0021-01-0036-0004-10.pdf2.71MB

• 1. 서 론
• 2. 해석방법
• 2.1 전산해석 과정
• 2.2 해석조건
• 2.3 해석내용
• 2.3.1 유동해석
• 2.3.2 응고해석
• 3. 해석 결과
• 3.1 유동해석 결과
• 3.2 응고해석 결과
• 4. 개선방안 도출
• 5. 실험결과 및 비교
• 5.1 금형모델링 및 제작
• 5.2 결과비교 및 고찰
• 5. 결 론
• Acknowledgement

1. 서 론

다이캐스팅 공법은 복잡한 모양의 부품을 단번에 제조할 수 있는 경제적인 대량생산기술로써, 자동차 부품제조에 있어서 중요한 제조기술이다. 자동차 부품이나 전자부품 등과 같은 높은 치수 안정성과 대량생산에 필요한 경쟁력 있는 고품질, 저원가, 단납기를 요구하는 산업분야에 있어 최적의 공법으로 각광받고 있는 추세이다[1, 2]. 그러나 이와 같은 다이캐스팅 주조는 용탕의 고온화, 금형표면에서의 고압화, 제품형상의 복잡화 및 정밀화 등의 문제로 더욱 발전된 금형제작기술이 요구된다. 

이러한 문제를 해결하기 위하여 산업현장에서 널리 쓰이고 있는 CAE 기술이 다이캐스팅 영역으로까지 폭넓게 적용되고 있다. 일반적으로 다이캐스팅 금형을 제작할 때에는 금형의 레이아웃, 압출장치관계, 주조조건, 탕구계의 설계, 금형의 냉각조건 등을 고려하여 주조방안을 설계하여야 한다. 또한 다양한 주조방안에 따라서 주조성형에 의하여 발생되는 제품결함의 정도나 위치가 달라진다[3]. 최근에는 CAE 기술의 발전으로 주조금형을 제작할 때에 발생하는 기존의 시행착오 과정을 많이 생략할 수 있게 되었다. 결과적으로 생산비 및 생산기간의 단축과 고품질의 주조부품생산을 가능하게 되었다[4, 5]. 

본 연구에서는 사용되는 오일팬은 <Figure 1>과 같이 크랭크케이스의 하부에 부착되고, 오일펌프에 의하여 펌핑된 오일이 윤활작용을 마치고 다시 모이는 자동차 부품이다. 오일의 온도에 의하여 가열됨으로 일반적으로 ADC12종 알루미늄이 적용되고 있다. 주조제품의 내부기포를 최소화시키고 품질의 안정성을 확보하기 위하여 AnyCasting을 이용한 2가지 주조방안을 검토하였다. 충전 및 응고과정 등의 결과를 분석하여 결함 및 결함제어 방안을 강구하고, 실제 다이캐스팅 금형에 적용하여 생산된 제품과 응고 시뮬레이션 해석 결과를 비교 검토하여 최적의 주조방안을 도출하고자 한다.

<Figure 1> Image of Oil Pan

2. 해석방법

2.1 전산해석 과정

(주)애니캐스팅에서 개발한 주조전용 소프트웨어(Anycasting)은 FDM(Finite Difference Method) 방식의 사각격자의 단점을 보완하기 위하여 PM(Porous Media) 방법과 Cut-Cell 방법을 혼합한 Hybrid 방법의 수치해석기법을 이용하여 용탕의 충진 및 응고해석과정을 수행한다. 일반적으로 유동해석 시뮬레이션의 전반적인 해석과정은 <Figure 2>에서와 같이 크게 전처리과정, 격자생성, 시뮬레이션, 후처리과정으로 구분된다. 3D CAD 상용 소프트웨어에서 생성된 형상 모델을 다른 수치해석 프로그램과 마찬가지로 Anycasting는 STL 형식으로 변환하여 전처리과정에 사용한다[6]. 

<Figure 2> Flow-Chart of the Die Casting Simulation

본 연구에서 적용된 자동차용 부품(오일팬_DX2E)은 3D CAD 소프트웨어(Unigraphics NX6)를 이용하여 3D 솔리드 모델링을 한 후에 <Figure 2>에서와 같이 3D CAD 소프트웨어(Magics RP)를 이용하여 STL 파일로 변환하였다. 전처리과정에서 변환된 STL 파일을 이용하여 주물, 오버플로우, 탕구, 탕도, 게이트, 주형 등의 재료그룹을 형성한다. 격자생성과정에서 비등간격 요소분할에 의하여 격자생성이 되었고, 해석에 이용된 전체 격자수는 10,600,000개이다. <Figure 3>은 유동 및 응고해석에 사용할 각각의 주조방안 형상을 보여주고 있다.

