[논문]주조 공정 시 열변형 예측과 제어를 통한 금형의 최적 설계에 관한 연구

최봉학; 곽시영; 김정태; 최정길; 이동일

[국내논문] 주조 공정 시 열변형 예측과 제어를 통한 금형의 최적 설계에 관한 연구
The Optimum Design of Casting Process through Prediction and control of Thermal Deformation 원문보기

The design of the Metal mold casting should consider several variables such as the material properties and shape of the mold. In particular, the thermal stress generated by the thermal expansion and contraction depending on the thermal gradient of the mold causes partial plastic deformation on the mold, which causes damage or fracture of the cast. Consequently, the thermal deformation along with thermal stress leads to thermal deformation of the cast itself. In this study, the temperature analysis of the cast and mold is simulated by FDM to control the thermal deformation and stress as a result of the thermal gradient of mold. Using the results from FDM simulation, the thermal deformation and stress are analyzed by FEM and, the optimal mold design with minimum thermal deformation of the cast is suggested.

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문제 정의

본 연구에서는 제품 및 금형의 온도구배에 의한 열변형 및 열응력을 예측 및 제어하기 위하여 금형 주조 시 금형 및 주조 금속 내의 온도분포를 유한차분법에 의하여 해석하였고 해석한 온도 분포를 이용하여 유한요소법에 의하여 열변형/열응력을 해석함으로써, 궁극적으로 제품의 열변형을 최소화하는 최적의 금형 설계를 수행하였다.
본 연구에서는 모델에 대한 열응력 및 열변형 문제를 해석하기 위하여 상기 해석 방법을 시스템적으로 체계화한 3차원주조 전용 해석 프로그램(Z-CAST)을 이용하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

주조 공정 시 제품 및 금형의 열 변형 거동을 파악하기 위하여 해석 대상물의 요소수와 해석 시간의 단축 및 경계조건과 같은 인자들을 고려하였으며, 최적의 해석을 수행하기 위하여 모델의 범위는 Fig. 3과 같이 대칭 특성을 고려하여 모델링 하였다. 모델은 사면체 요소(tetra element)를 사용하여 해석을 수행하였고 제품은 9981개, 상형은 13622개, 하형은 17198개의 요소수로 구성되어 있다.
주조 시 현재 업체에서 문제가 되고 있는 상형과 하형 간의 발생하는 이격현상과 주조 공정 시 발생하는 제품의 변형을 최소화 시키기 위하여, 기존 방안에 대한 금형 및 제품의 온도 해석을 수행하였다.
기존 방안에 대한 온도 해석 결과 및 열변형 결과를 바탕으로 열변형을 유발하는 금형의 온도 분포 결과와 금형의 기하학적인 형상에 따른 열변형을 분석하였고, 금형의 특정 부위의 온도 분포를 변화시킴으로써, 금형 및 제품의 변형에 가장 큰 영향을 주는 상형에 대하여 온도의 불균형을 해소하는 3가지 모델을 Fig. 7과 같이 제안하였고 이에 대한 온도해석 및 열변형 해석을 수행하여 검증하였다.
정확하고 객관적인 해석을 위하여 동일한 경계조건을 부여하였으며, 각 모델의 동일한 좌표에 대하여 가장 변형이 큰 지점을 선택하여 변형 해석 결과의 측정점으로 설정하였다.
제품의 변형을 최소화하기 위하여 금형의 형상을 고려하여 금형 및 제품의 온도 분포와 응력 및 변형 해석을 유한 요소 및 유한 차분 해석 코드를 이용하여 수행하였다.

대상 데이터

2에 나타내었다. 해석대상 제품의 재질은 AC₄CH이며, 상형과 하형을 포함흐}여 금형의 재질은 GCD50이다. 아래의 Table 1에 계산에 사용된 AC₄CH에 대한 물성치를 나타내었다[8].
3과 같이 대칭 특성을 고려하여 모델링 하였다. 모델은 사면체 요소(tetra element)를 사용하여 해석을 수행하였고 제품은 9981개, 상형은 13622개, 하형은 17198개의 요소수로 구성되어 있다.

성능/효과

현재 주조 현장에서 발생호}는 금형과 제품의 변형량은 Y축변위 방향을 기준으로 하여 상형일 경우 위쪽 방향으로 약 3~4 mm, 하형일 경우 아랫쪽 방향으로 약 0-0.5 mm 정도의값을 보였으며 , 제품은 2~3.5 mm 정도의 변형량을 나타내었다.
보여준다. Table 2에서 보여주는 바와 같이 y축 변위에 대한 결과 값을 비교해보면, 각 변위 측정 point에서 개선 방안 1, 개선 방안 2, 개선 방안 3모두가 기존 방안에 비하여 변형이 작음을 알 수 있고 특히 개선방안 1의 경우가 금형의 변형량이 최소임을 알 수 있었다.
실제 주조 현장에서 발생하는 금형의 이격 현상에 따른 측정 변형량과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 얻은 개선방안 1과 개선방안 3에 대한 금형의 변형 량 차이는 불과 0.35 mm 정도로 매우 작은 값인데 반하여 제품의 변형량은 개선방안 1에 비해 개선방안 3이 모든 측정점에서 허용오차 범위 1 mm 내의 값을 얻을 수 있었다.
개선방안 1과 개선방안 3을 비교하면, 서로 다른 금형의 두께로 인하여 제품의 온도 구배가 달라짐을 알 수 있었으며, 제품의 불균일한 온도 분포로 인하여 개선방안 3이 제품의 변형량을 최소화 함으로써 변형 허용 범위 1 mm 내의 변형량을얻을 수 있었다.
그 결과, 개선방안 1이 금형의 변형 측면에서는 제일 유리하나 궁극적으로 제품의 최소 변형량, 즉 제품의 변형이 변형허용 범위인 1 mm 이내의 값을 갖도록 하는 것이 금형 최적설계의 목적이므로 개선방안 3이 제품의 측면에서 우수한 금형형상임을 본 해석을 통하여 알 수 있다.
금형 및 제품의 온도해석 결과를 바탕으로 금형과 제품의 열변형을 최소로 할 수 있는 금형의 형상을 복수로 설계하고각각에 대해 열응력 및 변형 해석을 수행하는 금형의 최적 설계를 통하여 제품 및 금형 시스템의 변형을 최소화 할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

하지만 향후 공정시간 동안의 금형과 제품의 시간적 거동의 면밀한 분석이 요구되며 금형/제품 상호 기계적 구속 및 제품의 액상응고 수축량 고려 등 지속적인 연구 개발이 계속 되어져야 할 것이다.
이러한 주조 공정 시의 온도/응력 해석 프로그램을 이용하여주조 공정 설계를 수행 함으로써 현장에서의 시행착오를 줄이고 과학적 설계를 수행함으로써 궁극적으로 금형 설계 기술을 향상 시킬 수 있을 것이다.

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