1.서 론

다이캐스팅 공법은 자동차 부품 제조기술 중에서 가 장 중요한 기술로서, 복잡한 모양의 제품을 단번에 제조 할 수 있는 경제적인 주조기술 중의 하나이다. 자동차 부 품이나 전자부품 등과 같은 높은 치수 안정성과 대량생 산에 필요한 경쟁력 있는 고품질, 저원가, 단납기를 요구 하는 산업분야에 있어 최적의 공법으로 각광받고 있는 추세이다[1]. 또한 글로벌화된 국제 경쟁사회에서 주조업 계에서는 제품개발기간의 단축, 제조원가의 인하 및 고 품질 등을 요구받고 있다[2, 3]. 그러나 이와 같은 다이캐 스팅 주조는 용탕의 고온화, 금형표면에서의 고압화, 제 품형상의 복잡화 및 정밀화 등의 문제로 더욱 발전된 금 형제작기술이 요구된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 산업현장에서 널리 쓰이고 있는 CAE 기술이 다이캐스팅 영역으로까지 폭넓 게 적용되고 있다. 일반적으로 다이캐스팅 금형을 제작 할 때에는 금형의 레이아웃, 압출장치관계, 주조조건, 탕 구계의 설계, 금형의 냉각조건 등을 고려하여 주조방안 을 설계하여야 한다. 또한 다양한 주조방안에 따라서 주 조성형에 의하여 발생되는 제품결함의 정도나 위치가 달라진다[4]. 위의 조건 등을 적절히 수정 또는 변경하 여 주조결함을 제어함으로써 품질이 우수한 다이캐스팅 부품을 제조할 수 있다. 최근에는 CAE 기술의 발전으로 주조금형을 제작할 때에 발생하는 기존의 시행착오 과 정을 많이 생략할 수 있게 되었다. 결과적으로 생산비 및 생산기간의 단축과 고품질의 주조부품 생산을 가능 하게 되었다[4, 5].

본 연구에서는 사용되는 자동차 부품(하우징)은 자동 차의 조향장치 하부에 부착되고, 자동차 핸들의 원활한 작동을 위하여 여러 가지 기어 및 조향축이 결합되는 부 품이다. 주조제품의 내부 기포를 최소화시키고 품질의 안정성을 확보하기 위하여 유동해석 소프트웨어(애니캐 스팅)을 이용한 주조방안을 검토하였다. 충전 및 응고과 정 등의 결과를 분석하여 결함 및 결함제어 방안을 강구 하고, 실제 다이캐스팅 금형에 적용하여 생산된 제품과 응고 시뮬레이션 해석 결과를 비교 검토하여 최적의 주 조방안을 도출하고자 한다.

2.개발목표

앞에서 언급한 바와 같이, 하우징은 자동차의 조향장 치 하부에서 조향축과 결합이 되는 제품으로 조향장치의 내부는 유압 또는 전자기계식으로 작동을 한다. 따라서 주조조건을 최적화하여 기포결함을 최소화하는 것이 이 제품의 특성이다. 제작된 시제품은 상용생산라인을 검증 하고, 다른 부품들과 조립성 및 신뢰성 검증을 위하여 사 용된다. 또한 시작금형 개발에서 획득한 최적의 주조방 안을 차후 양산금형 개발에 적용하는 것이 부수적인 목 적에 속한다.

<Table 1>은 제품의 부위별 허용치 기포급수를 나타내 며, 제품의 부위별 기포급수는 <Figure 1>에 보인 바와 같 이 도식화하여 정리하였다. <Table 2>는 각각의 기포급수 에 대한 설명이다. 예를 들어 Pk2는 기본적으로 기포지름 이 0.4mm 이하이고 기포간의 간격은 8mm 이상이여야 한 다. 그리고 간격 1mm 이내에 미세기포(지름 0.2mm 이하) 가 3개 이상 발견되지 않아야 한다.

