상기 금형(10)의 에지부(E)에 조사하게 된다.

또한, 상기한 레이저 발진기(7)는 Nd:YAG 레이저 발진기인 것이 바람직하다.

그리고 상기 레이저 옵틱헤드(5)의 일측부에는 온도센서(9)가 브라켓(11)을 통하여 장착되는데, 상기 온도센서(9)는 상기 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)이 조사되어 그 전도열에 의해 급속 가열된 금형(10)의 에지부(E) 온도를 검출하여 그 신호를 제어기(20)로 출력한다.

또한, 상기 레이저 옵틱헤드(5)의 타측부에는 냉각공기노즐(13)이 장착되는데, 상기 냉각공기노즐(13)은 상기 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)이 조사되어 급속 가열된 금형(10)의 에지부(E)에 대하여 냉각공기를 고속으로 분사하여 급속 냉각시키도록 상기 레이저빔(LB)이 조사되는 금형(10)의 에지부(E)를 향하여 형성된다.

즉, 상기 냉각공기노즐(13)은 그 일측이 라인에어를 공급하는 에어 공급 관(15)과 연결되어 냉각공기를 공급받도록 구성되며, 상기 제어기(20)의 제어신호에 따라 상기 에어 공급관(15) 상의 솔레노이드 밸브(17)가 온,오프(ON,OFF) 구동함으로써 급속 가열된 상기 금형(10)의 에지부(E)에 대하여 냉각공기를 분사하도록 구성된다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 금형의 열처리 장치를 이용한 상기 금형(10)의 에지부(E)를 열처리하는 방법은, 도 7에서 도시한 바와 같이, 먼저, 지그(30) 상에 에지부(E)를 열처리할 금형(10)을 안착시킨다.(S1)

이어서, 로봇(1)을 거동하여 상기 금형(10)의 에지부(E)를 따라 레이저빔(LB)을 조사하는 레이저 옵틱헤드(5)를 이동시키게 된다.(S2)

이와 같이, 상기 레이저 옵틱헤드(5)가 금형(10)의 에지부(E)를 따라 이동하는 과정에, 상기 레이저 발진기(7)를 구동시켜 상기 레이저 옵틱헤드(5)를 통하여 상기 금형(10)의 에지부(E)를 따라 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)을 조사하여 전도열을 통해 상기 에지부(E)를 급속 가열시키게 된다.(S3)

이때, 상기 레이저빔(LB)의 조사는 상기 금형(10)의 에지부(E) 모서리(P)에 경사지게 조사되도록 하여 전도열이 그 모서리(P) 양측으로 작용하도록 하는 것이 중요하다.

상기와 같이, 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)을 조사하는 과정에, 상기 온도센서(9)는 상기 금형(10)의 에지부(E) 온도를 검출하여 그 신호를 제어기(20)로 출력하게 된다.(S4)

이때, 상기 금형(10)의 에지부(E) 온도가 설정치에 도달하면, 제어기(20)는 상기 솔레노이드 밸브(17)를 제어하여 냉각공기노즐(13)을 통하여 상기 금형(10)의 에지부(E)를 따라 냉각공기를 고속으로 분사하도록 하여 상기 에지부(E)를 급속 냉각시키게 된다.(S5)

이와 같이, 상기 금형(10)의 에지부(E)가 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)에 의한 전도열과 냉각공기의 분사에 의한 급속 가열과 급속 냉각을 반복하여 열처리가 완료되면, 상기 에지부(E)를 제품성형 치수에 맞게 사상 가공하여 전체적인 열처리 공정을 완료함으로써 상기 금형(10)의 에지부(E)를 경화시키게 된다.(S6)

도 1은 일반적인 프레스 금형의 구성도이다.

도 2는 일반적인 프레스 금형의 하형의 사시도이다.

도 3은 일반적인 레이저빔의 초점구간의 개념도이다.

도 4는 일반적인 레이저빔에 의한 전도용접의 개념도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리 장치의 구성도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리 개념도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금형의 열처리 방법에 따른 공정 블록도이다.

Claims (6)

1. 금형의 열처리 장치에 있어서,

   로봇 암의 선단에 장착되어 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔을 열처리할 금형의 에지부에 조사하여 전도열을 제공하는 레이저 옵틱헤드;

   상기 레이저 옵틱헤드의 일측부에 장착되어 상기 레이저빔이 조사된 금형의 에지부 온도를 검출하는 온도센서;

   상기 레이저 옵틱헤드의 타측부에 장착되어 상기 레이저빔이 조사된 금형의 에지부에 대하여 냉각공기를 고속으로 분사하는 냉각공기노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금형의 열처리 장치.
2. 제1항에서,

   상기 레이저빔은

   전도용접구간의 레이저빔인 것을 특징으로 하는 금형의 열처리 장치.
3. 제1항에서,

   상기 레이저 발진기는

   Nd:YAG 레이저 발진기인 것을 특징으로 하는 금형의 열처리 장치.
4. 금형의 열처리 방법에 있어서,

   지그 상에 열처리할 금형을 안착시키는 제1공정;

   로봇을 거동하여 상기 금형의 에지부를 따라 레이저빔을 조사하는 레이저 옵틱헤드를 이동시키는 제2공정;

   상기 제2공정 중에, 상기 레이저 발진기를 구동시켜 상기 레이저 옵틱헤드를 통하여 상기 금형의 에지부를 따라 전도용접구간의 레이저빔을 조사하여 전도열을 통해 상기 에지부를 급속 가열시키는 제3공정;

   상기 제3공정에 의해 전도용접구간의 레이저빔이 조사된 금형의 에지부 온도를 검출하는 제4공정;

   상기 제4공정에서, 상기 금형의 에지부 온도가 설정치에 도달하면, 상기 금형의 에지부를 따라 냉각공기를 분사하여 상기 에지부를 급속 냉각시키는 제5공정;

   상기 제5공정에 이어, 상기 금형의 에지부를 사상하는 제6공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금형의 열처리 방법.
5. 제1항에서,

   상기 레이저빔은

   Nd:YAG 레이저 발진기를 통하여 발진되는 것을 특징으로 하는 금형의 열처리 방법.
6. 제1항에서,

   상기 제3공정에서,

   상기 레이저빔의 조사는 상기 금형의 에지부 모서리에 경사지게 조사되는 것을 특징으로 하는 금형의 열처리 방법.

Images