[논문]다이캐스팅형 원심주조기에 대한 충진율·전도율 해석

이양창; 이준성

doi:10.5762/kais.2015.16.4.2364

다이캐스팅형 원심주조기에 대한 충진율·전도율 해석
Conductivity·Filling Rate Analysis for Die-Casting Centrifugal Casting Machine 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.4, 2015년, pp.2364 - 2369

초록
AI-Helper

본 논문에서는 고정밀 로터용 원심주조기 방식을 연구 및 개발함으로써 관련 업종의 생산성 향상을 위하여 로터의 충진율 해석을 통해 RPM에 따른 로터의 충진율을 비교해 최적의 RPM을 제시하였다. 회전속도가 600 rpm일 때 충진율 99.47%를 보여줌으로써 실제 작업현장에서의 결과와 비슷하므로 이를 토대로 추가적으로 수행하여 그 결과를 이용한다면 보다 정확한 공정설계를 할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 소형 레이들의 전도율해석을 통하여 고품질의 주조제품이 생산될 수 있도록 적합한 소형 레이들의 온도를 분석하였다. 니크롬선을 이용한 가열장치가 없는 경우는 $427^{\circ}C$까지 급격히 떨어진 상태로 알루미늄용액이 급격히 굳어지기 시작했다. 그러나 니크롬선의 가열장치가 있는 경우에는 알루미늄 용액의 용융온도인 $660^{\circ}C$이상을 유지한 상태에서 작업을 할 수 있었으며 온도변화가 거의 없음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the optimum RPM was suggested comparing rotor filling rate of RPM through the analysis of rotor's filling rate as studying and developing centrifugal-casting machine's method for high precision rotor in order to increase the related types of business's productivity. The result was similar to other result in industrial site, showing 99.47% of filling rate when rotational speeds are 600 rpm, so it is considered that if this result is conducted with additional research, it will be possible to plan a better process design. Besides, the optimum temperature of compact ladle was examined to produce high quality casting product through the analysis of compact ladle's conductivity. In the case of the heating device's absence using nicrome wire, Al solution solidifies falling drastically into $427^{\circ}C$. However, it is feasible to work over $427^{\circ}C$ which is the melting temperature of aluminium solution when the heating device of nicrome wire is included. It reveals that there is little temperature change.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이를 해석하기 위해 Table 3의 재료별 물성치를 사용하였으며, 해석은 레이들의 열전도에 따른 알루미늄 용액의 온도저하 속도와 온도를 분석했다. 그리고 온도저하를 최소화하기 위해 본 과정에서 제시한 구조의 니크롬선에 필요한 온도를 가열하여 알루미늄 용액의 온도저하를 최소화 하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 설명한 종래의 제반 문제점들을 해결하기 위하여 원심주조 시 원심력에 의한 저압으로 충진율을 높여 기공을 최소함으로써 양질의 주조제품을 제조할 수 있도록 한 것이다. 또한, 원심 주조기의 소형 레이들의 전도율해석[3,4]을 통하여 고품질의 주조제품이 생산되도록 하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 설명한 종래의 제반 문제점들을 해결하기 위하여 원심주조 시 원심력에 의한 저압으로 충진율을 높여 기공을 최소함으로써 양질의 주조제품을 제조할 수 있도록 한 것이다. 또한, 원심 주조기의 소형 레이들의 전도율해석[3,4]을 통하여 고품질의 주조제품이 생산되도록 하고자 한다.