<Figure 3> Casting Design of Oil Pan

2.2 해석조건

주조해석에 적용된 주물재질은 ADC12이며 또한 주조해석에 적용된 해석조건은 <Table 1>에 표시한 바와 같다. 금형재질은 SKD61종이며, 용탕의 초기온도는 6300c, 금형초기 예열온도는 1800c, 주조 중 금형온도는 2800c로 설정하였다. 다이캐스팅머신은 형체력 1200ton인 cold chamber type으로 플런저의 지름은 120mm이고, 저속사출속도는 0.4m/s, 고속사출속도는 1.6m/s으로 사출구간을 2단 사출조건으로 설정하였다. 

<Table 1> Condition and Physical Property for Casting Simulation

2.3 해석내용

본 해석에 적용된 주조방안은 <Figure 3>에서와 같이 2가지 방안으로 설정하였다. 방안 1은 5개의 인게이트와 7개의 오버플로우를 설치하였고, 방안 2는 6개의 인게이트와 13개의 오버플로우를 설치하였다. 특히, 제품의 중심부에 발생할 수 있는 기포고립을 방지하기 위하여 중앙구멍에 오버플로우를 설치한 것이 방안 2에 나타나있다. 

탕도계(Gate System)는 탕도, 탕구, 및 게이트 등으로 구성된다. 탕도계 설계는 용탕을 공동부에 원활히 충진시켜 완전한 제품을 얻을 수 있는 주조방안설계이다. 또한 주조상에 발생하는 제반적인 문제 및 주조제품의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 요소중의 하나이다. 따라서 탕도계 설계가 부적절하여 불량률이 높은 경우에는 대폭적인 금형수정이나 경우에 따라서는 금형을 재제작하는 큰 문제가 야기될 수 있다. 

2.3.1 유동해석

용탕의 유동속도는 충진 과정에서 제품의 품질 및 금형의 수명에 영향을 끼치는 매우 중요한 인자이다. 충진속도가 느린 경우, 높은 열손실로 인하여 탕회, 탕경 등의 불량을 유발하며, 반면 충진속도가 너무 빠른 경우에는 탕구, 탕도, 및 금형의 공동부에 마모를 촉진시켜서 금형수명을 단축한다[7, 8]. 

일반적으로 제품의 내부기포가 제품의 품질을 결정하는 경우에는 충진속도를 느리게 한다. 즉, 용탕이 금형내부에 충진되는 동안 공기가 오버플로우를 통하여 외부로 배출될 수 있는 시간을 공급하기 위한 것이다. 반면, 제품의 외관이 제품의 품질을 결정하는 경우에는 충진속도를 빠르게 하여 제품의 외관 고급화를 유도한다. 

고압 다이캐스팅에서 충진조건은 매우 중요한 요소로서, 주조 품질에 가장 큰 영향을 미치는 인자이다. 고압 다이캐스팅에서 인케이트까지는 저속으로 주입되고 이후 절변하여 고속으로 주입된다[9].

유동해석에 도출된 최적의 주조조건을 시사출에 적용하였다. 해석결과와 비교하기 위하여 주조한 제품을 절단하여 육안검사 및 내부기포검사를 단면부위에 적용하였다. 

2.3.2 응고해석

충진완료를 기준으로 응고진행율과 응고진행시간을 병행하여 응고해석 결과를 나타낸다. 제품의 후육부위는 응고수축결함이 발생할 가능성이 가장 높은 곳으로, 제품의 후육부위를 기준으로 냉각온도 및 응고 진행율을 나타내었다. 응고해석을 통하여 수축결함을 예측하고, 예측결함이 실제주조에서 어떠한 영향을 나타내는지 알아보기 위하여 주조한 제품을 부위별로 절단하여 단면부위에 대하여 육안 검사 및 내부기포 검사를 진행하였다. 

