[논문]금형 열전도율에 따른 핫스탬핑 공정 냉각 특성 연구

이경훈; 정믿음; 석주성; 서창희

doi:10.5228/kstp.2018.27.3.171

금형 열전도율에 따른 핫스탬핑 공정 냉각 특성 연구
Research on the Cooling Characteristics of Hot Stamping Process with Thermal Conductivity Die Steel 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.27 no.3, 2018년, pp.171 - 176

이경훈 ((주)솔루션랩) , 정믿음 ((주)솔루션랩) , 석주성 ((주)신화에스티) , 서창희 (대구기계부품연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the cooling characteristics of dies were investigated in the hot stamping process of front pillars for automobile. Two identical dies were manufactured out of tool steels with different thermal conductivities. The dies were designed with curved channels for uniform cooling of the blank. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were also carried out, which can consider the heat transfer among the coolant, die, and blank. Measured and simulated thermal histories of dies were compared, and it was shown that high conductivity tool steel has an excellent cooling capacity compared to conventional tool steel.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 선진사의 고열전도율 금형 소재와 기존의 STD61을 사용하여 곡선형 냉각 채널을 가진동일한 금형을 제작하고 시제품을 생산함으로써 금형 소재 변경에 따른 금형 냉각 효과를 검증하고자 한다. 또한 해석적 측면에서도 측정된 실험 결과를 바탕으로 보다 블랭크 온도의 정량적 예측이 가능한 열유동해석 방안을 수립하려 한다.
본 연구에서는 선진사의 고열전도율 금형 소재와 기존의 STD61을 사용하여 곡선형 냉각 채널을 가진동일한 금형을 제작하고 시제품을 생산함으로써 금형 소재 변경에 따른 금형 냉각 효과를 검증하고자 한다. 또한 해석적 측면에서도 측정된 실험 결과를 바탕으로 보다 블랭크 온도의 정량적 예측이 가능한 열유동해석 방안을 수립하려 한다.

제안 방법

블랭크가 금형에 안착 후 유압프레스를 사용하여 700톤의 하중으로 성형하였으며, 이후 금형을 닫아둔 상태로 블랭크를 냉각하였다. 냉각 시간은 1~10초로 조절하였으며, 냉각이 완료되면 금형을 열고 열화상 카메라로 블랭크의 온도를 측정하였다.
본 연구에서는 핫스탬핑 공정에서의 균일한 냉각과 시간 단축을 위한 방안으로 고열전도율 금형 소재의 영향을 검토하였다. 실제 제품을 대상으로 금형을 제작하고 시제품을 제작함으로써 금형 소재 변경에 따른 효과를 확인하였다.
본 연구에서는 핫스탬핑 공정에서의 균일한 냉각과 시간 단축을 위한 방안으로 고열전도율 금형 소재의 영향을 검토하였다. 실제 제품을 대상으로 금형을 제작하고 시제품을 제작함으로써 금형 소재 변경에 따른 효과를 확인하였다. 고열전도율 금형 소재인 뵈흘러 사의 W600은 기존 STD61 대비 상온에서 열전도성이 약 2배 정도 우수하였으며, 실제 핫스탬핑 공정에서도 블랭크의 냉각 속도를 빠르게 하는 효과를 나타냈다.

대상 데이터

대상 금형 소재로는 오스트리아 뵈흘러 사의 제품군을 검토하였다. 열간 금형강으로는 W600과 W360이 대상이 되었다.
W600은 기존 STD61에 비해 Cr 대신 Mo과 Ni 및 W의 함량이 높다. 본 연구에서는 열전도율에서 명확한 차이를 보이는 W600을 선정하여 연구를 진행하였다.
본 연구에서의 대상 부품은 자동차용 프론트 필러(front pillar)이다. STD61과 W600 소재를 사용하여 동일한 금형을 제작하였으며, 곡선형 냉각 채널을 가진다.

데이터처리

해석에 사용된 금형의 열물성들은 열역학 기반 물성 계산 프로그램 JMatPro를 사용하여 계산하였다. 계산된 열물성 중 대표적으로 열전도율과 비열을 Fig.

성능/효과

고열전도율 금형 소재인 뵈흘러 사의 W600은 기존 STD61 대비 상온에서 열전도성이 약 2배 정도 우수하였으며, 실제 핫스탬핑 공정에서도 블랭크의 냉각 속도를 빠르게 하는 효과를 나타냈다. 10초 냉각 시간에서 W600이 블랭크 온도를 약 22℃ 더 냉각하였다. 이런 빠른 냉각 성능은 양산 적용 시, 생산 시간 단축을 기대할 수 있다.
실제 제품을 대상으로 금형을 제작하고 시제품을 제작함으로써 금형 소재 변경에 따른 효과를 확인하였다. 고열전도율 금형 소재인 뵈흘러 사의 W600은 기존 STD61 대비 상온에서 열전도성이 약 2배 정도 우수하였으며, 실제 핫스탬핑 공정에서도 블랭크의 냉각 속도를 빠르게 하는 효과를 나타냈다. 10초 냉각 시간에서 W600이 블랭크 온도를 약 22℃ 더 냉각하였다.
열유동해석의 경우 실험 결과와 다소의 차이를 나타내고 있지만 블랭크의 온도값 및 온도 분포를 거의 유사하게 예측할 수 있음을 확인하였으며, 열유동해석을 통한 냉각 시간 예측이 유용하리라 판단된다.

