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문제 정의
- 본 연구에서는 금형주조장치의 예열온도에 따른 AC7A 타이어 몰드용 주조재 내부의 온도분포, 변위, 응력 등의 열변형을 수치해석을 통해 분석하고, AC7A 주조재 내부의 온도분포를 실험을 통해 측정하여 그 결과를 수치해석 결과와 비교한 후, 수치해석 결과의 신뢰성을 입증하고자 하였다.
- 본 연구에서는 금형주조장치의 예열온도에 따른 타이어 몰드용 AC7A 주조재 내부에서 발생하는 열변형에 대하여 수치해석을 통해 조사하였다. 또한, 수치해석을 통해 얻어진 결과를 검증하기 위하여, 실제 타이어 몰드 제조에 사용하는 금형주조장치를 이용하여 수치해석과 동일한 조건하에서 온도분포 측정실험을 실행하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- AC7A 주조재는 680℃의 온도로 완전히 용융된 후에 금형주조장치에 주입되었다. AC7A 주조재의 내부온도는 주조재가 금형주조장치에 완전히 주입된 시점으로부터 주조재가 응고되어 금형주조장치로부터 탈착 될 때까지 약 15분 동안 1분 간격으로 측정하였다. 정확한 결과를 얻기 위하여 같은 조건에서 실험을 3회 실시하여 평균값을 사용하였다.
- 해석에 사용된 모형은 금형주조장치의 상부와 하부, core, AC7A 주조재로 구성되었다. 각 부분의 예열온도 조건은 core는 80℃, AC7A 주조재는 680℃로 설정하였고, AC7A 주조재는 고체 상태로 고려하여 해석하였다.
- 금형주조장치의 예열온도 조건은 150℃, 200℃, 250℃, 300℃로 설정하여 각각의 경우에 수치해석을 실행하였다. 금형주조장치의 경계조건은 코어(core)와 AC7A 주조재 사이의 접촉면은 전도 상태로 설정하였고, 접촉면을 제외한 내부는 대류 상태로 설정하여 수치해석을 실행하였다. 수치해석을 통해 금형주조장치에 AC7A 주조재의 주입이 완료된 시점으로부터 주조재가 금형주조장치로부터 탈착되는 시간인 15분 동안 발생하는 온도, 변위, 응력을 계산하였다.
- 금형주조장치의 예열온도 조건은 150℃, 200℃, 250℃, 300℃로 설정하여 각각의 경우에 수치해석을 실행하였다. 금형주조장치의 경계조건은 코어(core)와 AC7A 주조재 사이의 접촉면은 전도 상태로 설정하였고, 접촉면을 제외한 내부는 대류 상태로 설정하여 수치해석을 실행하였다.
- 본 연구에서는 금형주조장치의 예열온도에 따른 타이어 몰드용 AC7A 주조재 내부에서 발생하는 열변형에 대하여 수치해석을 통해 조사하였다. 또한, 수치해석을 통해 얻어진 결과를 검증하기 위하여, 실제 타이어 몰드 제조에 사용하는 금형주조장치를 이용하여 수치해석과 동일한 조건하에서 온도분포 측정실험을 실행하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- AC7A 합금은 타이어 제작을 위한 타이어 몰드용 금형 제작 관련 산업분야에서 널리 사용되고 있으며, Table 1과 Table 2는 AC7A 합금의 물리적 특성과 화학 조성을 나타내고 있다[10-12]. 수치해석을 위한 모델은 실제 AC7A 합금을 이용하여 타이어 몰드를 생산하고 있는 금형주조장치와 동일하게 모델링하였다. 또한, 금형주조장치의 재질인 SUS303과 코어의 재질인 Gypsum의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 금형주조장치의 경계조건은 코어(core)와 AC7A 주조재 사이의 접촉면은 전도 상태로 설정하였고, 접촉면을 제외한 내부는 대류 상태로 설정하여 수치해석을 실행하였다. 수치해석을 통해 금형주조장치에 AC7A 주조재의 주입이 완료된 시점으로부터 주조재가 금형주조장치로부터 탈착되는 시간인 15분 동안 발생하는 온도, 변위, 응력을 계산하였다.