3.해석방법

3.1전산해석 과정

(주)애니캐스팅에서 개발한 주조전용 소프트웨어(애니 캐스팅 버전 6.0)은 FDM(Finite Difference Method) 방식의 사각격자의 단점을 보완하기 위하여 PM(Porous Media) 방법과 Cut-Cell 방법을 혼합한 Hybrid 방법의 수치해석 기법을 이용하여 용탕의 충진 및 응고해석과정을 수행한다 [6, 7]. 주조전용 상용코드의 충전 및 응고해석에 사용되 는 지배방정식은 유체의 흐름과 열전달 현상을 질량, 운 동량, 그리고 에너지보존 법칙으로 설명된다. 용탕의 유 동을 3차원 비압축성 및 비정상의 뉴턴흐름으로 간주하 였다. 유체의 유동 및 응고해석에 사용되는 지배방정식 은 연속방정식, 운동량방정식(Navier-stokes Eq.), 에너지 방정식, Volume of Fluid, 등으로 나타난다[8].

일반적으로 유동해석 시뮬레이션의 전반적인 해석과 정은 <Figure 2>에서와 같이 크게 변화과정, 전처리과정, 격자생성, 시뮬레이션, 후처리과정으로 구분된다. 애니캐 스팅는 생성된 형상 모델을 다른 수치해석 프로그램과 마찬가지로 전처리과정 전에 STL 형식으로 변환하여 불러 들일 수 있다. 전처리과정에서 개체생성, 경계구간설정, 및 시뮬레이션에 필요한 여러 가지 조건을 설정한다.

본 연구에서 적용된 자동차용 부품(하우징)은 3D CAD 소프트웨어(Unigraphics NX6)를 이용하여 3D 솔리드모델 링을 한 후에 <Figure 2>에서와 같이 3D CAD 소프트웨어 (Magics RP)을 이용하여 STL 파일로 변환하였다. 전처리 과정에서 변환된 STL 파일을 이용하여 주물, 오버플로우 (Overflow), 탕구(Biscuit), 탕도(Runner), 게이트(Gate), 주형 등의 재료그룹을 형성한다. 격자생성과정에서 비등간격 요소분할에 의하여 10,600,000개의 격자가 생성되었다. <Figure 3>은 유동해석 및 응고해석에 사용할 각각의 주 조방안형상을 보여주고 있다.

3.2해석조건

주조해석에 적용된 주물재질은 ADC12(AlSi9Cu3)이며 또한 주조해석에 적용된 해석조건은 <Table 3>에 표시한 바와 같다. 금형재질은 SKD61종이며, 용탕의 초기온도 는 6,400c, 금형초기 예열온도는 2000c, 주조 중 금형온도 는 2,800c로 설정하였다. 다이캐스팅머신은 형체력 150ton 인 cold chamber type으로 플런저의 지름은 φ 70mm이고, 저속사출속도는 0.4m/s, 고속사출속도는 1.6m/s으로 사출 구간을 2단 사출조건으로 설정하였다.

3.3해석내용

<Figure 3>는 본 해석에 적용된 3가지 주조방안의 3D CAD 모델링 형상을 나타낸다. 방안 1은 2개의 주 게이트 (Principal Gate)가 대칭형상을 나타내고, 용탕이 금형공동 (Mold Cavity) 중앙에 집중되지 않고 양방향에서 충진하기 위한 것이다. 방안 2와 방안 3은 주 게이트와 한쪽으로 뻗 어 나오는 가지 게이트(Branch Gate)가 있는 형상으로 주 게이트에서 거리가 먼 부분을 고르게 충전하기 위한 것이 다. 특히, 제품의 중심부에 발생할 수 있는 기포고립을 방 지하기 위하여 중앙구멍에 오버플로우를 설치한 것이 방 안 2에 나타나있다. 방안 2와 방안 3의 차이점은 <Figure 4>에 나타난 바와 같이 용탕의 충진방향에 차이가 있다. 방안 2는 용탕의 충진방향이 제품형상의 하부로 충진을 하도록 설계가 되었다. 방안 3은 용탕의 충진방향이 제품 형상에 수직으로 충진을 하도록 설계가 되었다.

탕도계(Gate System)는 탕도, 탕구, 및 게이트 등으로 구성된다. 탕도계 설계는 용탕을 금형의 공동부에 원활 히 충진시켜 완전한 제품을 얻을 수 있는 주조방안설계 이다. 또한 주조상에 발생하는 전반적인 문제 및 주조제 품의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 중요한 요소중의 하 나이다. 따라서 탕도계 설계가 부적절하여 불량률이 높 은 경우에는 대폭적인 금형수정이나 경우에 따라서는 금 형을 재제작하는 큰 문제가 야기될 수 있다[9].

