[논문]탕류 및 응고 해석을 통한 자동차 Gear Housing의 다이캐스팅 주조공정 설계

박진영; 김억수; 박익민

문제 정의

따라서 다이캐스팅 산업에 있어, 이러한 CAD/ CAE 기술은 향후 경제적이고 효율적인 제품생산을 위한 효과적인 도구로서 한층 더 발전할 것으로 기대된다[5]. 본 연구에서는 자동차 변속기용 Gear Housing 에 적용하고자 하는 세 가지 방안에 대하여 주조해석전용 Code인 MAGMAsoft를 이용하여 충전 및 응고해석을 행하고 예견되는 제품의 결함 및 결함제어 가능성을 진단함으로써 개선방안을 제안하고 최종적으로 금형 설계 제작에 반영하여 실제 주조된 제품과 해석 결과와 비교하고, 궁극적으로는 주조결함이 없는 최적화된 주조방안을 설계하고자 하였다.
그리고 방안3은 방안1과 동일한 주조방안에 상부에 진공을 사용할 수 있도록 진공방안를 설계한 형상이다. 본 연구에서는 충전해석을 통해 각각의 방안에 따른 용 탕의 흐름을 조사하고 각 방안이 용탕의 흐름에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보았다. 또한 Air pressure criteria를 이용하여 캐비티 내부의 압력을 예측하고 이를 통하여 가스에 의한 결함의 발생가능성을 알아보았다.
수축결함의 발생이 예측되었고 실 주조에서 확인된 후 육부 2개소에 대한 개선대책으로 응고시 부족분에 대한 용탕을 국부적으로 가압 충전해주는 방식의 국부 가압시스템을 적용하고자 하였다. 현재 MAGMAsoft는 국부 가압시스템의 해석을 지원하지 않기 때문에 응고해석을 통해 해당 부위의 최적 가압시간을 알아보고자 하였으며, 이를 위해 Fig.
응고해석 결과에서 예견된 최종 충전부인 제품 후 육부의 응고거동을 통해 응고 시 필연적으로 동반되는 수축결함을 예측하고, 수축결함을 근본적으로 제어할 수 있는 국부가압방식의 적용을 위해 가압력의 영향을 예측하고 적절한 가압개시 시간을 도출하여 설계에 반영하고자 하였다.

가설 설정

5 m/s의 고속사출의 2단 사출 조건이며 고속 스트로크는 250 mm로 조건을 설정하였다. 또한 진공설정은 캐비티 내부 압력을 사출 시작 전 1기압 (1013mbar)에서 사출시작 2초 후에 lOOmbar로 감소시키는 것으로 설정하였다.