- 또한, 모든 열전대는 데이터 획득 장치와 연결하여, 측정된 온도 데이터를 자동으로 PC에 저장하였다. 용융된 AC7A 주조재가 금형주조장치에 주입되는 과정에서 주조재, 금형주조장치, 코어의 온도차로 인하여 발생하는 열변형을 최소화하기 위하여, 금형주조 장치는 250℃로 예열하였고, 코어는 80℃로 예열하였다. AC7A 주조재는 680℃의 온도로 완전히 용융된 후에 금형주조장치에 주입되었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 타이어 몰드용 주조재로 Al-Mg계 합금중 하나인 AC7A 합금을 사용하였다. AC7A 합금은 타이어 제작을 위한 타이어 몰드용 금형 제작 관련 산업분야에서 널리 사용되고 있으며, Table 1과 Table 2는 AC7A 합금의 물리적 특성과 화학 조성을 나타내고 있다[10-12].
- 수치해석 결과와 비교, 검증하기 위하여, 실제 타이어 몰드 제작에 사용되는 금형주조장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험장치는 금형주조장치, 코어, 데이터 획득 장치(DAQ-100), K-type 열전대, PC로 구성되었다.
- 수치해석 결과와 비교, 검증하기 위하여, 실제 타이어 몰드 제작에 사용되는 금형주조장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험장치는 금형주조장치, 코어, 데이터 획득 장치(DAQ-100), K-type 열전대, PC로 구성되었다. AC7A 주조재의 응고과정동안 주조재 내부의 온도분포를 측정하기 위하여 Fig.
- 1은 수치해석에 사용된 금형주조장치의 3차원 모형을 나타내고 있다. 해석에 사용된 모형은 금형주조장치의 상부와 하부, core, AC7A 주조재로 구성되었다. 각 부분의 예열온도 조건은 core는 80℃, AC7A 주조재는 680℃로 설정하였고, AC7A 주조재는 고체 상태로 고려하여 해석하였다.
데이터처리
- AC7A 주조재의 내부온도는 주조재가 금형주조장치에 완전히 주입된 시점으로부터 주조재가 응고되어 금형주조장치로부터 탈착 될 때까지 약 15분 동안 1분 간격으로 측정하였다. 정확한 결과를 얻기 위하여 같은 조건에서 실험을 3회 실시하여 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 수치해석은 AC7A 주조재 내부에서 발생하는 온도분포와 열변형을 예측하기 위하여 유한요소법을 기반으로 한 상용프로그램인 “COMSOL Multiphysics”를 사용하였다.
- 실제 산업현장에서 제품의 품질 향상, 비용 절감, 제작 시간 감소 등의 이유로 자동차 타이어 몰드 제작을 위해 금형주조법을 사용한다. 그러나 타이어 몰드를 제작하는데 있어 밀폐된 금형주조장치 안에서 발생하는 주물의 열변형과 온도분포를 측정하는 데는 많은 어려움이 있기 때문에 주물의 냉각과정동안 발생하는 온도분포, 변위, 응력과 같은 열변형은 거의 제조과정을 통한 경험에 의해 대부분 진행되어 왔다.
성능/효과
- 또한, 예열온도에 따른 주조재의 응력해석 결과를 보다 쉽게 알아보기 위하여, Table 5에 예열온도에 따라 주조재가 금형주조장치로부터 탈착될 때 주조재의 평균응력을 나타내었다. 금형주조 장치를 150℃로 예열하였을 경우에 주조재의 탈착시점에서 평균응력은 대략 0.481GPa로 가장 크게 나타났으며, 금형주조장치를 300℃로 예열하였을 경우의 평균응력은약 0.351GPa로 가장 작게 나타났다.
