1.서 론

글로벌 시장경쟁에서 소비자가 원하는 제품을 경쟁사 보다 신속하고 유연하게 제공하고 소비자의 다양한 요구 사향과 기술융합이 요구되는 자동차 산업은 그 특성상 여 러 부품이 조립되어 완성품이 생산되는 기술집약형 생산 산업으로 각각의 부품공급업체는 자동차 완성업체의 생 산일정에 맞추어서 제품을 생산관리 해야만 한다[4].

다이캐스팅 공법은 복잡한 모양의 부품을 단번에 제조 할 수 있는 경제적인 대량생산기술로써, 자동차 부품 제 조에 있어서 중요한 제조기술이다. 자동차 부품이나 전 자부품 등과 같은 높은 치수 안정성과 대량생산에 필요 한 경쟁력 있는 고품질, 저원가, 단납기를 요구하는 산업 분야에 있어 최적의 공법으로 각광받고 있는 추세이다[8, 5]. 그러나 이와 같은 다이캐스팅 주조는 용탕의 고온화, 금형표면에서의 고압화, 제품형상의 복잡화 및 정밀화 등 의 문제로 더욱 발전된 금형제작기술이 요구된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 산업현장에서 널리 쓰이고 있는 CAE 기술이 다이캐스팅 영역으로까지 폭 넓게 적용되고 있다. 일반적으로 다이캐스팅 금형을 제 작할 때에는 금형의 레이아웃, 압출장치관계, 주조조건, 탕구계의 설계, 금형의 냉각조건 등을 고려하여 주조방 안을 설계하여야 한다. 또한 다양한 주조방안에 따라서 주조성형에 의하여 발생되는 제품결함의 정도나 위치가 달라진다[10, 11]. 최근에는 CAE 기술의 발전으로 주조 금형을 제작할 때에 발생하는 기존의 시행착오 과정을 많이 생략할 수 있게 되었다. 결과적으로 생산비 및 생 산기간의 단축과 고품질의 주조부품 생산을 가능하게 되었다[7, 12].

본 연구에서는 사용되는 오일팬은 <Figure 1>과 같이 엔진불럭의 하부에 부착되고, 오일펌프에 의하여 펌핑된 오일이 윤활작용을 마치고 다시 모이는 자동차 부품이다. 오일의 온도에 의하여 가열됨으로 일반적으로 ADC12종 알루미늄이 적용되고 있다. 주조제품의 내부 기포를 최 소화시키고 품질의 안정성을 확보하기 위하여 AnyCasting 을 이용하여 3가지 주조방안을 검토하였다. 충전 및 응고 과정의 해석결과를 분석하여 충진결함과 응고결함에 대 한 결함제어 방안을 강구하고, 다이캐스팅 금형설계 및 제작과정에 적용할 최적의 주조방안을 도출하고자 한다.

2.해석방법

2.1.전산해석 과정

(주)애니캐스팅에서 개발한 주조전용 소프트웨어(Anycasting) 은 FDM(Finite Difference Method) 방식의 사각격 자의 단점을 보완하기 위하여 PM(Porous Media) 방법과 Cut-Cell 방법을 혼합한 Hybrid 방법의 수치해석기법을 이 용하여 용탕의 충진 및 응고해석과정을 수행한다. 일반적 으로 유동해석 시뮬레이션의 전반적인 해석과정은 <Figure 2>에서와 같이 크게 전처리과정, 격자생성, 시뮬레이션, 후처리과정으로 구분된다. 3D CAD 상용 소프트웨어에 서 생성된 형상 모델을 다른 수치해석 프로그램과 마찬 가지로 Anycasting는 STL형식으로 변환하여 전처리과정 에 사용한다[3].

본 연구에서 적용된 자동차용 부품(오일팬_BR2E)은 3D CAD 소프트웨어(Unigraphics NX6)를 이용하여 3D 솔리 드모델링을 한 후에 <Figure 2>에서와 같이 3D CAD 소프 트웨어(Magics RP)를 이용하여 STL 파일로 변환하였다. 전처리과정에서 변환된 STL 파일을 이용하여 주물, 오버 플로우, 탕구, 탕도, 게이트, 주형 등의 재료그룹을 형성한 다. 격자생성과정에서 비등간격 요소분할에 의하여 격자 생성이 되었고, 해석에 이용된 전체 격자수는 13,600,000 개이다. <Figure 3>은 유동 및 응고해석에 적용된 각각의 주조방안형상을 보여주고 있다.

