[논문]자동차용 밸브 하우징의 2 캐비티 다이캐스팅 성형해석에 관한 연구

이종형; 이창헌; 이상영; 하홍배

[국내논문] 자동차용 밸브 하우징의 2 캐비티 다이캐스팅 성형해석에 관한 연구
A Study on the Forming Analysis of the 2 Cavity Die Casting for Automobile Valve Housing 원문보기

Al used in automobiles is mostly material, and according to the innovation of technique is in rapid development. Al die casting is an important field as today's trend of lightweight on automobiles. Valve housing in steering system improves driver's controling. The valve housing which is widely reliable to the most automobiles are developed this moment in our automobile industry. Therefore, they are produced by casting method which cost three times or even more expensive in production. If valve housing which is a part of steering system is produced by gravity casting, the space for manufacturing equipment will be increased, and more time and workers would be brought into service. For such reason, die casting would replace gravity casting in order to minimize cost of time, manpower, and working space. This study is the forming analysis of the 2 cavity die casting for automobile valve housing.

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문제 정의

본 논문은 기존의 주철 주물로서 제작되어 왔던 자동차 조향장치의 일부분인 밸브 하우징 부품을 350ton 알루미늄(Al) 다이캐스팅을 이용하여 기존의 500ton 이상의 장비에서 생산되는 것 보다 동등 그 이상의 기능을 만족하고자 하였으며, 각각의 다이캐스팅 공법별로 최적의 성형 조건을 찾기 위한 해석에 연구 목적이 있다.
1) 러너 설계 : 러너를 추가하여 제품 상부의 기포 및 수축 발생 부위별 결함을 제거하고자 하였다.
본 연구에서는 2 캐비티를 이용한 자동차 조향장치의 밸브 하우징을 기존의 500ton 이상의 기계가 필요한 중력주조 방식에서 350ton의 다이캐스팅으로 성형하기 위하여, 밸브 하우징을 anycasting 프로그램을 이용하여 해석한 후 그 결과를 고찰하여 새로운 금형을 개발하였으며, 그 기계적 성질 및 적용성 여부에 대하여 검토하였다. 다음은 본 연구의, 주요한 연구 결과이다.

제안 방법

다이캐스팅용 Al 합금은 JIS H 5302에 7종류를 규정하고 있지만, 그 중 ADC 12 합금은 일본 및 국내 수요의 70%를 차지하는 대표적인 합금이다. 인장시험 시편을 만들어 기계적 성질을 확인해 보았다. 시편의 규격은 KS B 0801의 4호 시편으로 하였으며, Fig.
내부 기포검사를 하기위해 주조압력 856(Kgf/cm²), 냉각시간 9(sec), 고속으로 주입시 속도는 2.6(m/s)의 조건하에서 다이캐스팅으로 성형된 밸브 하우징을 시험체로 삼았다. X-Ray검사 조건은 배율을 100%로 하였으며, 전압과 전류는 90kv 5mA로 설정하여 밸브 하우징의 부위별로 검사 하였다.
6(m/s)의 조건하에서 다이캐스팅으로 성형된 밸브 하우징을 시험체로 삼았다. X-Ray검사 조건은 배율을 100%로 하였으며, 전압과 전류는 90kv 5mA로 설정하여 밸브 하우징의 부위별로 검사 하였다. Fig.
기포 크기가 0.3mm Leak 이하를 만족시키는 가장 적합한 제조 공법 및 금형 방안을 설정하기 위하여 Chill vent 공법과, Chill vent공법 + 부분 squeeze공법, 진공공법 + 부분 squeeze공법 3가지 공법을 적용하여 가장 최적의 공법을 찾아보았다. Fig.
. 본 연구에서는 다이캐스팅을 함에 있어 기존의 오버플로우 대신에 Chill vent를 설치하여 내부 기포 발생을 억제하였다.
다이캐스팅을 하기에 앞서 Anycasting 이라는 컴퓨터 프로그램을 이용하여, 금형구조를 분석하였다. Fig.
2) 오버플로우 설계 : 용탕이 충전될시 압력 손실 발생지역의 불필요한 부분을 삭제 하였으며 또한 게이트에 변경을 가하였다.
3) 에어벤트 설계 : 압력 손실을 방지하기 위해, 공기 배출구 두 곳을 제거 하였으며, 기포 배출을 용이하게 하기 위해서 제품 상부에 공기 배출구를 연결한 형상으로 설계하였다.
ADC12 알루미늄 합금의 주조조건으로 용탕의 주입온도는 680℃로 설정하였다. 또한 금형의 재질은 SM45C, 초기 온도는 90℃로 설정하였으며, 코어의 재질은 SKD61, 초기 온도는 260℃로 설정하였다. 그리고 플런지는 직경 70mm로 설정하였다.
Anycasting을 이용하여 전체적인 충전 양상 및 부위별 충전양상을 분석하여, 최적의 조건으로 밸브 하우징을 제작할 수 있는 금형 도면을 작성하였다.

