[논문]상용 열유동 해석 소프트웨어를 이용한 다이캐스팅 칠벤트의 성능평가

강복현; 김태범; 김기영

doi:10.7777/jkfs.2012.32.3.133

상용 열유동 해석 소프트웨어를 이용한 다이캐스팅 칠벤트의 성능평가
Evaluation on Performance of Chill Vent in High Pressure Die Casting by Using a Commercial Software 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.32 no.3, 2012년, pp.133 - 137

강복현 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학과) , 김태범 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학과) , 김기영 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Chill vent has a zigzag venting path which allows residual air or gases to exhaust out very quickly from the die cavity. However molten metal sometimes comes out through the gas venting surfaces causing flash. Effect of designing factors of chill vent and processing variables in high pressure die casting on the performance of chill vent was investigated through a series of calculations by using a commercial code. The most influential factor was the thickness of chill vent, followed by inlet velocity, vent width and die temperature.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 상용 열유동해석 소프트웨어(ZCAST)를 사용하여 칠벤트의 폭, 두께, 입구속도, 금형 중의 칠벤트부의 초기 온도, 칠벤트의 재질 및 제품 설치방향 등을 변화시키면서 계산하여 칠벤트의 성능을 평가하고자 하였다.

제안 방법

1과 같은 해석모델을 선정하였다. 계산변수는 형상인자, 공정인자, 설계인자로 나누어 선정하였는데, 형상인자는 칠벤트의 두께와 폭이고, 공정인자는 유입되는 용탕의 유속과 칠벤트의 초기온도이며, 설계인자는 칠벤트의 재질과 설치방향이다. 파형의 갯수는 10개로 고정하였다.
따라서 식 (1)은 통상의 가스벤트 설계에는 적합하나, 칠벤트 설계에는 적합하지 않은 것으로 판단되므로 칠벤트 모델을 설정하여 상용 해석소프트웨어로 계산하여 칠벤트의 능력을 살펴보았다. 단 특정한 제품형상을 대상으로 하지 않았으므로, 플런저 직경 및 다이캐스팅의 체적은 특정하지 않았는데 기계형 체력으로 350~500 ton 정도의 기계를 사용하는 것으로 고려하였으며, 플런저속도는 칠벤트 입구에서의 용탕의 속도로 대응시켰다.
따라서 식 (1)은 통상의 가스벤트 설계에는 적합하나, 칠벤트 설계에는 적합하지 않은 것으로 판단되므로 칠벤트 모델을 설정하여 상용 해석소프트웨어로 계산하여 칠벤트의 능력을 살펴보았다. 단 특정한 제품형상을 대상으로 하지 않았으므로, 플런저 직경 및 다이캐스팅의 체적은 특정하지 않았는데 기계형 체력으로 350~500 ton 정도의 기계를 사용하는 것으로 고려하였으며, 플런저속도는 칠벤트 입구에서의 용탕의 속도로 대응시켰다.
5 mm, 재질 BeCu, 입구속도 5 m/sec, 초기 온도 50℃)을 나타낸 것으로 벤트부의 폭이 증가할수록 충전율이 감소하는 것으로 나타났다. 벤트부의 폭이 증가하면 Fig. 4에서와 같이 용탕이 충전된 체적이 증가하므로, 체적증가에 따른 충전율 감소의 영향을 배제하기 위하여 Fig. 5와 같이 유동시간을 조사하였다. 벤트부의 폭이 증가할수록 용탕의 유동시간이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 폭 증가에 따라서 열방출 표면적이 증가하기 때문이다.

대상 데이터

칠벤트 설계에 따른 유동패턴 변화를 분석하기위하여 Fig. 1과 같은 해석모델을 선정하였다. 계산변수는 형상인자, 공정인자, 설계인자로 나누어 선정하였는데, 형상인자는 칠벤트의 두께와 폭이고, 공정인자는 유입되는 용탕의 유속과 칠벤트의 초기온도이며, 설계인자는 칠벤트의 재질과 설치방향이다.

