[논문]자동차용 LPG 연료 탱크 밸브의 다이캐스팅 방안의 유동해석

배성호; 김상철; 김희수

doi:10.7777/jkfs.2022.42.6.331

자동차용 LPG 연료 탱크 밸브의 다이캐스팅 방안의 유동해석
Diecasting Design for a Fuel Tank Valve of LPG Automobiles by Fluid Flow Simulation 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.42 no.6, 2022년, pp.331 - 336

배성호 (조선대학교 재료공학과) , 김상철 ((주)더블유원) , 김희수 (조선대학교 재료공학과)

초록
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본 연구에서는 LPG 자동차용 연료탱크 밸브 제조를 위한 주조방안에 대하여 연구하였다. 대상 밸브에는 그 내부에 두 개의 돌기가 존재한다. 돌기 내부에는 기공 결함이 흔히 발생하였다. 이러한 주조 불량을 최소화하기 위하여 대상 제품의 다이캐스팅 과정에서 용탕 흐름에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 공정 매개변수는 인게이트 위치, 제품 방향 및 주입 속도였다. 또한 진공 다이캐스팅의 사용을 고려하였다. 기공 결함의 위치는 모든 인게이트 위치와 제품 방향에 대해 거의 동일했다. 한편 주입 속도의 변화가 공기 포획의 위치에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 진공 다이캐스팅의 경우 기공 결함의 위치는 이전의 경우와 비슷했지만, 실제 상황에서는 진공으로 인해 기포가 많이 줄어들 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the casting designs for fuel tank valves for LPG automobiles. The valves we studied have two cavities inside the part. There is inevitable air entrapment inside the cavities. In order to reduce this kind of casting defect, we carried out computer simulations of molten metal flow during the diecasting process of the target products. The main process parameters were the ingate position, product direction, and injection velocity. We also examined the possible use of vacuum diecasting. The position of the air entrapment was almost identical for all the ingate positions and product directions. We found that the change of the injection velocity affects the position of the air entrapment. In case of vacuum diecasting, the position of the air entrapment was similar to the previous cases, but it is expected that the air entrapment will be highly reduced in a real situation due to the vacuumed space.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. (a) Model for the diecasting product in this study, and (b) cross-section of the cast product showing air entrapment defects. Most of the specimens have the defects at the identical position of the cavities.
표 Table 2. Injection rate for simulation and diecasting used in this study.
표 Table 1. Process parameters used in the simulation of this study.
그림 Fig. 3. Prediction of void defects by simulated filling sequence and air entrapment sequence. (a) Original design and (b) 180°-rotated cavity.
그림 Fig. 2. Direction of injection for the cavity. (a) Original design and (b) 180°-rotated cavity.
그림 Fig. 4. Two types of ingates used in this study. (a) Ingate A which is the original design and (b) Ingate B where the ingates are separated into two to the cavities.
그림 Fig. 6. Change of void defects according to the ingate shape and the injection rate, by simulated filling sequence.
그림 Fig. 5. Prediction of void defects by simulated filling sequence and air entrapment sequence, in case that ingate B was used.
표 Table 3. List of injection rates for simulation to examine their effect on void defects.
그림 Fig. 7. Change of void defects according to preheated temperature of the mold, by simulated air entrapment sequence.
그림 Fig. 8. Void defects by simulated air entrapment sequence, in case of vacuum diecasting.

AI 본문요약
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문제 정의

본 과제는 과충전 방지 밸브를 다이캐스팅로 생산하며 발생하는 기공 문제를 해결하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션으로 용탕흐름해석을 실시하였으며 이에 따라 주조방안을 변경할 수 있는지 확인하고자 하였다. 이에 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 LPG 연료탱크 과충전 방지 밸브 부품의 다이캐스팅 생산 시 발생하는 기공 문제를 해결하기 위하여, 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 용탕흐름해석을 실시하였다. 특히 인게이트와 오버플로우, 주입속도 등 주조방안과 주조공정변수를 여러 가지 방법으로 변경하여 그 영향을 살펴보고, 제품내 기포 결함을 최소화할 수 있는 방법을 탐색하였다.
본 연구에서는 해당 부품 제품의 다이캐스팅시 기공 등의 주조결함이 발생하는 것을 확인하고, 이러한 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 주조방안을 수립하고자 하였다. 주조결함을 제어하는 방법에는 현장 실험에 의한 제어 방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 적용하는 방법이 있다.