대상 데이터

인장시험 시편을 만들어 기계적 성질을 확인해 보았다. 시편의 규격은 KS B 0801의 4호 시편으로 하였으며, Fig. 1과 같은 형상으로 기계가공을 한 후 KS B0802-83의 규정에 의해 시험하였다. 또한 시편의 화학적 조성은 Table 1과 같다.

이론/모형

350ton의 다이캐스팅 장비에서 제조되어진 밸브 하우징 내부의 기포를 검사하기 위하여 X-Ray 판정법, Color check법, 단면 절단을 이용하여 밸브 하우징 내부의 기포를 검사하였다.

성능/효과

냉각배출 공법만 적용하였을 때에는 기포수가 진공 공법 + 부분 squeeze공법으로 성형된 밸브 하우징과 약 2.2배 이상 기포수가 많은 것을 알 수 있었다. 또한 진공 공법 + 부분 squeeze공법으로 성형되었을 때 기포수가 가장 적었으나, 부수적으로 진공장비의 추가 및 진공 블럭의 유지·청소등에 많은 공수가 투입되므로 비용이 많이 들게 된다.
또한 진공 공법 + 부분 squeeze공법으로 성형되었을 때 기포수가 가장 적었으나, 부수적으로 진공장비의 추가 및 진공 블럭의 유지·청소등에 많은 공수가 투입되므로 비용이 많이 들게 된다. Chill vent 공법 + 부분 squeeze 공법으로 성형된 밸브 하우징은 평균 기포수가 239개로 양호한 수준이며, 별도의 공수가 투입되지 않으면서도, 진공 공법 + 부분Squeeze 공법과 기포수의 차이가 적으므로 가장 이상적임이 증명되었다.
22에서는 기포 고립 지역이 발생하였다. 그리하여 수정방안으로 기포를 배출 시킬 수 있는 배출구 설치가 필요함을 알 수 있었다. 또한 기포 고립 지역에 공기배출구를 연결하여, 기포 배출이 필요함을 알 수 있다.
(1) 기존의 500ton 중력주조에서 문제점이었던, 상부에 기포 고립 및 용탕을 고속 충전할 때 와류가 형성되는 것을 Vent를 설치하여 개선할 수 있다.
(2) Anycasting s/w를 이용하여, 수축 결함 및 성형 시 압력손실을 현저하게 줄일 수 있었다.
(3) 다이캐스팅 공법별로 성형품을 분석해본 결과 Chill vent공법만 적용하였을 경우, 내부기포가 많았으며 응고조직이 조대하고, 불량수준이 99%로 적용이 불가능함을 알 수 있었다.
(4) 진공과 부분 squeeze를 적용하였을 때, 평균기포수가 193개로 가장 좋은 품질을 얻을 수 있었으며, 미세한 응고조직을 보였으나 부수적인 공수 투입이 많아 실제 적용하기에는 부적합함을 알 수 있었다.
(5) 기존의 500ton 중력주조 보다 350ton의 Chill vent 공법과 부분 squeeze공법을 조합한 다이캐스팅이 효율적인 금형 방안이 되었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

알루미늄(Al) 재료는 어떤 수단으로써 이용되는가?

알루미늄(Al) 재료는 경량화 수단으로써 많이 이용되고 있다. 자동차에 사용되는 알루미늄 부품은 대부분이 주조재이고 주조기술의 혁신에 따른 경량화로의 대응이 급속하게 진전되고 있다.

자동차 조향장치의 밸브 하우징 부품의 특징은 무엇인가?

자동차 조향장치의 밸브 하우징 부품은 운전자의 조작력을 감소시키기 위해 유압시스템의 장치가 들어가 있는 장치의 부품으로 자동차 조향의 주요 기능을 담당하고 있다.

squeeze 주조법의 특징은 무엇인가?

squeeze 주조법은 부분가압 주조법이라고도 불려지는 주조 기술이다. 액상금속이 체적변화를 하는 응고 과정에 고압력을 가하여 주조결함의 발생을 제어하고 내성 및 강도가 향상된 고품질의 주조제품을 얻는 방법이며 최고 수준의 주조품질을 얻을 수 있는 방법이기도 하다[6]. 다이캐스팅법도 용탕 주입시에는 고압이 가하여지지만, 응고 도중에는 충분히 가압되지 않는다.

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