제안 방법

3, 4, 5에 나타내었다. 2단 사출속도에 의해 경험적으로 유사제품의 최적 양산조건인 탕도부를 모두 채우고 제품 부의 충전이 약 30% 정도 진행되는 시점에서 저속에서 고속으로 속도를 전환하는 것으로 조건 설정하였다. 즉, 방안1은 저속(0.
Fig. 10의 응고 거동을 통해 예측되는 수축결함 확률을 알아보기 위해 Fig. 11과 같이 제품의 후육부 2개소를 가상절단하여 응고 양상 및 feeding에 의한 수축공 발생을 예측하고 실 주조품의 동일부를 컴퓨터 단층촬영 (CT) 결과와 비교하였다. 그림에 보인 바와 같이 후육부 2개소의 단면 응고 거동 결과에서도 타 부위에 비하여 역시 응고 진행속도가 매우 느림을 관찰할 수 있으며, Feeding성의 해석 결과에서는 reverse geai부위는 비교적 feeding이 양호한 것으로 해석되었으나 main shaft hole 부의 feeding 성은 국부적으로 10-60% 정도로 feeding성이 낮은 부위가 2개소 나타났으며, 이 부위에 수축결함이 예상된다.
MAGMAsoft를 이용하여 자동차 변속기 용 gear housing에 대하여 주조해석을 행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
그리고 용탕 , 금형, 금형. 냉각수 등 이물질간의 열전도도를 고려하여 경계조건을 설정하였다. 다이캐스팅머신은 형체력이 2250 ton인 냉가압실식 다이캐스팅기로 플런저팁은 140 mm, 사출 슬리브의 길이는 850 mm로 조건을 설정하였고, 플런저의 사출 조건은 0.
냉각수 등 이물질간의 열전도도를 고려하여 경계조건을 설정하였다. 다이캐스팅머신은 형체력이 2250 ton인 냉가압실식 다이캐스팅기로 플런저팁은 140 mm, 사출 슬리브의 길이는 850 mm로 조건을 설정하였고, 플런저의 사출 조건은 0.25 m/s의 저속사출과 2.5 m/s의 고속사출의 2단 사출 조건이며 고속 스트로크는 250 mm로 조건을 설정하였다. 또한 진공설정은 캐비티 내부 압력을 사출 시작 전 1기압 (1013mbar)에서 사출시작 2초 후에 lOOmbar로 감소시키는 것으로 설정하였다.
본 연구에서는 충전해석을 통해 각각의 방안에 따른 용 탕의 흐름을 조사하고 각 방안이 용탕의 흐름에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보았다. 또한 Air pressure criteria를 이용하여 캐비티 내부의 압력을 예측하고 이를 통하여 가스에 의한 결함의 발생가능성을 알아보았다. 이러한 해석결과를 바탕으로 최적의 주조방안을 선택하여 실제 금형 제작에 반영하였으며, 캐비티 내부의 가스 압력의 영향을 확인하기 위해 진공사용을 선택적으로 할 수 있도록 금형을 설계, 제작하였다.
등을 나타내었다. 또한 Feeding criteria를 통한 분석으로 수축결함의 발생 가능성을 예측하고 예측된 위치에 수축결함이 실제 주조에서는 어떠한 양상으로 나타나는지를 알아보기 위해 실 주조품을 CT로 촬영하여 비교하였다.