3. 해석 결과

3.1 유동해석 결과

<Figure 4>는 각각의 주조방안에 대한 유동해석 결과로 용탕의 충진거동을 나타내었다. 앞 절의 해석조건에서 언급하였듯이, 유사한 제품의 최적 양산조건 및 제품의 특성을 고려하여 경험적으로 2단 사출속도를 설정하였다. 제품의 내부기포를 최소화하기 위하여 저속(0.25m/s)에서 고속(3m/s)으로 속도를 전환하는 시점은 <Figure 4>에 나타난 바와 같이 탕도 및 인게이트의 충진이 완료된 후 약 25% 이상정도 진행이 완료된 시점에 설정하였다. 

<Figure 4> Simulation Result of Both Filling Process

충진과정은 <Figure 4>에서 나타난 바와 같이 용탕의 과냉이 발생하지 않고 충진이 원활히 되는 것을 볼 수 있다. 방안 2의 경우에는 방안 1에 비하여 용탕의 흐름이 균일하게 흐르는 것을 관찰할 수 있다. 충진 시 발생할 수 있는 고립기포 위치가 방안 2에서 적게 나타나는 것을 볼 수 있다. 방안1에 비하여 상대적으로 빠르게 충진이 되는 것을 볼 수 있다. 또한 두 방안에 대하여 충진시 온도분포는 <Figure 4>에서 나타난 바와 같이 비슷한 결과를 나타낸다. 

<Figure 5>는 각각의 주조방안에 대한 게이트별 충진양상을 나타낸다. 해석결과에서 볼 수 있듯이 6개의 게이트를 가진 방안 2가 고른 분포를 나타내는 것으로 판단된다. 

<Figure 5> Simulation Result of the Flow Tracking on Each Gate

<Figure 6>(A)에 나타난 바와 같이, 용탕의 흐름이 케이트를 통과한 후에 역류현상이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 용탕이 런너부위를 통과 시 흐름이 원활하지 않고 난류가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 현상을 보완하기 위하여 <Figure 6>(B)의 다른 제품방안에서 나타난 바와 같이 역류방지를 위하여 런너중앙 부위에 불락을 설치하고 또한 흐름을 원활히 하기 위하여 런너의 가장자리를 완만한 곡선으로 처리하여 새로운 방안을 설계하였다. 

<Figure 6> (A) Simulation Result of the Filling Process for Case 1; (B) Example for Adding Central Pivot

3.2 응고해석 결과

<Figure 7>에서 나타난 바와 같이, 응고해석은 충진이 완료된 이후에 진행이 되므로 주조방안이나 주조조건 등이 응고에 미치는 영향은 미미하여 해석결과에 잘 나타나지 않는다. 방안 2가 해석결과에서 볼 수 있듯이 고른 온도분포를 나타내고, 응고에 의하여 발생하는 수축결함이 적을 것으로 판단된다. 

<Figure 7> Simulation Result of the Solidification on Each Case

4. 개선방안 도출

<Figure 8>은 유동해석 결과를 반영한 최종 주조방안을 나타낸다. 게이트부위의 역류방지를 위하여 런너중앙부위에 불락을 설치하고 유동의 흐름을 원활히 하기 위하여 런너의 가장자리를 완만한 곡선으로 처리를 하였다. 또한 런너에서 발생할 수 있는 가스를 충분히 흡수하기 위하여 런너의 양 끝단에 꼬리를 충분하게 설치하였다. 

<Figure 8> Final casting design of Oil Pan

최종 주조방안에 대한 유동해석 결과는 <Figure 9>에 나타난 바와 같이, 방안 2보다 유동의 흐름이 균일하게 흐르는 것으로 판단된다. 또한 앞 절에서 지적된 유동흐름에 관련된 문제점이 많이 개선된 것으로 판단되었다. 

<Figure 9> Simulation Result of the Filling Process for the Final Casting Design

5. 실험결과 및 비교

앞에서 언급한 바와 같이 최종의 주조방안을 바탕으로 금형을 설계하고 제작을 하였다. 제품을 주조한 후에 부위별로 절단하여 육안검사를 하고 내부기포를 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 

5.1 금형모델링 및 제작

유동해석 결과를 감안하여 금형설계를 <Figure 10>에서 확인할 수 있듯이 설계하였다. 제품의 구조가 복잡하여 <Figure 10>(B)의 금형모델링에서 나타난 바와 같이, 금형 상하측 외에 추가로 2개의 기계슬라이드와 3개의 유압슬라이드를 설치하였다. 제품의 사이즈 및 금형비용을 최소화하기 위하여 다이캐스팅 기계는 1200ton cold type에 적용이 가능하도록 몰드베이스를 제작하였다. 

