문제 정의

• 본 연구에서는 마스터실린더의 경사식 중력금형주조 시에 자주 발생하는 리저버 러그(reservoir lug)부의 미성형을 해결하기 위하여 진공감압장치를 금형에 연결한 후 진공감압도를 달리하여 용탕의 충전성을 관찰하고, 이를 유동 및 응고해석 결과와 비교하여 최적의 주입 조건을 찾고자 하였다.
• 본 연구에서는 브레이크 마스터실린더 중력금형주조 시 리저버 러그부 모서리각 부분에 자주 발생하는 미성형을 개선하기 위하여 마스터실린더의 경사식 중력금형주조 시에 진공 감압도를 달리하여 리저버 러그부의 충전성을 측정한 결과, 다음의 결론을 얻었다.

제안 방법

• 2차 감압 주조실험에서는 용탕주입시간은 20초로, 감압도는−30 ~ −60 cmHg 범위로 하였으며 1차 감압주조와 동일하게 용탕 주입 3~6초경과 후 감압이 시작하도록 하였다.
• 3차 감압 주조실험에서는 용탕주입시간은 18~20초로, 감압압력은 −15 ~ −2 cmHg 범위로 하였으며 용탕 주입 1~3초경과후 감압이 시작하도록 하였다.
• 감압주조실험은 조건을 달리하여 3차에 걸쳐서 수행한 후 주요부분인 리저버 러그부에 대하여 결함을 확인하였다. 1차 감압 주조실험에서 용탕주입시간은 18~20초로, 감압은 −30 ~ −68 cmHg 범위로 하였으며 용탕 주입 3~6초경과 후 감압을 시작하였는데, 실험결과 감압시작시간이 5~6초로, 늦어질수록 미성형 발생개수가 많음을 알 수 있었고, 감압시작시간이 3~4초로, 빨라질수록 미성형 발생개수가 적어짐을 알 수 있었다.
• 계산에서는 일차로 감압을 용하지 않고 유동 및 응고해석을 수행하였으며, 일차해석결과를 토대로 감압압력을 −2 cmHg로 하여 해석을 수행하였다.
• 10초경과, 56% 충전시 C 부분 몸통 날개부에서도 공기고립이 발생되며 이로 인하여 몸통 날개부의 미성형이 발생된 것으로 판단된다. 따라서 이러한 미성형을 방지하기 위해서는 원활한 벤트(vent)가 필요하며, 이를 위하여 본 연구에서는 진공감압방식을 선택하였다.
• 각각의 실험 주조 시 감압도는 Table 2에서 case1의 경우 감압하지 않았으며, case2, 3에서는 감압을 −30 ~ −68 cmHg(76 cmHg에서 68 ~ 30 cmHg 감압을 의미함) 범위로 하였고, case 4의 경우에는 감압도를 −15 ~ −2 cmHg로 변경하여 실험 하였다. 또한 주입시작 1~6초 경과 후 감압을 시작하여 감압이 끝나는 시점을 18~20초로 적용하여 실험 주조하였다. Table 2에 주조 작업 조건을 나타내었다.
• 또한 진공배기공(vacuum suction hole)은 캐비티 사이사이에 설치하였으며 크기는 각각 Ø 8 mm로 가공하였고, 금형의 재질은 STD61로 하였다.
• 8초임을 알 수 있었다. 이 최적 조건을 가지고 최종적으로 10회를 추가로 주입하고 그 결과를 평가하여 재현성을 확인하였다. 한개의 금형에 4개의 캐비티가 있고, 결함확인부분인 리 저버 러그는 1개의 캐비티 당 좌우 2개가 있으므로 1회 주입에 8개의 부분에 대한 결함발생 및 그 정도를 확인할 수 있다.
• 제작된 마스터 실린더의 리저버 러그부 성형 여부를 판명하기 위하여 육안검사를 실시하였으며, 제품내부의 기포 및 수축 결함을 분석하기 위하여 방사선투과 검사를 하였고, 밴드 쏘 및 선반으로 단면을 절단 가공하고 칼라 스프레이액을 단면에 뿌린 후 육안으로 결함존재여부를 검사하였다.
• 주조 전 금형예열은 300 ± 20oC로 하였고, 용탕의 주입온도는 720 ± 20oC, 주입시간은 약 15~20초로 하였으며 주조기 각도는 45o, 금형의 닫힌시간은 220초, 열린시간은 30초로 하였다.
• C로 하였다. 탈가스 처리는 질소가스를 압력 0.7 kgf/cm²로하여 10분간 진행하였다.

대상 데이터

• 무감압 주조 후 시편의 외관검사 및 칼라체크를 실시 하였 으며 외관검사는 400개, 칼라체크는 20개를 검사하였다. 주조 실험결과 유형별 불량률 및 점유율을 Table 5에 나타내었다.
• 본 실험에 사용된 재료는 Al-Si-Cu계 합금(AC2A)이며, Al-Si계 합금에 동(Cu)을 첨가한 것으로 그 조성은 Table 1과 같다.