MAGMAsoft에서 형상 모델링은 상용 3차원 CAD 프로그램에서 생성된 solid를 STL 형식의 파일로 변환하여 preprocessor에서 사용한다. 본 연구에서는 Gear Housing에 적용하고자 하는 세 주조방안에 대해 Fig. 2에서와 같이 3차원 CAD 프로그램을 이용하여 3D solid 모델링을 한 후 STL 파일로 변환하였으며, 전처리과정을 통해 각각 변환된 STL 파일로부터 주물 (cast), 탕구(ingate), 탕도(runner), 비스켓 (biscuit) 등의 material group을 형성하였고, 냉각 채널, 고정금형 및 가동 금형 등은 MAGMAsoft의 preprocessor의 CAD 기능을 이용하여 형성하였다. 오소분할(enmeshment)은 FVM(finite volume method) 방식에 의한 수직 좌표 분할기법을 이용하였고 해석에 이용된 전체 요소 분할 수는 21,000, 00。개이다.
탕도부의 설계가 요구된다. 본 해석에 적용된 주조방안은 Fig. 2에서와 같이 크게 3가지 방안으로 방안1 은 탕도형상이 주 탕도에서 가지(branch)가 한쪽으로 뻗어 나오는 형상이고, 방안2는 가지가 양쪽으로 뻗어 나오는 대칭형 형상이다. 그리고 방안3은 방안1과 동일한 주조방안에 상부에 진공을 사용할 수 있도록 진공방안를 설계한 형상이다.
응고해석은 충전 완료를 기준으로 응고진행율과 응고 진행시간을 단위로 병행하여 그 결과를 나타내었으며, 응고가 느린 수축 응고결함의 발생 가능성이 높을 것으로 예상되는 제품의 중심 후육부위를 가상 절단하여 각 방안의 수축 응고결함 발생 위치, 온도 및 냉각속도, 응고진행률 등을 나타내었다. 또한 Feeding criteria를 통한 분석으로 수축결함의 발생 가능성을 예측하고 예측된 위치에 수축결함이 실제 주조에서는 어떠한 양상으로 나타나는지를 알아보기 위해 실 주조품을 CT로 촬영하여 비교하였다.
11에 보인 바와 같이 feeding성 해석 결과와는 완전하게 일치하지는 않았지만 응고해석의 결과에서 가장 높은 온도분포를 보인 최종 응고부에서 조대한 수축공이 발생함을 알 수 있었다. 이것은 앞서 응고해석 결과에서도 확인할 수 있듯이 냉각채널의 설치만点는 수축공의 제거에 한계가 있음을 보여주는 결과이며, 이를 해결하기 위해서 국부 가압법을 실제 주조 시에 적용하였다.
이러한 기포 결함 여부를 확인하기 위해 최종 충전 부위에 CT 촬영을 행하였으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 진공적용 전의 최종 충전부에서는 다수의 기포결함이 발생한 것을 확인할 수 있으나, 진공이 적용된 방안에서는 기포결함이 없는 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있었다.
때문인 것으로 판단된다. 이러한 해석결과를 바탕으로 방안3의 주조방안을 최적 방안으로 선택하여 금형 제작에 반영하였다.
또한 Air pressure criteria를 이용하여 캐비티 내부의 압력을 예측하고 이를 통하여 가스에 의한 결함의 발생가능성을 알아보았다. 이러한 해석결과를 바탕으로 최적의 주조방안을 선택하여 실제 금형 제작에 반영하였으며, 캐비티 내부의 가스 압력의 영향을 확인하기 위해 진공사용을 선택적으로 할 수 있도록 금형을 설계, 제작하였다. 해석 결과는 실 주조품의 컴퓨터 단층촬영 (Computer Tomography, CT) 촬영으로 비교분석 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 주조해석에 사용된 주조조건은 Table 1 과 같으며, 주물 및 금형의 재질은 각각 ADC₁₂ 및 SKD610IS)로 설정하였으며, 용 탕의 초기 온도는 670℃, 금형의 초기 예열온도는 180℃로 설정호}였다. 그리고 용탕 , 금형, 금형.

