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문제 정의
- 앞에서 언급한 바와 같이, steering wheel housing은 자동차의 조향장치를 감싸고 있는 제품으로 조향장치의 내부는 유압 또는 전자기계식으로 작동을 한다. 따라서 주조조건을 최적화하여 기포결함을 최소화하는 것이 이 제품의 특성이다. 제작된 시제품은 상용생산라인을 검증하고, 다른 부품들과 조립성 및 신뢰성 검증을 위하여 사용된다.
- 본 연구에서는 주조방안 설계가 난이한 steering wheel 주조부품의 내부 기포결함을 최소화시키고 품질의 안정성을 확보하기 위하여 시제품의 문제점을 분석하고 대안을 도출하여 최적의 주조방안을 도출하고자 하였다.
제안 방법
- <그림 6>(A)에 나타난 바와 같이 각각의 주조방안에 대하여 제품을 주조한 후에 1차적으로 제품은 부위별로 절단하여 기포검사를 진행하였다. <그림 6>(B)와 같이 검사의 신뢰도를 높이기 위하여 제품을 절단하여 X-ray 검사를 추가로 실시하였다.
- <그림 6>(A)에 나타난 바와 같이 각각의 주조방안에 대하여 제품을 주조한 후에 1차적으로 제품은 부위별로 절단하여 기포검사를 진행하였다. <그림 6>(B)와 같이 검사의 신뢰도를 높이기 위하여 제품을 절단하여 X-ray 검사를 추가로 실시하였다. 다음의 장에서 각각의 주조방안에 대한 현상분석 및 새로운 방안도출과정을 상세하게 설명할 것이다.
- 고객의 요구조건을 최대한 감안하여 금형설계 과정에 진공블록(chill band type)을 설치하였다. <그림 2>(C)에 나타난 바와 같이, section 1과 2부위의 기포발생을 최소화하도록 진공블록을 설계하였다. <그림 2>(B)와 <그림 2>(C)의 금형 모델링에서 확인할 수 있듯이, 제품의 복잡한 구조로 인하여 금형 상하측외에 추가로 6개의 유압 slide가 작동하여야 제품을 원활하게 추출 가능한 제품이다.
- 시사출후에 제품의 내부기포를 부위별로 검사하기 위하여 1차로 밷드쏘와 선반으로 단면을 절단하여 육안 검사를 하였다. 2차로 X-ray 방사선 투과 검사를 이용하여 부위별 내부기포 검사를 진행하였다. 검사결과를 부위별 기포 허용치와 비교하여 고객의 요구조건에 도달하지 못할 경우, 전문가 및 작업자의 의견을 취합하여 주조방안을 도출하였다.
- 다이캐스팅머신은 형체력 850ton인 cold chamber type으로 tip의 지름은 Φ80mm, shot sleeve의 길이는 1045mm로 정의하였다. Plunger의 사출조건은 0.72 m/s의 저속사출과 270mm의 저속구간이며, 1.6m/s의 고속 사출과 775mm의 고속구간으로 2단 사출조건을 설정하였다. 주조 cycle time은 80s이며, 형개시간은 15~16s.
- 도출된 주조방안을 근거로 하여 금형수정을 진행하였고 다시 시사출을 하여 기포검사를 진행하였다. 고객의 요구조건을 만족할 때까지 위와 같은 방안(trial and error 방법)을 반복하여 최적의 주조방안에 근접한 시작 다이캐스팅 금형을 제작하였다.
- 검사결과를 부위별 기포 허용치와 비교하여 고객의 요구조건에 도달하지 못할 경우, 전문가 및 작업자의 의견을 취합하여 주조방안을 도출하였다. 도출된 주조방안을 근거로 하여 금형수정을 진행하였고 다시 시사출을 하여 기포검사를 진행하였다. 고객의 요구조건을 만족할 때까지 위와 같은 방안(trial and error 방법)을 반복하여 최적의 주조방안에 근접한 시작 다이캐스팅 금형을 제작하였다.
- 또한 각 부위에 대한 기포급수를 에 요약하였다.
- 본 실험에서 적용된 주조방안은 에서와 같이 크게 3가지 방안으로 방안 1은 주탕도(runner)와 보조탕도(branch)가 양쪽으로 뻗어 나오는 대칭형 형상이고, 방안 2는 방안 1에서 제품 내부의 충진을 원할히 하고 가스배출을 돕기 위하여 gate의 폭을 최대한 넓게 한 형상이며, 방안 3는 제품 중앙의 housing mounting flanges에 발생하는 난류를 방지하기 위하여 보조탕도(branch)의 gate 폭을 크게 축소한 형상이다.
- 본 실험에서 적용하고자 하는 steering wheel housing의 3가지 주조방안에 대하여 에서와 같이 CAD 프로그램(Unigraphics Nx6)을 이용하여 3D solid 모델링을 하였다.
- 시사출후에 제품의 내부기포를 부위별로 검사하기 위하여 1차로 밷드쏘와 선반으로 단면을 절단하여 육안 검사를 하였다. 2차로 X-ray 방사선 투과 검사를 이용하여 부위별 내부기포 검사를 진행하였다.
