[논문]유동 및 응고해석에 의한 자동차 부품의 제품결함 예측

이동훈; 강충길; 이석규

문제 정의

중요하다. 따라서 본 연구에서는 2가지 사출 조건에 따른 충전해석 및 응고해석을 수행하여 결함 예상 부위를 예측하고 최적의 사출 조건을 찾고자 하였다. Multi-step(lst condition)과 Two-step(2nd condition)의 2가지 경우의 사출 조건을 Fig.
본 연구에서는 용탕 충전 및 응고현상에 대한 수치해석을 통하여 주조공정 상에 발생되는 충전 및 응고 과정을 신속하고 정확하게 예측함으로서 주조결함의 문제점을 미연에 방지하여 생산비 절감과 함께 단시간에 건전한 주조방안을 확립하여 주조공정설계에 이용하고자 한다. 여기에서는 HPDC 공정으로 양산중인 Support Cam Shaft(이하 SCS)오I Fly Wheel Housing(이하 FWH)을 주조전용 상용코드인 MAGMAso住를 이용하여 용탕충전과 응고해석을 수행하여 충전해석결과와 실제 제품의 충전거동을 비교하였으며, 충전과 응고해석에 의해 예측된 결함과 실제제품에서의 결함을 비교 검토하였다.
이와 같이 실제 현장에서는 파악하기 곤란한 현상들을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 보다 명확하게 규명, 검증함으로서, 실제제품과의 해석의 정도(accuracy)와 신뢰성 (reliability)을 평가하고 향후 다이캐스팅 제품의 제조 시 주조 금형 설계의 최적화에 의한 품질 및 생산성 향상에 기여하고자 하는데 목적이 있다.

제안 방법

다음으로 두 번째 사출 조건을 적용하여 충전 및 응고해석을 수행하였다. Fig.
14에서 보여주는 바와 같은 사출 조건일 경우는 cavity내의 용탕이 비산할 뿐만 아니라 가운데 흘의 영향으로 용탕이 휘돌아서 충전되는 양상을 뚜렷이 나타내고 있다. 따라서 Fig. 13에 나타낸 사출 조건들을 건전한 충전을 위하여 가운데 부위의 홀을 overflow 형식으로 변환하여 전산해석을 수행하였다.
여기에서는 HPDC 공정으로 양산중인 Support Cam Shaft(이하 SCS)오I Fly Wheel Housing(이하 FWH)을 주조전용 상용코드인 MAGMAso住를 이용하여 용탕충전과 응고해석을 수행하여 충전해석결과와 실제 제품의 충전거동을 비교하였으며, 충전과 응고해석에 의해 예측된 결함과 실제제품에서의 결함을 비교 검토하였다.
유동해석에서는 저속 사출 속도를 0.3 m/s, 중속 사출 속도를 1.2 m/s, 고속 사출 속도를 3.3m/s로 하여 해석을 수행하였다. Fig.
응고해석은 소프트웨어 자체의 X-ray 기능(응고 발생부위는 보이지 않고 미 발생 부위만 보이는 기능) 에의하여 응고된 부분이 보이지 않도록 설정하여 응고가 늦게 일어나는 부위를 확인하였다. Fig.
14의 해석조건과 마찬가지로 2단 사출 조건으로 주조조건을 선정하여 해석을 수행하였다. 이번 조건은 앞서의 2단 사출 조건과는 다르게 저속, 고속절환위치를 주입구 통과 직후로 선택하지 않고 용탕의 비산을 방지하기 위하여 중앙 홀 부위까지는 어느 정도 충전이 진행된 후 고속으로 절환 되는 사출 조건으로 해석을 수행하였다. 충전 해석 결과를 Fig.
자동차 부품인 SCS(Support Cam Shaft)와 FWH (Fly Wheel Housing)을 주조전용 상용 소프트웨어로 전산해석을 수행한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.
전산 해석에 의한 고압 주조 제품의 해석 결과를 실제 제품 및 공정과 비교 검토하기 위하여 양산중인 금형 (SCS)과 현재 제작에 들어간 금형 (FMH)을 기준으로 상용 CAD 소프트웨어인 CATIA VCT4.1.7을 이용하여 3차원 솔리드 모델링을 수행하였다.
주조 전용 상용 code인 MAGMAsoft의 전 처리기에 서 STL file로부터 cast, gate, runner, side core 둥의 material group을 생성하였고, cooling channel, biscuit, 고정 다이, 이동 다이 및 가상 열전대 등은 MAGMAsof倒 자체 형상 모델러를 이용하여 생성하였다. 직교좌표 분할에 의해 자동요소 분할된 요소 수는 SCS의 경우 5, 754, 816개, 주물 cavity에 해당하는 metal cell 요소의 수는 255, 560개이고, FWH의 경우 요소 수는 7, 834, 806개이고 metal cell 의 수는 294, 351개이다.
주형(cavity)내의 충전 거동을 비교하기 위해서 SCN/66 다이캐스팅 머신의 플런저 (plunger) 전진길이를 270mn御서 30, 60, 90 mm긴격으로만 충전을 진행시켜 유동 해석결과와 비교해보니 60, 75, 90% 충전 해석 결과와 실험한 제품이 비슷한 충전거동을 나타내었다. 유동해석에서는 저속 사출 속도를 0.