데이터처리

이러한 해석결과를 바탕으로 최적의 주조방안을 선택하여 실제 금형 제작에 반영하였으며, 캐비티 내부의 가스 압력의 영향을 확인하기 위해 진공사용을 선택적으로 할 수 있도록 금형을 설계, 제작하였다. 해석 결과는 실 주조품의 컴퓨터 단층촬영 (Computer Tomography, CT) 촬영으로 비교분석 하였다.

성능/효과

그 결과 Fig. 10의 (a) 에 나타낸 바와 같이 예측 가능했던 제품의 최 후육부 2개소(reverse gear부, main shaft hole 부)에서 응고가 15초 이상 진행되어도 액상선 부근의 온도인 550~570。(2의 온도 분포를 보이며 응고 속도가 매우 느리게 진행되어 최종 응고부로 남게 됨을 알 수 있었다. 따라서 Fig.
9의 (b)와 같이 후 육부 2개소의 냉각설계를 보강(reverse gear부:1개소 추가, main shaft hole 부: 냉각홀의 단면적 3배 확장)한 후 응고해석을 진행호]였으며, 그 결과는 Fig. 10의 (b) 에서와 55%의 응고율에서 약 0.229 초, 70%의 응고율에서 0.360초, 그리고 응고가 거의 완료되기 직전인 85%의 응고율에서 0.39C초 정도의 응고 속도의 변화는 나타났지만 기대했던 만큼의 응고 거동의 변화는 보이지 않았고 역시 동일한 후육부 2개소가 최종 응고 부위로 잔존하게 되어 냉각채널의 설계개선만으로는 응고수축의 결함을 근본적으로 피하기는 어려울 것으로 예측되었다.
1) 충전해석 결과 충전 과정 중 용 탕의 온도 변화를 파악하여 탕회불량의 발생 가능성을 확인할 수 있었으며, 이를 바탕으로 시행착오를 대폭 줄일 수 있는 주조방안의 설계 및 오버플로우 위치의 정확한 설정이 가능함을 알 수 있었다.
2) Air pressure criteria를 통하여 최종 충전 부위의 기포결함 발생 여부를 예측할 수 있었으며, X・ray 촬영 (CT) 을 통해 실 주조품과 비교한 결과 비교적 해석 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
3) 응고해석 결과 응고 거동 및 feeding 분석을 통해 수축결함의 위치를 예측할 수 있었고, 이를 x・ray 촬영을 통해 실 주조품과 비교한 결과 응고거동의 결과는 실제결함의 위치와 유사하게 해석되었으나 feeding 성의 해석결과와는 다소 차이를 보였다.
4) 결함이 예상되는 후육부의 단면 응고 시간의 분석을 통하여 최적의 국부가압개시 시간을 예측할 수 있었으며, 실주조에 국부가압장치를 적용하고 최적 조건을 설정한 결과 완전한 결함의 제거 효과를 얻을 수 있었다.
0초, main shaft hole 부위는 3.C초로 설정하여 실 주조에 적용하여 제품을 생산하였으며 컴퓨터단층촬영 (CT)을 실시한 결과(Fig. 14)의 수축결함이 나타나지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 해석을 통한 가압개시시간의 설정이 국부 가압시스템의 보다 효율적인 사용을 위한 조건설정에 효과가 있음을 의미하는 것으로 판단된다.
11과 같이 제품의 후육부 2개소를 가상절단하여 응고 양상 및 feeding에 의한 수축공 발생을 예측하고 실 주조품의 동일부를 컴퓨터 단층촬영 (CT) 결과와 비교하였다. 그림에 보인 바와 같이 후육부 2개소의 단면 응고 거동 결과에서도 타 부위에 비하여 역시 응고 진행속도가 매우 느림을 관찰할 수 있으며, Feeding성의 해석 결과에서는 reverse geai부위는 비교적 feeding이 양호한 것으로 해석되었으나 main shaft hole 부의 feeding 성은 국부적으로 10-60% 정도로 feeding성이 낮은 부위가 2개소 나타났으며, 이 부위에 수축결함이 예상된다. 또한 실 주조를 통하여 얻어진 제품의 후 육부 2개소를 컴퓨터단층촬영 (CT)한 결과, Fig.
3초까지는 비교적 문제부의 액상 영역이 양호하게 분포되어 가압시 가압충전의 양호한 효과를 기대할 수 있으나 그 이상의 응고 진행에서는 급격하게 액상 영역이 줄어들면서 가압의 효과가 떨어질 것으로 예상된다. 따라서 실 주조 시 국부 가압효과에 가장 큰 영향을 미치는 가압력과 가압개시 시간의 설정에 있어 가압력은 경험적으로 최적 조건으로 판단되는 주조압력의 5배에 해당하는 약 350 MPa의 압력으로 설계하였고, 가압개시시간은 본 해석에서 얻어진 결과를 토대로 reverse geai부위는 4.0초, main shaft hole 부위는 3.C초로 설정하여 실 주조에 적용하여 제품을 생산하였으며 컴퓨터단층촬영 (CT)을 실시한 결과(Fig.
