[논문]유동 및 응고 시뮬레이션을 활용한 회전자 패밀리 금형의 오버플로우 설계 방안

정재민; 김창완; 이경민; 국중민; 진현기; 홍성길

doi:10.7777/jkfs.2013.33.5.204

유동 및 응고 시뮬레이션을 활용한 회전자 패밀리 금형의 오버플로우 설계 방안
Overflow Design Methods of Family Mold for Rotor Using the Flow and Solidification Simulation 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.33 no.5, 2013년, pp.204 - 209

정재민 (전남대학교 신소재공학과) , 김창완 (전남대학교 신소재공학과) , (전남대학교 신소재공학과) , 이경민 (전남대학교 신소재공학과) , 국중민 ((주)보스텍) , 진현기 ((주)보스텍) , 홍성길 (전남대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The family mold casting have advantages which are able to make products with different shapes and dimensions simultaneously in a single mold. In this study, the design of the 4 cavity rotor family mold was used by "Anycasting" software, the defects occurred during die casting were predicted and suggested the best optimization conditions for sound products. The result of the experiment were that the optimum overflow design was needed for gas emission and control of residual oxides. It was clear that the defects positions formed by diecasting were agreed with nearly them predicted by simulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 4 캐비티 회전자 패밀리 금형의 오버플로우 설계를 위해 2가지 오버플로우 타입을 적용하였고, 다이 캐스팅 시 유동 및 응고 양상, 산화물 분포 등의 시뮬레이션 분석을 통해 결함을 예측하고 해석 결과를 바탕으로 오버플로우 설계 방안을 도출하였다. 또한 충전율 계산과 X-Ray CT 촬영을 통해 시뮬레이션에서 예측한 결과와 비교 분석하였다.

제안 방법

각 캐비티는 엔드링(endring)의 높이 차이가 있으며 Type1의 오버플로우는 기본적인 설계이고 Type2의 오버플로우는 Type1의 해석 결과를 바탕으로 오버플로우의 위치를 캐비티의 최종 충전부로 이동시키고 산화물의 배출이 용이하게 하기 위해 오버플로우의 크기를 키운 설계이다. 격자 생성은 비등간격 격자(Variable Mesh) 생성 방법을 이용하였고 2 타입의 전체 격자 수는 26,244,400개로 동일하게 생성하였다.
8 m/s의 고속으로 105 mm를 충전하게 설정하였다. 최종적으로 설계된 금형에 대해 다이캐스팅은 총 10 shot을 실행하였고 생산된 회전자에 대해서 아르키메데스 법을 이용하여 회전자의 충전율을 계산하였다.

대상 데이터

2에 나타내었다. 각 캐비티는 엔드링(endring)의 높이 차이가 있으며 Type1의 오버플로우는 기본적인 설계이고 Type2의 오버플로우는 Type1의 해석 결과를 바탕으로 오버플로우의 위치를 캐비티의 최종 충전부로 이동시키고 산화물의 배출이 용이하게 하기 위해 오버플로우의 크기를 키운 설계이다. 격자 생성은 비등간격 격자(Variable Mesh) 생성 방법을 이용하였고 2 타입의 전체 격자 수는 26,244,400개로 동일하게 생성하였다.
시뮬레이션 해석 조건 및 다이캐스팅 주조 조건을 Table 1에 나타내었다. 주조 재료는 99.5% Al인 1050 Al, 금형 재료는 STD61을 사용하였고, 금형 초기 온도는 200oC, 용탕의 주입 온도는 720oC를 적용하였다. 다이캐스팅 머신에서 슬리브 길이 245 mm, 슬리브 직경 45 mm, 비스켓의 두께는 20 mm이고, 사출 조건은 0.

데이터처리

X-Ray 측정 장비는 225 kV의 Microfocus X-Ray CT 장비로 전압과 전류는 각각 150 V와 40 μA로 설정하였으며, 계산된 충전율을 바탕으로 평균값에 가장 근접한 회전자를 선택하여 2D 단층 분석을 실행하였다. X-Ray 스캔은 상부 엔드링부터 하부 엔드링까지 연속적으로 촬영하였고, 상하부 엔드링의 1/4, 2/4, 3/4, 4/4 면을 선택하여 회전자의 기공 및 수축공의 분포를 시뮬레이션의 결과와 비교하였다.

