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문제 정의
- Fig. 9에서 나타내는 것처럼 두께 차이가 큰 제품을 주조한 후, 잔류 응력이 발생하기 쉽고, 열처리(응력 소거 소결)가 필요하게 되어, 주물의 내부 응력 및 로내 온도 상황을 파악하여, 변형, 분열의 미연 방지를 목적으로 한다.
제안 방법
- 또, Stefan의 응고 계산 기능을 이용하고, 통상의 탕류와 응고 해석 이외의 용도를 찾아 보았다. 지금까지 탕류응고 해석의 사용은 많이 소개되고 있지만, 본 연구에서는 통상과는 다른 사용 방법을 회사 내에서 확립해, 대형 주철 주물품의 냉각 상태를 해석하여, 해석 하는 타이밍의 최적화, 소둔 시 주물 온도 분포의 예측, 그리고, 간이 모델에 의한 제품 내부 잔류 응력의 예측을 실시해, 주물 생산에 도움이 되는 것을 확인할 수 있었다.
- 작성한 STL파일을 주조 시뮬레이션 소프트 Stef油에 적용, 3차원 자동 메쉬를 작성하고, Stefan에 의한 해석을 실시한다. 통상의 응고 해석은, 주물의 응고■가 완료한 시점에서 자동적으로 종료하지만, 본 연구에서는 계산을 종료하는 시간은 100%의 응고율에 이른 시점이 아닌, 주물이 완전하게 응고한 후도, 계산이 그대로 계속되어 계산 시간을 수동으로 지정해, 소정 시간까지 해석을 실시한다. 즉, Stefan의 응고 계산 기능을 연장한 방법이다.
- 이 제품에 관한 물성 치를 확인하기 위해서 표준 데이터 베이스 이용해 계산한 결과와 실측한 온도 데이터를 비교하였다. 주물의 물성치를 변경하지 않고 사형의 열전도율을 변화시키면서, 계산을 반복해, Fig.
- 곡선①과④를 비교하면, ①의 경우, '3500。(:에 이르는 소요 시간은 7일이 필요하지만, ④의 경우, 사형의 열전도율을 50%개선하면, 해석의 목표인 5일째에 35(TC까지 냉각하는 것이 가능하게 되었다. 사형을 통하여 , 열을 배출하는 것이 중요하기 때문에 , 주틀과 주물의 사이의 사형에 있어서의 온도 분포의 변화 경향으로부터 해결책을 찾아낼 방침으로 하였다.
- 곡선은 계산 결과이며, 실측한 결과는 점선으로 나타내, 그 양자를 비교한 결과, 실측 치와 계산치는 거의 일치하여, 본 계산 수법의 신뢰성을 확인할 수 있었다고 말할 수 있다. 프랑 주형의 구성을 변경함으로써, 물성 치는 약간 바뀌게 되지만, 열전도율을 극단적으로 50%정도 올리는 것은 불가능이라고 생각되어 Fig. 7에서 보여 주 듯이 냉각 판을 삽입하는 방법을 검토하였다. 복수의 강판(두께 약 15 mm)을 사형에 삽입하고, 주물 표면까지의 거리를 변화시키고 해석을 실시하였다.
- 제품 아래의 차체를 지탱하는 부분을 내화 벽돌의 물성 치로 사용하였다. 온도 측정은, 천정 부근에 설치한 열전대에 의해 측정하였다. 온도를 실측한 장소의 냉각 곡선 및 Fig.
- 변형, 분열로 연결된다고 생각되어 그 경험에 근거해 제품을 꺼내어, 공냉 시키는 타이밍을 재검토하기로 했다.
- 9에 나타내는 주물을 제조할 때, 두꺼운 부분과 얇은 부분의 차이(단면적비는 약 10 : 1)가 매우 크기 때문에, 부분변형에 의한 주물 정도의 저하나 분열이 발생할 우려가 있다. 문제 해결점의 실마리를 얻기 위해서는 응력 해석이 필요하지만, 시판 응력해석 소프트는 고가이기 때문에, 간이 모델을 이용해 Stefan의 응고 계산 기능을 활용해 해석하는 것을 시도했다.
- 7에서 보여 주 듯이 냉각 판을 삽입하는 방법을 검토하였다. 복수의 강판(두께 약 15 mm)을 사형에 삽입하고, 주물 표면까지의 거리를 변화시키고 해석을 실시하였다.
대상 데이터
- 실제의 “웅고계산''은, 이미 응고된 상태의 56(TC로부터 출발 시킨다. 제품 아래의 차체를 지탱하는 부분을 내화 벽돌의 물성 치로 사용하였다. 온도 측정은, 천정 부근에 설치한 열전대에 의해 측정하였다.
이론/모형
- STL 형식에서 출력한다. 작성한 STL파일을 주조 시뮬레이션 소프트 Stef油에 적용, 3차원 자동 메쉬를 작성하고, Stefan에 의한 해석을 실시한다. 통상의 응고 해석은, 주물의 응고■가 완료한 시점에서 자동적으로 종료하지만, 본 연구에서는 계산을 종료하는 시간은 100%의 응고율에 이른 시점이 아닌, 주물이 완전하게 응고한 후도, 계산이 그대로 계속되어 계산 시간을 수동으로 지정해, 소정 시간까지 해석을 실시한다.
성능/효과
- 해석 이외의 용도를 찾아 보았다. 지금까지 탕류응고 해석의 사용은 많이 소개되고 있지만, 본 연구에서는 통상과는 다른 사용 방법을 회사 내에서 확립해, 대형 주철 주물품의 냉각 상태를 해석하여, 해석 하는 타이밍의 최적화, 소둔 시 주물 온도 분포의 예측, 그리고, 간이 모델에 의한 제품 내부 잔류 응력의 예측을 실시해, 주물 생산에 도움이 되는 것을 확인할 수 있었다.
- 6에 나타낸다. 곡선은 계산 결과이며, 실측한 결과는 점선으로 나타내, 그 양자를 비교한 결과, 실측 치와 계산치는 거의 일치하여, 본 계산 수법의 신뢰성을 확인할 수 있었다고 말할 수 있다. 프랑 주형의 구성을 변경함으로써, 물성 치는 약간 바뀌게 되지만, 열전도율을 극단적으로 50%정도 올리는 것은 불가능이라고 생각되어 Fig.
- 8에 나타낸다. 해석 목표를 달성할 수 있다는 것을 확인했다.
- 실측한 온도와 대응 위치의 계산 결과는 대체로 일치하는 것을 확인 하였다. 또, 열전대를 설치한 곳의 온도와 제품의 표면 온도는, 꽤 다른 다는 것이 정량적으로 확인 되어 열 처리 조업 기준의 재검토가 필요하게 되었다.
- 실제 생산에 적용함으로써, 안정된 품질의 제품을 생산할 수 있었다. 본 해석 수법은, 어디까지나 간이법이며, 시판 응력 해석 소프트를 가지고 있지 않은 경우의 대용이라고 생각하고 있다.
- 주조 시뮬레이션 소프트의 용도를 확충하는 목적이며, Stefan 의 응고 계산 기능을 이용한 독자적인 사용법(대형 주철품을 해석하는 타이밍의 최적화, 소결에서의 주물 온도 분포의 예측, 그리고 간이 모델에 의한 제품 내부 잔류 응력의 예측과 저감법)을 확립해, 대형 주철품 생산에 이용할 수 있는 것이 실증되었다.
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