그림에 보인 바와 같이 후육부 2개소의 단면 응고 거동 결과에서도 타 부위에 비하여 역시 응고 진행속도가 매우 느림을 관찰할 수 있으며, Feeding성의 해석 결과에서는 reverse geai부위는 비교적 feeding이 양호한 것으로 해석되었으나 main shaft hole 부의 feeding 성은 국부적으로 10-60% 정도로 feeding성이 낮은 부위가 2개소 나타났으며, 이 부위에 수축결함이 예상된다. 또한 실 주조를 통하여 얻어진 제품의 후 육부 2개소를 컴퓨터단층촬영 (CT)한 결과, Fig. 11에 보인 바와 같이 feeding성 해석 결과와는 완전하게 일치하지는 않았지만 응고해석의 결과에서 가장 높은 온도분포를 보인 최종 응고부에서 조대한 수축공이 발생함을 알 수 있었다. 이것은 앞서 응고해석 결과에서도 확인할 수 있듯이 냉각채널의 설치만点는 수축공의 제거에 한계가 있음을 보여주는 결과이며, 이를 해결하기 위해서 국부 가압법을 실제 주조 시에 적용하였다.
향 충전闻안2)의 경우에는 동일한 플런저 속도에 탕 구단 면적이 커짐으로 인해 탕구통과 속도는 방안1에 비해 상대적으로 낮아지면서 표면적이 넓은 캐비티 중심부의 충전속도가 늦어져 선행 응고가 진행된 용 탕이 캐비티 상단부에 넓은 영역에 걸쳐 잔존되어 탕회불량의 발생가능성이 매우 높을 것으로 예측되었다. 방안1 에 진공조건을 설정하여 캐비티 내부압력을 사출시작 2초 후에 100 mbar로 감압 설정한 방안3의 경우, 저속충전 시의 양상은 방안1과 유사하게 진행되나 고속 절환위치 (2.402초)보다 0.402초 이전인 진공절환(2.0초) 위치에서 용탕의 흐름이 매우 안정적인 층류 양상으로 바뀌면서 선행 충전되어 냉각되었던 용 탕도 후속 용 탕의 공급으로 온도상승과 함께 캐비티 내부에는 매우 건전한 용탕만 잔존하는 이상적인 충전거동을 나타내었다. Fig.
14)의 수축결함이 나타나지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 해석을 통한 가압개시시간의 설정이 국부 가압시스템의 보다 효율적인 사용을 위한 조건설정에 효과가 있음을 의미하는 것으로 판단된다.
8에 나타내었다. 진공적용 전의 최종 충전부에서는 다수의 기포결함이 발생한 것을 확인할 수 있으나, 진공이 적용된 방안에서는 기포결함이 없는 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있었다.
086초 후에 완료되었다. 충전과정은 Fig. 3에 보인 바와 같이 충전율 30%인 (b) 영역까지는 저속구간으로 선행용탕의 냉각이 비교적 빠르게 진행되어 570~590℃ 정도의 액상선 온도까지 응고가 부분적으로 진행되며 고속사출로 전환되면서 후속으로 공급되는 용탕에 의해 온도가 급격하게 상승되나 최종충전부에 냉각된 용 탕이 잔존하는 것을 알 수 있었다. 양방.
해석 결과, Fig. 12의 main shaft hole부의 응고 시 온도분포는 응고가 10% 진행 중인 3.1 초에서 비교적 결함이 예측되던 전 부위가 액상 온도영역에 있어 국부 가압 시에도 가압 충전의 효과가 양호할 것으로 판단되며, 그 이상의 응고 진행에서는 액상의 온도영역이 급격히 줄어들면서 가압효과가 매우 떨어질 것으로 예상된다. 또한 Fig.

후속연구

이러한 경향은 사형주조와 같은 일반 주조공정등이 High Pressure Die Casting(HPDC)공정으로 대체되면서 효율적인 금형 설계 및 공정설계에 전산 해석프로그램의 활용이 더욱 활발해 지고 있는 실정이다 [3, 4]. 따라서 다이캐스팅 산업에 있어, 이러한 CAD/ CAE 기술은 향후 경제적이고 효율적인 제품생산을 위한 효과적인 도구로서 한층 더 발전할 것으로 기대된다[5]. 본 연구에서는 자동차 변속기용 Gear Housing 에 적용하고자 하는 세 가지 방안에 대하여 주조해석전용 Code인 MAGMAsoft를 이용하여 충전 및 응고해석을 행하고 예견되는 제품의 결함 및 결함제어 가능성을 진단함으로써 개선방안을 제안하고 최종적으로 금형 설계 제작에 반영하여 실제 주조된 제품과 해석 결과와 비교하고, 궁극적으로는 주조결함이 없는 최적화된 주조방안을 설계하고자 하였다.

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