3.3.1유동해석

일반적으로 제품의 내부기포가 제품의 품질을 결정하 는 경우에는 충진속도를 느리게 한다. 즉, 용탕이 금형내 부에 충진되는 동안 공기가 오버플로우를 통하여 외부로 배출될 수 있는 시간을 공급하기 위한 것이다. 반면, 제 품의 외관이 제품의 품질을 결정하는 경우에는 충진속도 를 빠르게 하여 제품의 외관 고급화를 유도한다. 충진속 도가 느린 경우, 높은 열손실로 인하여 탕회, 탕경 등의 불량을 유발하며, 반면 충진속도가 너무 빠른 경우에는 탕구, 탕도, 및 금형의 공동부에 마모를 촉진시켜서 금형 수명을 단축한다[9, 10].

앞에서 언급하였듯이 자동차용 부품(하우징)은 자동차 내부의 조향장치에 조립되는 제품으로 제품내부의 기포 를 최소화하는 것이다. 각각의 주조방안에 따른 용탕의 흐름을 조사하고 용탕의 흐름이 내부기포를 어떻게 영향 을 미치는지 알아보았다. 최적의 주조방안을 도출하고 실제 금형에 적용하여 해석결과에서 도출된 최적의 주조 조건과 시 사출결과를 비교하였다.

3.3.2응고해석

응고해석은 충진이 완료가 된 후에 응고진행률과 응 고진행시간을 병행하여 응고해석 결과를 나타낸다. 제품 의 후육부위는 응고수축결함이 발생할 가능성이 가장 높 은 곳으로, 제품의 후육부위를 기준으로 냉각온도 및 응 고진행률을 나타내었다. 응고해석을 통하여 수축결함을 예측하고, 예측결함이 실제주조에서 어떠한 영향을 나타 내는지 알아보기 위하여 주조한 제품을 부위별로 밴드쏘 (Band saw)와 선반으로 절단하였다. 절단된 부위별 단면 은 육안 검사 및 내부기포 검사를 진행하였다.

4.해석결과

4.1유동해석결과

유동해석 조건설정에 있어서 유사한 제품의 최적 양 산조건 및 제품의 특성을 고려하여 경험적으로 2단 사출 속도를 설정하였다. <Figure 5>는 각각의 주조방안에 대 한 충진해석 결과로 용탕의 충진거동을 나타내었다. 제 품의 내부기포를 최소화하기 위하여 저속(0.4m/s)에서 고 속(1.6m/s)으로 속도를 전환하는 시점은 제품부의 충진이 약 30% 이상정도 진행되는 시점에 설정하였다.

방안 1의 충진거동은 <Figure 5>(A)의 93% 충진에서 나타난 바와 같이, 기포고립부위(Flow junction zone)가 게이트와 가까운 제품의 상단 두 곳에 발생하는 것으로 나타난다. 기포고립부위는 주로 오버플로우를 설치하여 기포 발생으로 인하여 발생하는 불량을 방지한다. 제품 의 구조상 오버플로우의 설치가 불가능한 부위에 기포고 립이 발생함으로 적절한 주조방안이라고 볼 수 가 없다.

<Figure 5>(B)의 93% 충진에서 나타난 방안 2의 충진 거동은 기포고립부위(Flow junction zone)가 게이트와 가 까운 제품의 상단 세 곳에 발생하는 것으로 나타난다. 방 안 1의 경우와 같이 오버플로우의 설치가 불가능한 부위 에 기포고립이 발생함으로 적절한 주조방안이라고 볼 수 가 없다.

<Figure 5>(C)의 93% 충진에서 나타난 방안 3의 충진 거동은 기포고립부위(Flow junction zone)가 게이트와 먼 제품의 상단 한 곳에 발생하는 것으로 나타난다. 또한 방 안 1과 방안 2에 비하여 용탕의 흐름이 균일하게 흐르는 것을 관찰할 수 있다. 기포고립부위에 오버플로우의 설 치가 적절히 가능한 부위임으로 적절한 주조방안이라고 볼 수가 있다.