성능/효과

따라서 이론적 가스벤트 압력손실 즉, 가스의 벤트성은 두께가 증가할수록 유리하지만 응고적인 측면에서는 비산의 위험이 크게 된다. 그러나 본 연구의 범위에서는 용탕이 10개의 파형을 벗어나지 않아서 칠벤트 내에서 응고가 완료됨을 확인할 수 있었다.
칠벤트는 단시간 내에 가스를 배출하여야 하므로 단면적이 통상의 가스벤트보다 넓은데, Table 2의 계산에서는 폭 20mm의 벤트를 3개 사용한 결과이나, 단면적으로 보면 60 mm 1개와 동일하므로 Table 2의 조건에서 벤트 개수를 1개로 하고 벤트 폭을 60 mm로 하여 다시 식 (1)을 이용하여 계산해보면 Table 3과 같다. 금형공간 내의 가스압력은 플런저속도가 증가할수록 높아지고, 벤트의 두께가 두꺼울수록 낮아지는 경향은 벤트의 수에 관계없이 동일하게 나타났다. 그러나 벤트의 개수는 3개에서 1개로 줄인 경우, 동일 폭을 가지므로 가스압력은 동일할 것으로 예상되었으나, 넓은 벤트 수가 1개인 경우는 좁은 벤트가 3개인 경우보다 가스압력이 약 3배 정도 크게 나타나고 있다.
특히 칠벤트부의 금형의 초기온도가 낮은 경우보다 칠벤트부 금형의 초기온도가 높은 경우 충전율의 차이가 큰 것으로 나타났다. 즉 칠벤트부의 초기온도가 50℃인 경우는 금형강 재질과 베릴륨동 재질의 칠벤트에서의 충전율의 차이가 11%이었으나, 칠벤트부의 온도가 250℃로 높은 경우에는 양자 사이의 차이가 29%로 더욱 크게 나타난 것으로부터 베릴륨 동 재질의 칠벤트가 금형온도가 높을수록 용탕의 비산 억제에 효과가 큼을 알 수 있었다.
칠벤트 설치방향에 따른 충전율의 차이는 작았으며, 칠벤트 재질을 열전도도가 좋은 베릴륨동을 사용하였을 때 공구강보다 충전율이 크게 감소하였는데, 이는 열전도도가 좋은 재질을 사용할 경우 동일한 가스배출능력을 가지는 칠벤트를 보다 컴팩트하게 만들 수 있다는 것을 의미한다.
칠벤트의 두께, 폭, 칠벤트부 금형의 초기온도, 입구 속도 등 칠벤트 형상 및 공정인자 중에서 칠벤트 두께가 충전율에 가장 영향이 가장 큰 것으로 나타났다. 칠벤트 두께가 두꺼울수록 단시간 내에 가스배출이 용이해지지만 용탕 분출의 위험이 있는데, 본 연구의 조건의 계산 결과에서는 칠벤트 내에서 유동이 멈추어 용탕이 금형 밖으로 분출하지는 않았다.
5 mm에서 1 mm로 변경하였을 때 금형공간 내의 가스압력을 계산한 결과는 Table 2와 같다. 표에서 금형공간 내의 가스압력은 플런저속도가 증가할수록 높아지고, 벤트의 두께가 두꺼울수록 낮아짐을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다이캐스팅법의 최대결함은 무엇인가?	다이캐스팅법은 보통 주조법에 비하여 응고속도나 냉각속도가 현저히 빨라서 금형 공간 중의 팽창한 가스, 외부로부터 혼입된 가스, 플런저 및 금형 중의 이형제 및 윤활제와 반응하여 생긴 가스 등이 방출되지 않고, 금형공간 내에 남아서 충전 방해물로 작용하여 최종 충전부의 충전부족을 야기하거나, 제품 중에 남아서 기포결함으로 되어 다이캐스팅법의 최대결함으로 존재하게 된다. 이러한 가스는 주물 내부에 작은 기공으로 존재하므로 용접 및 열처리가 불가능하여 높은 기계적 성질 및 내압성이 요구되는 각종 기밀 보안 부품에 사용이 제한되어 오고 있다.
	칠벤트의 기능은 무엇인가	이와 같은 조건을 만족시키기 위하여 사용되고 있는 것이 칠벤트(chill vent)이다. 칠벤트에는 파형의 부분이 있어서 가스의 통로를 길게 하고, 파형의 부분에서 용탕의 흐름 방향이 급격하게 바뀌면서 용탕의 운동에너지가 약화되어 파형의 도중에서 용탕을 응고시켜 용탕이 금형 밖으로 분출하는 것을 막고 가스만을 대량으로 통과시킨다. 따라서 다이캐스팅에서의 가스빼기는 칠벤트가 널리 사용이 되고 있으며, 각종 규격의 칠벤트가 시판이 되고 있다.
	다이캐스팅법에서 가능한 한 용탕 주입이 중에 발생하는 가스를 최소화 시켜야 하는 이유는 무엇인가?	다이캐스팅법은 보통 주조법에 비하여 응고속도나 냉각속도가 현저히 빨라서 금형 공간 중의 팽창한 가스, 외부로부터 혼입된 가스, 플런저 및 금형 중의 이형제 및 윤활제와 반응하여 생긴 가스 등이 방출되지 않고, 금형공간 내에 남아서 충전 방해물로 작용하여 최종 충전부의 충전부족을 야기하거나, 제품 중에 남아서 기포결함으로 되어 다이캐스팅법의 최대결함으로 존재하게 된다. 이러한 가스는 주물 내부에 작은 기공으로 존재하므로 용접 및 열처리가 불가능하여 높은 기계적 성질 및 내압성이 요구되는 각종 기밀 보안 부품에 사용이 제한되어 오고 있다. 따라서 가능한 한 용탕 주입 중에 발생하는 가스를 최소화하여야 하므로 다이캐스팅법에서는 용탕충전 시 금형 공간에서 신속히 가스를 방출시키는 가스벤트의 적절한 설계 및 설치는 매우 중요하다 [1-7].

참고문헌 (10)

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상세보기
S. Otarawanna, H. I. Laukli, C. M. Gourlay and A. K. Dahle: Metal. Mater. Trans. A, "Feeding Mechanisms in High-Pressure Die Castings", 41A (2010) 1836-1846
L. H. Wang: Inter. J. of Cast Metals Research, "Mathematical modelling of air evacuation in die casting process via CAST via and other venting devices", 20 (2007) 191-197

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X. P. Niu, B. H. Hua, I. Pinwilla and H. Li: J. Mater. Proc. Tech, "Vacuum assisted high pressure die casting of aluminium alloys", 105 (2000) 119-127

상세보기
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S. Takeda and K.Sakamoto: Research Report 57 of JFS, "Relation between cross sectional area of gas vent and gas pressure in die cavity", (1990) 37-45
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