후속연구

10초 냉각 시간에서 W600이 블랭크 온도를 약 22℃ 더 냉각하였다. 이런 빠른 냉각 성능은 양산 적용 시, 생산 시간 단축을 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핫스탬핑이란 무엇인가?	최근에는 고강도 제품을 냉간 성형하던 일본에서도 성형성 한계에 부딪쳐 핫스탬핑에 대해 많은 관심을 가지고 있으며, 자동차 차체에 적용하기 위한 많은 사항들을 검토 중에 있다. 핫스탬핑이란 590MPa급의 인장강도를 가지는 보론강 소재를 성형하기 용이한 900℃ 정도로 가열한 후 냉각수가 순환되고 있는 금형에서 성형과 동시에 냉각시키는 공법이다. 오스테나이트 상에서 마르텐사이트 상으로 변태시켜 1.
	냉각 채널 설계 방식 중, 곡선형 채널 방식의 특징 및 한계는 무엇인가?	가장 일반적으로 사용되는 직선형 채널방식은 금형 제작이 용이하나 채널과 금형 표면 간의 거리가 일정하지 않아 균일한 냉각에 부적합한 구조를 가진다. 금형 외곽 형상을 따라 냉각 채널을 제작하는 곡선형 채널 방식은 채널과 금형 간의 거리가 일정하여 균일한 냉각 분포를 제공하나 대형 금형의 경우 금형 분할 부위의 냉각 부재로 인한 국부적인 냉각 불균일을 야기한다. 또한 직선형 채널 방식에 비해 사용 중 누수 등의 문제점으로 적용에 한계를 지닌다.
	직선형 채널방식의 특징은 무엇인가?	효과적인 냉각 채널의 설계를 위해 다양한 방식의 채널 형태가 제안되어 적용되고 있다. 가장 일반적으로 사용되는 직선형 채널방식은 금형 제작이 용이하나 채널과 금형 표면 간의 거리가 일정하지 않아 균일한 냉각에 부적합한 구조를 가진다. 금형 외곽 형상을 따라 냉각 채널을 제작하는 곡선형 채널 방식은 채널과 금형 간의 거리가 일정하여 균일한 냉각 분포를 제공하나 대형 금형의 경우 금형 분할 부위의 냉각 부재로 인한 국부적인 냉각 불균일을 야기한다.

참고문헌 (12)

S. Y. Lee, K. Lee, Y. H. Lim, W. C. Jeong, 2013, Study on Heat Transfer Characteristic in Hot Press Forming Process, Trans. Mater. Process., Vol. 22, No. 2, pp. 101-107.

원문보기 상세보기
S. M. Hong, S. Y. Ryu, J. K. Park, S. J. Yoon, K. J. Kim, H. Y. Kim, 2009, Proc. Kor. Soc. Tech. Plat. Conf., Kor. Soc. Tech. Plast., Seoul, Korea, pp. 367-370.
H. Hoffmann, H. So, H. Steinbeiss, 2007, Design of Hot Stamping Tools with Cooling System, CIRP Ann. Manuf. Technol., Vol. 56, No. 1, pp. 269-272.

상세보기
Y. H. Han, K. Lee, C. H. Suh, J. J. Lee, Y. H. Lim, 2015, Proc. Kor. Soc. Tech. Plat. Conf.(editor: Y. H. Son), Kor. Soc. Tech. Plast., Seoul, Korea, pp. 101-104.
Y. Li, L. Ying, P. Hu, D. Shi, X. Zhao, M. Dai, 2013, The 11th Int. Conf. on Numer. Methods in Ind. Form. Process(editor: S. H. Zhang), AIP Publishing, Shenyang, China, pp. 471-177.
T. Lin, H. W Song, S. Zhang, M. Cheng, W. Liu, 2014, Cooling Systems Design in Hot Stamping Tools by a Thermal-fluid-mechanical Coupled Approach, Adv. Mech. Eng., Vol. 6, pp. 1-12.
K. Lee, J. J. Lee, C. H. Suh, 2016, Evaluation of Cooling Capability of Hot Press Forming Die with Thermal CFD Simulation, Trans. Mater. Process., Vol 25, No. 4, pp. 242-247.

원문보기 상세보기
J. W. Kum, O. J. Park, S. M. Hong, 2016, Tough High Thermal-Conductivity Tool Steel for Hot Press Forming, J. Kor. Soc. Manuf. Process. Eng., Vol 15, No 3, pp.111-114.
S. H. Cha, P. K. Seo, J. D. Nam, M. S. Ahn, K. W. Won, 2014, Proc. Kor. Soc. Tech. Plat. Conf., Kor. Soc. Tech. Plast., Seoul, Korea, pp. 111-114.
J. Cui, C. Lei, Z. Xing, C. Li, 2012, Microstructure Distribution and Mechanical Properties Prediction of Boron Alloy During Hot Forming using FE Simulation, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 535, pp. 241-251.

상세보기
P. Bosetti, S. Bruschi, T. Stoehr, J. Lechler, M. Merklein, 2010, Interlaboratory Comparison for Heat Transfer Coefficient Identification in Hot Stamping of High Strength Steels, Int. J. Mater. Form., Vol. 3, No. 1, pp. 817-820.

상세보기
N. H. Kim, C. G. Kang, 2010, The Prediction of Interfacial Heat Transfer Coefficient According to Contact Time and Pressure in Forging and Casting Die Materials for the Hot Press Forming, Trans. Mater. Process., Vol. 19, No. 6, pp. 378-386.

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