4.2응고해석 결과

앞에서 언급한 바와 같이, 응고거동은 충진이 완료된 이후 에 진행이 되므로 주조방안이나 주조조건 등이 응고에 미치는 영향이 미미하여 해석결과에 크게 차이가 나타나지 않는다. <Figure 6>의 45% 응고에서 나타난 바와 같이, 제품의 후육 부에서 액상선 부근의 온도인 540~5,900c의 온도분포를 보 이고 있으며 또한 응고속도가 매우 느리게 진행되고 있다. 또한, 동일한 후육부 두 부위가 최종 응고부위로 잔존하게 되어 응고 수축의 결함을 예측하게 되었다. 후육부 두 부위는 수축기공 발생을 예측하고 실 주조품의 동일부위를 절단하 여 육안검사 및 수축기공을 측정하여 결과를 비교하였다.

4.3금형모델링 및 제작

주조해석결과를 감안하여 <Figure 7>에서 확인할 수 있듯이 금형설계를 하였다. 제품의 구조로 인하여 <Figure 7>(B)의 금형모델링에서 확인할 수 있듯이, 금형의 상하 측외에 추가로 유압슬라이드가 작동하여야 제품을 원활 하게 추출할 수 있는 제품이다. 또한, 제품의 특성을 고려 하여 진공블락을 추가하였다. 금형비용을 최소화하기 위 하여 150ton cold type에 적용이 가능하도록 몰드베이스 를 제작하였다.

<Figure 8>은 제작된 다이캐스팅 금형을 보여준다. 다 이캐스팅 금형사이즈는 가로 460mm 세로 570mm 두께 460mm이고, 금형코어 재질은 SKD61종에 열처리를 하여 제작하였다. 금형코어 및 슬라이드의 경도는 46HRc로 설 정되었다. <Figure 7>의 금형모델링에서 언급한 바와 같 이 제품 추출을 원활히 하기 위하여 유압슬라이드 및 진 공블락을 다이캐스팅 금형에 설치하였다.

주조해석 결과를 검증하기 위하여 제작된 금형을 바 탕으로 하여 실제 주조품을 <Figure 9>에서 나타난 바와 제품을 주조하였다.

4.4결과비교 및 고찰

주조해석 결과와 주조품의 결과를 비교하기 위하여 <Figure 10>에 제품의 절단방향 및 절단한 주조제품을 나 타내었다. <Figure 6>의 응고해석에서 제품의 후육부에서 응고속도가 매우 느리게 진행됨을 알 수 있었고 45%응고 율에서 나타난 바와 같이 최종 응고부위에 응고 수축의 결함을 예측되었다. <Figure 1>과 <Table 1>에 묘사된 고 객의 요구조건을 감안하여 주조품의 동일부위를 절단하 여 육안검사 및 수축기공을 측정하여 결과를 비교하였다.

<Figure 11>~<Figure 13>은 주조된 제품의 절단부위를 보여준다. <Figure 11>~12<Figure 13>에서 나타난 바와 같 이, 배드쏘로 절단된 부위별 육안검사에서 기포를 관찰 할 수 가 없었다. 섬세한 관찰을 위하여 고속가공 머신센 터를 이용하여 주조물을 가공하여 수축기포에 대하여 육 안검사를 진행하였다. 기포의 크기는 디지털 버니어캘리 퍼스를 이용하여 개략적으로 측정하였다.

<Figure 14>, <Figure 15>는 가공된 제품의 가공부위를 보여준다. <Figure 14>, <Figure 15>에서 나타난 바와 같 이, 제품의 중요부위(실린더 내부, 제품의 내부 테두리, 조 립부위)에서 기포를 관측할 수 없었다. 미세기포(0.2mm 미만)가 <Figure 15>에서 나타난 바와 같이 제품의 후육부 에서 응고수축에 의하여 발생한 것으로 관찰되었다.

5.결 론

유동해석 프로그램(애니캐스팅)을 이용하여 자동차 제품 (하우징)의 주조방안에 대한 해석 및 간이 다이캐스팅 금 형을 이용한 시험주조에서 다음과 같은 결과를 얻었다.