• 상용유동응고해석 프로그램인 Z-CAST를 이용하여 Fig. 2와 같이 요소를 분할하였다. 요소는 x, y, z방향으로 각각 214 ×196 × 192개로 동등간격으로 분할하였으며, 요소 한개의 크기는는 1 × 1 ×1 mm이고, 총 요소분할 개수는 8,053,248개이었다.

성능/효과

• 1) 감압도가 클수록 충전성은 개선되었으나 버의 발생으로 인한 추가적인 사상이 필요하게 되어 생산성이 저하되었고, 감압도가 작은 경우에는 미성형이 발생하였는데, 감압도가 −2 cmHg인 경우가 가장 적합한 조건임을 알 수 있었다.
• 1차 감압 주조실험에서 용탕주입시간은 18~20초로, 감압은 −30 ~ −68 cmHg 범위로 하였으며 용탕 주입 3~6초경과 후 감압을 시작하였는데, 실험결과 감압시작시간이 5~6초로, 늦어질수록 미성형 발생개수가 많음을 알 수 있었고, 감압시작시간이 3~4초로, 빨라질수록 미성형 발생개수가 적어짐을 알 수 있었다.
• 2) 진공감압시간은 주입 후 3초부터 시작하여 18초까지 유지 하였을 때 가장 만족한 충전성을 얻을 수 있었으며, 진공감압 시작시간이 늦어지게 되면 미성형이 발생하였다.
• 탕 주입 3~6초경과 후 감압이 시작하도록 하였다. 2차 감압 주조 실험결과 1차 감압주조 실험결과와 유사하게 감압시작시간이 5~6초로 늦을수록 미성형 발생개수가 많았고 3~4초로 빠를수록 미성형 발생개수가 적어짐을 알 수 있었다. 그리고 버발생개수는 주조조건별로 2~5개 정도이었다.
• 3) 앞서 3회의 실험에서 얻어진 최적 조건 하에서 재현성 실험을 한 결과, 만족할만한 결과가 얻어졌으며, 이 조건들은 곧바로 양산에 적용 가능할 것으로 판단된다.
• 3차 감압주조 실험결과 감압시작시간은 2~3초 정도에서 미성형 개수가 가장 적게 발생하였고, 버 발생개수는 감압압력이 −2 cmHg일때 가장 적게 발생 하였다.
• Fig. 3의 수축결함 분포도에서는 제품부에는 수축공이 발생하지 않고 압탕 부분에만 존재하는 것을 확인할 수 있는데, 응고 해석결과 응고시간 분포도, 온도 분포도, 수축공, 온도구배 모두에서 제품내부에 수축결함이 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.
• 결과를 요약하면 미성형에 대해서는 결함확인 장소 80군데에 대한 합계가 97로, 이를 80으로 나누면 평균 1.21인데, 이는 level-1보다 약간 떨어지는 수준으로 수정 작업이 필요 없을 정도의 제품을 의미한다. 한편 버에 대해서는 결함확인 장소 80군데에 대한 합계가 107로, 이를 80으로 나누면 평균이 1.
• 10은 1, 2, 3차 감압실험으로 얻어진 결과를 바탕으로 감압시작시간과 감압종료시간에 따라서 발생한 미성형과 버 개수를 그래프로 나타낸 것이다. 그래프를 통해 확인 할 수 있듯이 미성형과 버의 발생 빈도가 감압시작시간이 3초 범위에서 적게 발생됨을 확인할 수 있으며, 감압종료시간은 주입 후 18초 부근에서 미성형과 버가 가장 적게 발생함을 확인할 수 있다. 따라서 감압은 주입 후 3초에서 시작하여 15초 동안 감압 유지하는 것이 가장 좋은 조건임을 알 수 있다.
• 6초 경과 시 리저브 러그부에 용탕이 충전되고 있다. 따라서 무감압주조에 비해 감압주조 시 충전성이 개선됨을 알 수 있으며, 리저버 러그부 성형에도 유리하게 작용할 것으로 판단할 수 있다.
• 따라서 본 연구에서 1~3차 주입실험을 통하여 얻어진 작업 조건은 양산적용 시 작업조건으로 즉시 활용이 가능한 것으로 판단된다.
• 주조 실험결과 유형별 불량률 및 점유율을 Table 5에 나타내었다. 외관검사 결과 리저브 러그부 미성형 결함이 1.5%로 가장 많이 발생하였으며, 전체 결함 중 37.5%를 차지하고 있다. 제품 내부에는 칼라체크결과 기포 결함이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
• 급 평가기준표는 Table 6과 같다. 표에서 level-1이 가장 우수한 수준인데, 주입 결과 대부분은 level-1이었으며, 1개를 제외하고는 모두 미성형 및 버의 결함수준은 level-2 안쪽으로, 결함발생이 적게 나타났다. 결함을 정량적으로 관리하기 위하여 Table 6의 수준을 계량화하여 Fig.