성능/효과

1) SCS의 경우 전산해석상에 나타난 충전해석 결과와 플런저 전진 길이의 변화에 따른 실제 제품의 충전양상이 일치하였으며, 공기의 흔입에 의한 충전 결함 예상 부위 및 웅고 결함이 side core부를 따라 발생하는 해석상의 응고 수축결함 예상부위와 실제제품과 잘 일치하였다.
2) 금형의 열적 안정성 해석결과도 실제와 동일하게 7번째 Cycle부터 금형의 열적 안정화가 이루어지는 것으로 나타났다. 또한, 주입구의 응고 완료시간이 약 6 초 정도이므로 실제 제품 성형 시 생산성의 중대를 위한 적절한 가압 유지 조건을 선정할 수 있었다.
3) 기존의 사형주조로 양산되던 제품의 개발에 앞서 전산해석을 수행하여 주조방안 및 금형 설계의 신뢰성을 확보하였고, 충전 실험을 수행한 결과 전산해석의 직접적인 현장 적용이 가능한 것으로 판단되었다.
IS의 (b)인 2단 사출 조건이 최종적으로 응고가 일어나는 부분이 더 작으日로 (a)에 비하여 응고결함이 발생할 가능성이 더 작을 것으로 판단되었다. 90% 응고 시까지 응고시간은 2단 사출 조건이 온도손실이 없이 빠르게 충전되었기에 cavity내가 고온의 상태이므로 다단 사출 조건에 비해 약 2초 정도 더 긴 19초 정도의 응고시간이 걸림을 알 수 있었다.
나타났다. 또한, 주입구의 응고 완료시간이 약 6 초 정도이므로 실제 제품 성형 시 생산성의 중대를 위한 적절한 가압 유지 조건을 선정할 수 있었다.
8에 나타나 있다. 실제 제품의 결함 부를 해석결과와 비교해보니 해석상에서 용탕이 휘돌아가면서 공기를 혼입하는 충전 결합예상 부위에서 실제 제품의 기포결함이 발생함을 알 수 있었다. 해석상의 결함 예상 위치와 실제제품의 결함 위치가 유사하게 나타났다.
16에 나타내었다. 첫 번째와 두 번째 사출 조건을 서로 비교해보면 충전양상은 거의 유사하게 나타났었으나 두 번째 2단 사출 조건이 다단 사출 조건과는 달리 충전시간이 상당히 짧으旦로 온도손실을 현격히 줄일 수가 있을 것으로 판단된다.
7跄초로 너무 길기 때문에 충전 완료 이전에 용 탕의 온도손실이 상당히 많이 발생하여 건전한 주물을 얻기 어려울 것으로 사료된다. 충전 선단 부의 온도손실이용 탕 초기온도와 비교해보면 약 10(TC정도의 차이가 나며, 이미 액상선에 가까운 온도에 도달한 부분들도 나타났다.

후속연구

4) 다이캐스팅시 금형 설계와 주조방안을 최적화하기 위하여 지금까지는 양산 중에 여러 차례의 시행착오 및 경험에 의한 금형 수정을 통하여 최적의 주조방안을 수립하였으나 전산해석에 의한 유동 및 응고해석으로 금형의 설계와 주조방안을 확립함으로써 정확하고 명확한 원인규명과 대책방안의 수립에 의한 생산성의 향상 및 금형 설계 시간의 단축 등을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
말할 수 있다. 이러한 상용 Code를 이용한 전산해석으로 cavity내의 용탕 유동의 가시화 및 응고 양상을 파악함으로써 주조품의 결함예측 및 불량감소, 품질 향상, 생산성의 향상, 금형의 설계 및 수정의 용이함 등의 효과가 기대된다.
있다. 이상의 결과에서 알 수 있듯이 2번째 조건인 2단 사출 조건이 다단 사출 조건 보다 더 양호한 충전 및 응고 해석결과를 가져다 줄 것으로 판단되었지만, 스타트 모터 조립부의 미충전 등의 충전결함을 방지하기 위해서 사출 조건을 변경하여 전산해석 및 filling 比睫를 수행할 필요가 있다고 생각된다.
가압력은 불필요하다고 판단된다. 주입구의 응고 시간을 고려하여 최적의 가압 유지시간을 설정함으로서 제품의 공정시간(1 cycle time)의 단축에 의한 생산성의 향상을 기대할 수 있을 것으로 사료되어 진다.

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