제안 방법

해석 시간은 35초이고, 주조용액(AL356)의 온도는 450°C이다. 또한 inlet과 outlet 부분에서는 대기압 1atm이 작용하고 중력 가속도 9.8m/s²만 작용하게 설정하여 수직형 다이캐스팅 방식으로 해석을 진행하였다. 그리고 원심형으로 회전수는 100～700 rpm으로 하였다.
해석은 소형 레이들의 니크롬선에 온도를 가열하지 않은 상태에서 알루미늄 용액의 온도 변화를 실질적인 작업현장과 어느 정도 근접하는지 확인하였다. 또한, 니크롬선에 알루미늄 용액의 온도와 유사한 온도를 설정하여 열전도해석을 하였다. 여기서 공기의 유전율은 5W/m²°C로 하였고, 레이들이 용탕에서 용액을 받아 주입구까지 이동하는데 약 20sec로 설정하여 해석하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 산업현장에 사용되는 원심주조 로터의 충진율 해석과 소형 레이들의 전도율 해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
그리고 소형 레이들에 니크롬선을 적용한 구조의 온도 분포를 해석한 결과 온도변화는 20sec 동안 서서히 변화하였으며, 약 10℃의 작은 변화만 있었다. 본 해석을 통하여 소형 레이들의 온도관리와 용액의 온도변화를 예측할 수 있었다.
여기서 공기의 유전율은 5W/m2°C로 하였고, 레이들이 용탕에서 용액을 받아 주입구까지 이동하는데 약 20sec로 설정하여 해석하였다.
원심주조의 로터가 정지한 경우와 로터가 회전한 경우에 대해 각각 해석을 통하여 충진율의 차이를 비교하였다. 해석할 모델은 Fig.
그리고 사용 시에는 레이들의 이형제와 기타 작업조건을 그대로 적용할 수 있는 구조이다. 이를 해석하기 위해 Table 3의 재료별 물성치를 사용하였으며, 해석은 레이들의 열전도에 따른 알루미늄 용액의 온도저하 속도와 온도를 분석했다. 그리고 온도저하를 최소화하기 위해 본 과정에서 제시한 구조의 니크롬선에 필요한 온도를 가열하여 알루미늄 용액의 온도저하를 최소화 하고자 한다.
해석은 소형 레이들의 니크롬선에 온도를 가열하지 않은 상태에서 알루미늄 용액의 온도 변화를 실질적인 작업현장과 어느 정도 근접하는지 확인하였다. 또한, 니크롬선에 알루미늄 용액의 온도와 유사한 온도를 설정하여 열전도해석을 하였다.
13]과 같은 경계조건을 설정하였다. 해석을 위해 소형 레이들과 공기층을 함께 1/4모델링을 하였으며 대칭조건을 이용하여 구속하였다. 또한 Fig.

대상 데이터

해석을 위해 소형 레이들과 공기층을 함께 1/4모델링을 하였으며 대칭조건을 이용하여 구속하였다. 또한 Fig. 14와 같이 모델의 요소 및 절점의 수는 각각 533,558개와 2,144,696개로 구성하였다.
모델의 요소 및 절점의 수는 각각 166,827개와 130,844개로 구성되어 있으며, inlet과 outlet 부분을 제외한 나머지 면 요소들은 wall로 지정하였다. 해석 시간은 35초이고, 주조용액(AL356)의 온도는 450°C이다.
이러한 단점을 개선하기 위해 원심형 주조기 개발이 필요하다[1]. 본 연구의 개발 제품은 Fig. 1에 나타나 있고, 제품 주조 시 원심력을 이용하여 충진율을 높여 기포를 최소화함으로써 양질의 주조제품을 제조하기 위한 장치이다. 일반적으로 다이캐스팅 제품은 대량 생산, 치수정밀도와 재질의 균질성 요구, 경량화 요구, 복잡한 형상, 피로강도, 내열성, 내마모성의 요구 등으로 인해 주조공법으로 생산되는데, 이때 다이캐스팅용 합금에는 주성분의 알루미늄에 특수 원소(Cu, Si, Mg, Ni, 등)를 단독 또는 복합하여 첨가한 알루미늄합금을 사용한다.