- 변위해석 결과에서 금형주조장치의 예열온도가 높을 수록 AC7A 주조재의 전체적인 변위가 더 작게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 7 ~ 10은 앞 절의 수치해석을 통해 얻은 온도분포 결과를 토대로 계산된 AC7A 주조재의 변위해석 결과를 보여주고 있다. 변위해석 결과에서, 모든 예열온도 조건에서 중앙부에 위치한 4, 5, 6번 지점이 다른 지점에서 보다 변위가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 예열온도에 따른 변위결과를 더 쉽게 알아보기 위해, Table 4에 각각의 예열온도에 따라 주조재가 금형주 조장치로부터 탈착될 때 주조재의 평균변위를 나타냈다.
- 수치해석을 통해 계산된 온도분포 결과, 금형주조장치의 예열온도를 300℃로 하였을 때 평균온도는 374.27℃로 다른 예열온도 조건의 결과에 비해 냉각속도가 가장 늦었고, 150℃로 예열하였을 경우 평균온도는 267.33℃로 가장 빠르게 냉각되는 것을 확인할 수 있었다. 온도분포 결과를 토대로, AC7A 주조재 내부의 냉각과정 동안의 변위, 응력과 같은 열변형은 금형주장치의 예열온도가 300℃일 때 변위는 0.
- 33℃로 가장 빠르게 냉각되는 것을 확인할 수 있었다. 온도분포 결과를 토대로, AC7A 주조재 내부의 냉각과정 동안의 변위, 응력과 같은 열변형은 금형주장치의 예열온도가 300℃일 때 변위는 0.25mm, 응력은 0.351GPa로 가장 작게 발생하였고, 150℃일 경우 변위는 0.341mm, 응력은 0.481GPa로 가장 크게 발생하였다. 한편, 온도분포 측정 실험 결과와 수치해석을 통한 온도분포 결과를 비교하였을 때, 냉각초기 약 5분 동안 용융된 주조재가 응고되는 상변화 과정에서 발생하는 잠열에 의해 온도패턴이 약간 다르게 나타났으나, 상변화 과정 이 후의 각 측정지점에서의 온도패턴은 거의 유사하게 나타났다.
- 27℃로 나타났다. 온도분포 해석결과를 통해 금형주조장치의 예열온도에 따라 주조재의 냉각속도에 많은 차이가 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- 응력분포 해석결과를 통해 금형주조장치의 예열온도가 높을수록 AC7A 주조재의 전체적인 응력이 더 작게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 한편, 온도분포 측정 실험 결과와 수치해석을 통한 온도분포 결과를 비교하였을 때, 냉각초기 약 5분 동안 용융된 주조재가 응고되는 상변화 과정에서 발생하는 잠열에 의해 온도패턴이 약간 다르게 나타났으나, 상변화 과정 이 후의 각 측정지점에서의 온도패턴은 거의 유사하게 나타났다. 이를 통해, 본 연구에서 생산현장에서 파악하고자 하는 고체상태에서의 AC7A 주조재의 냉각에 따른 열변형 결과의 확인을 위한 수치해석적 접근은 수치해석 및 실험을 통해 얻은 온도 분포 결과를 통해 신뢰성을 확보할 수 있는 결과라고 볼 수 있다. 결국, 금형주조장치와 AC7A 주조재 사이의 온도차에 의해서 발생하는 열변형의 최소화는 금형주조장치의 예열온도를 높게 할수록 적게 발생하지만, 제품의 정밀도 및 제품생산에 소요되는 비용과 시간을 고려하면, 금형주조장치의 예열온도를 250℃로 설정하는 것이 가장 적절하다고 사료된다.
- 481GPa로 가장 크게 발생하였다. 한편, 온도분포 측정 실험 결과와 수치해석을 통한 온도분포 결과를 비교하였을 때, 냉각초기 약 5분 동안 용융된 주조재가 응고되는 상변화 과정에서 발생하는 잠열에 의해 온도패턴이 약간 다르게 나타났으나, 상변화 과정 이 후의 각 측정지점에서의 온도패턴은 거의 유사하게 나타났다. 이를 통해, 본 연구에서 생산현장에서 파악하고자 하는 고체상태에서의 AC7A 주조재의 냉각에 따른 열변형 결과의 확인을 위한 수치해석적 접근은 수치해석 및 실험을 통해 얻은 온도 분포 결과를 통해 신뢰성을 확보할 수 있는 결과라고 볼 수 있다.
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