- <그림 2>(B)와 <그림 2>(C)의 금형 모델링에서 확인할 수 있듯이, 제품의 복잡한 구조로 인하여 금형 상하측외에 추가로 6개의 유압 slide가 작동하여야 제품을 원활하게 추출 가능한 제품이다. 제품의 사이즈 및 금형 비용을 최소화하기 위하여 다이캐스팅 기계는 850ton cold type에 적용이 가능하도록 몰드베이스를 제작하였다.
- 또한 section 3_1과 3_3에서는 미세 기포들이 넓게 분포하고 있다. 현재 나타난 현상에 대하여 특성요인 분석을 전문가 및 작업자의 의견을 바탕으로 새로운 주조방안을 도출하였다.
대상 데이터
- <그림 2>(A)에서 확인할 수 있듯이, steering wheel housing의 사이즈는 가로 572mm, 세로 180mm, 두께 136mm이며 3차원 형상으로 모델링 되었다. 부위별 허용치 기포 급수는 <그림 1>에 나타난 바와 같이 section 1과 2부위(디스크 모양)는 전자제어 모터 및 조타 축(steering shaft)이 결합되는 부위로서 가장 까다로운 기포급수를 요구하고 있다.
- <그림 3>(A)와 <그림 3>(B)는 제작된 다이캐스팅 금형을 보여준다. 다이캐스팅 금형 사이즈는 가로 940mm, 세로 550mm, 두께 475mm이고, 금형 코어재질은 SKD61종에 열처리를 하여 제작하였다. 금형 코어 및 slides의 경도는 46HRc로 설정되었다.
- 금형 제작 후<그림 4>에 나타난 바와 같이 주조실험을 진행하였다. 본 실험에 사용된 재료는 Al-Si-Cu계 합금(ADC12)이며 일반적으로 주조제품에 사용되는 재료 중에 가장 주조성이 뛰어난 재료이다. 이 재료는 Al-Si계 합금에 Cu을 첨가한 것으로 그 조성은 <표 3>과 같으며, 재료의 기계적 성질은 <표 4>에 나타냈다[1].
- 본 실험에서 적용하고자 하는 steering wheel housing의 3가지 주조방안에 대하여 <그림 5>에서와 같이 CAD 프로그램(Unigraphics Nx6)을 이용하여 3D solid 모델링을 하였다. 실험에 사용된 주조조건으로 용탕의 초기온도는 6700c, 금형초기예열온도는 2000c, 주조 중 금형온도는 2800c로 설정하였다. 다이캐스팅머신은 형체력 850ton인 cold chamber type으로 tip의 지름은 Φ80mm, shot sleeve의 길이는 1045mm로 정의하였다.
성능/효과
- 또한 각 부위에 대한 기포급수를 <표 7>에 요약하였다. 각 부위별로 기포의 크기를 버니어캘리버로 측정한 결과, section 1과 2에서는 주조방안 2와 비슷한 결과로 직경 0.5mm 이하의 기포가 발견되었고, section 3_1과 3_3에서는 직경 0.4mm 이하의 기포가 발견되었으며 주조방안 2보다 우수한 결과를 보였다. 특히, section 3_2에서는 직경 0.
- Section 3_2는 절단검사에서 미세기포가 발견되었지만 X-ray 검사결과에서는 가장 많은 기포들이 넓게 분포하는 것으로 판단된다. 검사결과에 나타난 바와 같이 부위별 기포결함이 주조방안 1에 비하여 많이 향상이 되었으나, 실제 pilot 생산에서 section 3_2의 기포불량으로 인하여 불량률이 50%에 도달하였다. Section 3_2의 내부기포문제를 개선하기 위하여 전문가 및 작업자의 의견을 바탕으로 새로운 주조방안 및 대책을 도출하였다.
- X-ray 검사결과도 section 1과 2에서는 후육부위의 기포가 거의 제거된 것으로 판단되고 section 3_1, 3_2, 3_3의 미세 기포들이 거의 제거된 것으로 판단되었다. 검사결과에 나타난 바와 같이 부위별 기포결함이 주조방안 2에 비하여 많이 향상이 되었고, 실제 pilot 생산에서 section 3_2의 기포불량으로 인하여 불량률을 5% 미만으로 낮추게 되었다.
- 2) 저속구간에서 가능한 느린 속도로 용탕을 충진하여 내부기포가 외부로 배출될 수 있도록 한다. 본 실험에서 다음의 사출조건이 0.72m/s의 저속사출과 270 mm의 저속구간이 가장 좋은 것으로 판단되었다.
- 일반적으로 와류현상이 발생하는 부위에 overflow를 추가하여 내부기포를 줄이지만, 금형구조상 section 3_2에 overflow를 추가할 수가 없다. 와류현상을 최소화하기 위하여 주탕도와 보조탕도에서 section 3_2에 도달하는 용탕의 시차를 적용할 필요가 있다고 판단되었다. 다음의 도출방안을 주조방안 3에 적용을 하였다.
후속연구
- 4) 생산성 및 사상비용을 고려한 양산금형의 주조방안을 설계하기 위하여 추가적으로 유동해석(computer simulation)을 이용한 최적의 설계방안을 찾는 것이 필요하다고 생각된다.
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