<Figure 10> Tool modeling of Oil Pan_DX2E

<Figure 11>(A)와 <Figure 11>(B)는 제작된 다이캐스팅 금형을 보여준다. 금형사이즈는 가로 1100mm 세로 1000mm 두께 900mm이고, 금형코어 재질은 SKD61종에 열처리를 하여 제작하였다. 금형코어 및 슬라이드의 경도는 46HRc로 설정되었다. <Figure 10>의 금형모델링에서 언급한 바와 같이 제품 추출을 원활히 하기 위하여 기계식 및 유압식 슬라이드를 금형에 설치하였다. 

<Figure 11> Die-casting Tool of Oil Pan_DX2E

5.2 결과비교 및 고찰

초기에 금형을 예열하고, 주조조건 및 용탕의 충진거동과 해석결과를 비교하기 위하여 <Figure 12>에서와 같이 사탕(Short-shot) 작업을 하였다. <Figure 12>에서 나타난 주조제품의 70, 80, 90% 충진거동은 <Figure 9>의 유동해석결과와 전체적으로 용탕흐름은 비슷하나, 미세한 차이를 나타내는 것으로 판단된다. 

<Figure 12> Short-Shot Study of the Casting Sample

<Figure 13>은 최종주조방안을 방탕으로 주조조건(저속 0.7m/s, 고속 3.5m/s, 저속구간265mm)으로 조정하여 생산한 최적의 주조제품과 기본 조립면을 가공한 제품을 나타낸 것이다. 전체적인 용탕의 흐름 및 외관표면상태는 만족할 수준에 도달하였다. 

<Figure 13> Casted Oil Pan

<Figure 14>의 가공면 상태에서 나타난 바와 같이 측벽의 가공면에서 미세기포(0.8mm 이하)가 관찰되었다. 그리고, 다른 가공 홀에서는 기포가 관찰되지 않았다. 측벽의 기포를 제거하기 위하여 <Figure 15>(A)에 나타난 바와 같이 측벽에 오버플로우를 추가 설치하였다. 오버플로우를 설치함으로써 <Figure 15>(B)에 나타난 바와 같이 측벽 가공면에서 기포가 제거되었다. 

<Figure 14> Machined Oil Pan After Casting

<Figure 15> (A) Adding Overflow on the Side Surface; (B) Machined Surface After the Tool Modification

5. 결 론

자동차 부품(오일팬_DX2E)을 유동해석 프로그램(Anycasting)을 이용하여 주조방안에 대한 해석 및 간이 다이캐스팅금형을 이용한 시험주조에서 다음과 같은 결과를 얻었다. 

1) 유동해석 결과에서 주조방안 2가 주조방안 1보다 용탕의 흐름이 고르게 분포하는 것을 볼 수 있었다. 주조방안의 해석결과를 분석하여 최종방안을 도출함으로써 시행착오를 대폭 줄이고 금형개발 기간을 약 2주정도 단축할 수 있었다. 

2) 유동해석 결과에서 용탕이 서로 만나는 부위에 적절히 오버플로우를 설치하여 시행착오를 줄이고 내부기포를 적절히 제거할 수 있었다. 

3) 저속구간에서 가능한 느린 속도로 용탕을 충진하여 내부기포가 외부로 배출될 수 있도록 한다. 본 실험에서 다음의 사출조건[저속사출(0.7m/s)과 저속구간(265mm)]이 가장 좋은 것으로 판단되었다. 

4) 실제 주조제품의 가공부위를 검토한 결과 해석결과와 약간의 차이가 있으나 간단한 금형수정으로 측벽 가공면의 내부기포를 대폭 줄일 수 있었다. 

5) 양산금형의 주조방안을 설계하기 위하여 최종 후육부에 추가적인 냉각시스템을 설치함으로써 냉각시간을 단축하고 수축에 의하여 발생하는 내부 기포를 완전히 제거할 수 있을 것으로 판단된다. 

Acknowledgement

The authors greatly appreciate SAMWOO DIECAST CO., LTD. for the experimental supports and implementations. And also thanks to JA mold & Technology CO. for the experimental supports.