제안 방법

금형의 예열 온도가 용탕충진에 미치는 영향을 알아보기 위하여 기본 예열온도인 300℃ 이외에 250℃와 350℃로 예열온도를 변경하여 시뮬레이션을 실시하였다. 예열온도에 따른 돌기부분의 기공예측은 Fig.
본 연구에서는 주조공정 중의 용탕흐름과 응고현상을 해석하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 사용된 상용 소프트웨어는 애니캐스팅 (Anycasting 6.
제품 캐비티의 배치에 따라 용탕의 흐름이 변화하고, 이에 따라 기공 발생의 영향이 바뀔 수 있으리라 예상하여, 제품의 방향을 180°로 회전시킨 후 다이캐스팅하는 것에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하고, 첫 번째의 경우와 결과를 비교하였다
지금까지 주조해석을 통하여 고찰한 결과, 주조방안을 변경하여도 기공의 발생위치는 거의 고정되어 있었으므로, 주조방안을 변경하기보다는 진공 다이캐스팅으로서 공정을 다소간 변화시켜보았다. 진공의 정도는 상압에 비하여 1% 수준으로 낮춘 후의 다이캐스팅 공정을 예상하여, 이에 주조해석을 실시하였다.
지금까지 주조해석을 통하여 고찰한 결과, 주조방안을 변경하여도 기공의 발생위치는 거의 고정되어 있었으므로, 주조방안을 변경하기보다는 진공 다이캐스팅으로서 공정을 다소간 변화시켜보았다. 진공의 정도는 상압에 비하여 1% 수준으로 낮춘 후의 다이캐스팅 공정을 예상하여, 이에 주조해석을 실시하였다. 기본적인 공정변수는 이전 시뮬레이션과 동일하다.
본 연구에서는 LPG 연료탱크 과충전 방지 밸브 부품의 다이캐스팅 생산 시 발생하는 기공 문제를 해결하기 위하여, 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 용탕흐름해석을 실시하였다. 특히 인게이트와 오버플로우, 주입속도 등 주조방안과 주조공정변수를 여러 가지 방법으로 변경하여 그 영향을 살펴보고, 제품내 기포 결함을 최소화할 수 있는 방법을 탐색하였다. 이를 통하여, 주조방안 변경에 의한 기포 결함 최소화의 한계를 고찰하고, 이 해결책을 제시하고자 한다.

대상 데이터

본 연구에서는 주조공정 중의 용탕흐름과 응고현상을 해석하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 사용된 상용 소프트웨어는 애니캐스팅 (Anycasting 6.3)으로, 주조공정을 쉽고 정확하게 예측할 수 있도록 개발된 제품이다. 애니캐스팅을 이용한 주조해석의 순서는 대략 다음과 같다.
실제 해당 부품의 재료는 다이캐스팅에서 많이 사용되는 알루미늄 합금 ADC12 [5–7]이며, 계산에 사용한 기본적인 공정변수는 Table 1에, 주입속도는 Table 2에 나타내었다

성능/효과

8에 나타낸 바와 같이 기공 발생 위치 예측에 대해서는 이전 결과와 크게 다른 점이 발견되지 않았으며, 역시 같은 위치에서 기공이 예측되었다. 용탕 충진에 대하여 진공 다이캐스팅은 충진 속도를 빠르게 하고, 유동불량 (misrun)과 같은 주조결함을 방지하는 효과가 있긴 하지만, 본 연구에서 사용된 모델에서는 큰 영향을 주지 않았다. 그러나 시뮬레이션 상의 기공 발생 예측부위에서는, 사실 기공이 대기로 채워져 있는 것이 아니라 거의 진공 상태이므로, 실제 다이캐스팅 공정시에는 기공이 극소화될 수 있다고 예상할 수 있다.

후속연구

본 부품에서 기공 결함 발생을 최소화하기 위해서는 주조 방안이 매우 복잡해질 수 있으므로, 주조방안의 변경보다는 다이캐스팅 제조가 가능하고 제 역할을 할 수 있는 새로운 설계가 필요하다고 판단된다.

참고문헌 (7)

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K.T. Kim, J. Korea Foundry Society, 31(1) (2011) 1.
S.W. Kang, K.S. Park, E.H. Oh, J.I. Shim and H.S. Kim, J.？Korea Foundry Society, 36(3) (2016) 88.

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].

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