성능/효과

1) 원심주조 로터가 멈춰져있는 상태보다 회전한 경우 특히, 회전 속도가 증가함에 따라 로터의 충진율이 증가하였다. 회전속도가 600 rpm 일 때 충진율 99.
2) 니크롬선을 이용한 가열장치가 없는 경우는 427℃까지 급격히 떨어진 상태로 Al용액이 급격히 굳어지기 시작하지만 니크롬선의 가열장치가 있는 경우에는 Al용액의 용융온도인 660°C 이상을 유지한 상태에서 최저 664°C로 매우 효과적인 온도 관리 구조라 할 수 있다.
3) Al 용해온도인 660°C 이상의 온도를 충분히 유지할 수 있다는 결과를 얻은 것은 주조제품의 밀도를 99% 이상 높일 수 있을 것으로 예상된다.
이는 실질적으로 작업현장에서 200℃ 가량 변화하는 것과 거의 같았다. 그리고 소형 레이들에 니크롬선을 적용한 구조의 온도 분포를 해석한 결과 온도변화는 20sec 동안 서서히 변화하였으며, 약 10℃의 작은 변화만 있었다. 본 해석을 통하여 소형 레이들의 온도관리와 용액의 온도변화를 예측할 수 있었다.
16에 나타내었다. 소형레이들에 니크롬선을 적용하지 않는 구조의 온도 분포를 해석한 결과 온도가 240℃ 가량 급감하는 것을 알 수 있었다. 이는 실질적으로 작업현장에서 200℃ 가량 변화하는 것과 거의 같았다.
따라서 회전하지 않는 경우에는 100% 충진율을 보이지 않았지만 700 rpm상태로 회전한 경우에는 100%의 충진율을 보여주고 있다. 유한요소해석을 통해 원심주조의 로터가 멈춰있는 상태보다 회전한 경우, 특히 600 rpm 이상으로 회전할 경우 충진율이 더 좋다는 것을 찾아낼 수 있었다.
3) Al 용해온도인 660°C 이상의 온도를 충분히 유지할 수 있다는 결과를 얻은 것은 주조제품의 밀도를 99% 이상 높일 수 있을 것으로 예상된다. 즉, 온도가 최대 675°C 에서 664℃ 이내의 변화로 레이들에 담겨져 있는 용액이 반 용융상태가 아닌 완전한 용융상태이므로 안정된 주입이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원심주조법은 어떻게 나눌 수 있는가?	원심주조법[5]은 주로 실린더 라이너, 슬리브 및 수도관과 같은 중공 회전 대칭인 주물의 제조에 이용되어 왔다. 원심주조법은 주형의 회전축에 따라 수평 및 수직 원심주조로 나눌 수 있다. 수평 원심주조는 수도관과 같은 긴 원통형 주물에 적합하며 수직 원심주조는 피스톤 링과 같은 비교적 짧은 원통형 주물과 union, valve body, gate plunge 및 형상이 복잡한 작은 주물의 제조에 이용 된다.
	응고조직이 불균일한 주조결함 발생으로 인한 문제점은?	종래의 수평방식의 다이캐스팅 저압 주조 기술은 용융된 상태의 알루미늄 합금(용탕)을 금형에 주입하는 경우, 용탕의 단시간 고속주입과 이에 따른 공기의 혼입으로 인하여 용탕의 응고 시 제품에 많은 기공률이 증가하게 되어 응고조직이 불균일한 주조결함이 발생한다. 이로 인해 모터 회전자나, 모터 고정자를 제조할 경우에는 모터 효율이 떨어지고, 원하는 토크가 발생하지 않음은 물론 진동 및 소음이 발생하는 문제가 발생한다[2]. 용탕의 단시간 고속 주입과 이에 따른 공기의 혼입으로 인하여 기공률이 증가하게 되어 응고조직이 불균일하게 되면 다이캐스팅 제품의 표면품질이 저하됨은 물론 제품 자체의 조직이 치밀하지 못한 문제가 발생한다[2].
	원심주조법은 어디에 이용되어 왔는가?	원심주조법[5]은 주로 실린더 라이너, 슬리브 및 수도관과 같은 중공 회전 대칭인 주물의 제조에 이용되어 왔다. 원심주조법은 주형의 회전축에 따라 수평 및 수직 원심주조로 나눌 수 있다.

참고문헌 (5)

Jang, S. R., "S. R. Ahuja, K. D. Hong, K. S. Hong, " study on the solidification characteristics of Al alloys in vertical centrifugal casting", Doctoral Thesis, Yonsei University, 2002.
Choi, S. H., "Mold Rotary Speed in Centrifugal Casting", J. of Korea Foundry Society, Vol. 11, pp. 26-31, 1991.
H. S. Jang, J. S. Lee and D. K. Park, "Heat Analysis for Heat Sink Design Using Finite Element Method", J. of Korea Academia- Industrial cooperation Society, Vol. 14, pp. 1027-1032, 2013.

원문보기 상세보기
J. S. Ha, S. B. Lee and D. K. Lee, "A Study on the Characteristic of Time Dependent Temperature Change in a Automobile Washer Heater", Journal of Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 14, pp. 1040-1044, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.3.1040

원문보기 상세보기
Machinery term dictionary, Korea Machine Tool Manufactures's Association, Press of Iljin

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증