2.2.해석조건

주조해석에 적용된 주물재질은 ADC12이며 또한 주조 해석에 적용된 해석조건은 <Table 1>에 표시한 바와 같 다. 금형재질은 SKD61종이며, 용탕의 초기온도는 630℃, 금형초기 예열온도는 180℃, 주조 중 금형온도는 280℃ 로 설정하였다. 다이캐스팅머신은 형체력 1,200ton인 cold chamber type으로 플런저의 지름(Φ)은 120mm이고, 저속 사출속도는 0.9m/s, 고속사출속도는 3.5m/s으로 사출구간 을 2단 사출조건으로 설정하였다.

2.3.해석내용

본 해석에 적용된 주조방안은 <Figure 3>에서와 같이 3가지 방안으로 설정하였다. 주조방안 1은 7개의 인게이 트와 10개의 오버플로우를 설치하였고, 주조방안 2는 7 개의 인게이트와 긴 꼬리 런너가 있고, 9개의 오버플로 우중에서 측면에 설치한 것들의 위치를 수정하였다. 주 조방안 3은 6개의 인게이트와 9개의 오버플로우를 이용 하였고 역시 측면에 설치한 것들의 위치 및 개수를 조금 수정하였다.

탕도계(Gate System)는 탕도, 탕구, 및 게이트 등으로 구성된다. 탕도계 설계는 용탕을 공동부에 원활히 충진 시켜 완전한 제품을 얻을 수 있는 주조방안설계이다. 또 한 탕도계 설계는 주조상에 발생하는 전반적인 문제 및 주조제품의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중의 하 나이다. 따라서 탕도계 설계가 부적절하여 불량률이 높 은 경우에는 대폭적인 금형수정이나 경우에 따라서는 금 형을 재제작하는 큰 문제가 야기될 수 있다.

2.3.1.유동해석

용탕의 유동속도는 충진 과정에서 제품의 품질 및 금 형의 수명에 영향을 끼치는 매우 중요한 인자이다. 충진 속도가 느린 경우, 높은 열손실로 인하여 탕회, 탕경 등 의 불량을 유발하며, 반면 충진속도가 너무 빠른 경우에 는 탕구, 탕도, 및 금형의 공동부에 마모를 촉진시켜서 금형수명을 단축한다[2, 6].

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[9].

고압 다이캐스팅에서 충진조건은 매우 중요한 요소로 서, 주조 품질에 가장 큰 영향을 미치는 인자이다. 고압 다이캐스팅에서 인케이트까지는 저속으로 주입되고 이 후 주입속도를 변경하여 고속으로 주입된다[1].

2.3.2.응고해석

충진완료를 기준으로 응고진행율과 응고진행시간을 병 행하여 응고해석 결과를 나타낸다. 제품의 후육부위에는 응고수축결함이 발생할 가능성이 가장 높은 곳으로, 제품 의 후육부위를 기준으로 냉각온도 및 응고 진행율을 나타 내었다. 응고해석을 통하여 수축결함 부위를 예측하고, 금형설계 과정에서 수축결함이 예측되는 부위에는 냉각 구조를 치밀하게 설계하도록 가이드라인을 제시한다.

3.해석결과

3.1.유동해석결과

<Figure 4>는 각각의 주조방안에 대한 유동해석 결과 로 용탕의 충진거동을 나타내었다. 앞 절의 해석조건에서 언급하였듯이, 유사한 제품의 최적 양산조건 및 제품의 특성을 고려하여 경험적으로 2단 사출속도를 설정하였다. 제품의 내부기포를 최소화하기 위하여 저속(0.90m/s)에서 고속(3.50m/s)으로 속도를 전환하는 시점은 <Figure 4>에 나타난 바와 같이 탕도 및 인게이트의 충진이 완료된 후 약 5% 금형공동부의 진행이 완료된 시점에 설정하였다.

<Figure 4>에서 나타난 바와 같이 충진과정은 용탕의 과냉이 발생하지 않고 충진이 원활히 되는 것을 볼 수 있 다. 다른 주조방안에 비하여 주조방안 3의 경우에 용탕의 흐름이 균일하게 흐르는 것을 관찰할 수 있다. 충진 시 발생할 수 있는 고립기포 위치가 다른 주조방안에 비하 여 주조방안 3에서 적게 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한 다른 방안에 비하여 상대적으로 균등하게 충진이 되는 것을 볼 수 있다.