성능/효과

1) 유동 및 응고 시뮬레이션을 이용하여 다이캐스팅 시 유동 및 응고 양상, 산화물 분포의 결과를 통해 기공과 산화물 등의 결함을 예측하였고, 해석 결과를 바탕으로 적합한 오버플로우의 설계를 통해 결함을 제어할 수 있었다.
2) 충전 및 산화물 해석 결과 가스 배출의 용이성과 잔류 산화물 제어를 위해 제품의 최종 충전부에 산화물이 배출되기용이한 오버플로우의 설계가 필요함을 알 수 있었다.
3) 유동 및 응고 시뮬레이션을 통해 예측한 기공 및 수축의 위치는 최종 응고부인 엔드링 중심부분이었으며, 이는 실제 다이캐스팅 공정으로 생산한 제품의 X-Ray CT를 촬영한 결과에서 기공 및 수축의 위치와 대략적으로 일치함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	패밀리 금형은 무엇인가?	패밀리 금형은 하나의 금형에서 다양한 형상과 치수를 가진 제품을 생산할 수 있는 금형으로 다품종 소량 생산 방식에 적합하다. 현재 가전 및 산업분야에서 사용되는 모터 회전자(Rotor)는 대부분 다이캐스팅 공정으로 생산되며[1], 크기가 작은 회전자 생산의 경우 다품종 소량 생산을 위한 패밀리 금형의 다이캐스팅 기술이 요구되고 있다.
	다이캐스팅 공정에서 주물 내에 기공과 산화물이 형성되는 문제는 무엇을 통해 제어해야 하는가?	그러나 다이캐스팅 공정에서 용탕에 의해 슬리브(Sleeve)가 완전히 충전되지 않은 상태로 가스와 함께 캐비티(Cavity)에 주입되기 때문에 주물 내에 기공과 산화물이 형성되어 불량의 원인이 되고 있다[2]. 이러한 현상은 가스와 산화물 배출을 원활하게 할 수 있는 오버플로우(Overflow) 및 가스 벤트의 설계 등을 통해 제어하여야 한다[3].
	Anycasting은 무엇을 예측할 수 있는가?	상용 주조 해석 소프트웨어인 Anycasting은 주조공정 중 용탕 충전과 응고현상, 산화물 분포 등을 예측할 수 있다. CAD 프로그램을 이용하여 모델링을 한 각 캐비티 형상 및 크기와 2가지 타입에서의 오버플로우 위치와 크기 차이를 각각 Fig.

참고문헌 (9)

LEE JH, Journal of the Korean Society of Precision Engineering, "Detectibility of Internal Defects in Aluminum Die-casted Rotor Using Ultrasonic Technique", 18 (2001) 185-191.
Lee YC, KAIS "Development of Auto Casting Machine for Rotor Molding of Electric Motor" (2010) 824-827.
Kim YC, J.KFS, "Optimization of the Thin-walled Aluminum Die Casting Die Design by Solidification Simulation", 28 (2008) 190-194.
ZHANG Weishan, XIONG Shoumei and LIU Baicheng, Journal of Materials Processing Technology, "Study on a CADICAE System of Die Casting", 63 (1997) 707-711.

상세보기
Dennis L. Fritz:Die Casting Engineer, "CAD/CAE: Fantasy or Fact", 30 (1986) 34-35.
Jack R. Vann and Ying Shen, Die Casting Engineer, "Computer-Integrated Information/Control Systems for Improved Quality and Profits(Part 1)", 32 (1988) I8-26.
Jack R. Vann and Ying Shen, Die Casting Engineer, "Computer-Integrated Information/Control Systems for Improved Quality and Profits(Part2)", 32 (1988) 36-46.
J. Szekely and A. S. Jassal, Metall. Trans, 9B (1978) 389.
J. Cambell, Mat. Sci. &tech, 17 (1991) 885.

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