<Figure 5>는 주조방안 1의 40% 및 80% 충진거동의 결과를 나타낸다. <Figure 5A>에 나타난 바와 같이, 기포 고립부위가 주조방안 1의 40% 충진거동에서 예상된다. <Figure 5(B)>의 80% 충진거동에서 나타난 바와 같이, 잉 여의 오버플로우 발견되고 또한 진공불럭으로 연결이 잘못 된 것으로 판단된다. 따라서 주조방안 1은 적절하지 않은 것으로 판단된다. 주조방안 1의 결과를 바탕으로 <Figure 3(B)>의 주조방안 2가 설계되었다.

<Figure 6>은 주조방안 2에 대한 게이트별 충진양상을 나타낸다. 게이트별 충진흐름에 대한 해석결과에서 나타 난 바와 같이, 게이트(G4)는 다른 게이트의 충진흐름을 방해하여 제거하는 것이 옳다고 판단된다. 또한 주조방 안 2의 유동흐름을 개선하기 위하여 게이트(G3)와 게이 트(G5)의 방향을 수정하여야 한다. 따라서 주조방안 2는 적절하지 않은 것으로 판단된다.

<Figure 7>은 주조방안 2의 60% 충진거동에 대한 결 과를 나타내며 60% 충진거동에서 충진기포의 고립부위가 예상된다. 따라서 주조방안 2는 적절하지 않은 것으로 판 단된다. <Figure 6>과 <Figure 7>의 결과에 준하여 주조 방안 2 역시 적절하지 않은 것으로 판단된다. 위의 결과 를 바탕으로 <Figure 3(B)>의 주조방안 3이 설계되었다.

<Figure 4(C)>에 나타난 바와 같이, 다른 주조방안에 비하여 용탕흐름이 상대적으로 균일하게 충진이 되는 것 을 볼 수 있다. 또한 주조방안 3의 용탕흐름이 균일하게 유동함으로써 충진 시 발생할 수 있는 기포고립부위가 다 른 주조방안에 비하여 적게 나타나는 것을 볼 수 있다.

3.2.응고해석 결과

응고해석을 통하여 응고수축결함이 발생할 가능성이 가장 높은 곳을 예측하고, 제품의 후육부위를 기준으로 냉각온도 및 응고 진행율을 예측한다. <Figure 8>에서 나 타난 바와 같이, 응고해석은 충진이 완료된 이후에 진행 이 되므로 주조방안이나 주조조건 등이 응고에 미치는 영향은 잘 나타나지 않는다. 응고수축결함 예상부위가 주조방안 3의 35% 해석결과에서 나타나고 있다.

<Figure 9>는 응고수축결함부위에 대하여 여러 단면을 나타낸다. 응고해석에서 응고수축결함 부위의 여러 단면 은 애니캐스팅의 모듈러방법에 의하여 관찰된다. 응고수 축결함을 방지하기 위해서는 주조제품이 응고과정에서 균등하게 냉각이 되도록 하여야 한다. 따라서, 금형설계 및 제작과정에서 응고수축결함 부위에 치밀하고 세밀한 냉각설계를 추가하여야 한다.

4.개선방안 도출

유동해석과 응고해석의 결과에서 주조방안 3이 다른 주조방안에 비하여 가장 좋은 결과를 나타낸다. 그럼에 도 불구하고 주조방안 3에는 약간의 개선사항이 관측되 었다. <Figure 10(A)>는 주조방안 3의 40% 충진거동에서 고정측면의 유동해석 결과를 나타낸다. <Figure 10(A)> 에서 나타난 바와 같이, 충진기포 고립부위가 제품의 중 앙부위에 약하게 나타나는 것으로 관측된다. 주조방안 3 의 유동흐름을 개선하기 위하여 게이트(G3)의 방향을 수 정하여 <Figure 10(B)>의 최종주조방안에 반영하였다.

최종주조방안에 대한 유동해석 결과는 <Figure 11>에 나타난 바와 같이, 주조방안 3보다 유동의 흐름이 보다 균일하게 흐르는 것으로 판단된다. 또한 <Figure 10(A)> 에서 관측된 충진기포 고립부위와 관련된 문제점이 많이 개선된 것으로 판단된다.

5.결 론

유동해석 프로그램(Anycasting)을 이용하여 자동차 부품 (오일팬_BR2E)의 주조방안에 대한 유동해석 및 응고해 석을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.