1. 서 론

최근의 글로벌 시장경쟁에서 자동차 부품 기술은 연 비, 안정상, 편의성 및 내구성 향상과 배기가스 저감에 목표를 두고 발전하고 있으며 소비자의 다양한 요구사항 과 기술 융합이 요구되는 기술집약산업이다. 자동차부품 의 경량화기술은 자동차엔진의 해외 배기가스 규제를 충 족시키기 위한 연비향상측면과 미래형 자동차인 하이브 리드, 전기자동차의 연료전지 성능향상을 위한 핵심적인 기초기반기술로서 기술개발의 중요성이 매우 높다. 자동차 부품의 경량화 기술은 전통적으로 자동차 부품소재로 사 용되는 철계부품소제에 대하여 박육화와 알루미늄, 마그 네슘 등의 비철경량금속과 플라스틱 재질을 비롯한 고분 자재료분야 등의 부품소재 대체적용기술이 핵심기술분 야이다[4, 5, 7].

다이캐스팅 공법은 후가공을 최소화하며 단번에 복잡 한 형상의 부품을 제조할 수 있는 대량생산기술로써. 원 가적인측면에서 매우 유리함으로 자동차 부품을 중심으 로 여러 산업분야에 폭넓게 적용되는 중요한 제조기술이 다. 치수의 높은 안정성과 대량생산체계에 필요하고 경 쟁력 있는 저원가, 고품질, 최적의 납기를 요구하는 산업 분야인 전자부품과 자동차부품 등에서 이와 같은 최적의 공법이 각광받고 있는 추세이다. 그러나 다이캐스팅 주 조는 제품의 형상이 복잡화 및 부품의 정밀화, 주조 재질 의 다양화 및 용탕의 고온화, 금형표면에서의 고압화 등의 문제로 더욱 발전된 금형제작기술이 요구된다[4, 6, 10].

산업현장에서 이러한 문제를 해결하기 위하여 다이캐 스팅 영역으로까지 널리 쓰이고 있는 CAE 기술이 폭넓 게 적용되고 있다. 일반적으로 다이캐스팅 금형제작에서 주조방안을 설계할 경우 탕구계의 설계, 금형의 레이아 웃 및 냉각조건, 압출장치관계, 주조조건 등을 고려하여 설계한다. 주조방안의 설계는 주조성형과정에서 발생되 는 주조제품의 기포불량 정도나 위치에 다양한 영향을 초래한다[6, 10, 13]. 주조금형의 제작과정에서 발생하는 기존의 시행착오를 최근에는 CAE 기술의 발전으로 많이 생략할 수 있게 되었다. 이런 기술의 발전으로 생산기간 의 단축과 생산비 절감, 고품질의 주조부품에 대한 생산 이 가능하게 되었다[9, 12, 14].

<Figure 1>과 같이 엔진불럭의 하부에 오일팬이 부착 되고, 윤활작용을 하는 기름은 오일펌프에 의하여 펌핑이 되고 윤활작용을 끝내고 다시 모이는 자동차 부품이다. 본 연구에서는 사용되는 오일팬은 일반적으로 ADC12종 알루미늄이 적용되고, 오일팬의 기름은 엔진의 윤활작용 을 함으로 자동차 엔진에 의하여 가열된다. 품질의 안정 성을 확보하고 주조제품의 내부 기포를 최소화시키기 위 하여 주조전용 소프트웨어 애니캐스팅(AnyCasting)을 이 용하여 3가지 주조방안을 검토하였다. 주조제품의 충진 결함과 응고결함에 대한 방안을 강구하기 위하여 충전 및 응고과정의 해석결과를 분석하였다. 이런 결과를 바 탕으로 다이캐스팅 금형설계 및 제작과정에 적용할 수 있는 최적의 주조방안을 도출하고자 한다.

2. 해석방법

2.1 전산해석 과정

주조전용 프로그램 애니캐스팅(Anycasting)은 PM(Porous Media) 방법과 Cut-Cell 방법을 섞은 혼합(Hybrid) 방법의 수치해석기법으로써 FDM(Finite Difference Method) 방 식의 사각격자의 단점을 보완한 것이며 이를 이용하여 용탕의 유동 및 응고해석과정을 수행한다. <Figure 2>에 서와 같이 유동해석 시뮬레이션의 일반적인 해석과정은 전처리과정, 격자생성, 시뮬레이션, 후처리과정으로 구분 된다. 형상 모델을 3D CAD 상용 소프트웨어에서 생성 되고 애니캐스팅(Anycasting)은 다른 수치해석 프로그램 과 마찬가지로 형상모델을 STL 형식으로 변환하여 전처 리과정에 사용한다[3].

3D CAD 소프트웨어(Unigraphics NX10)를 이용하여 본 연구에서 적용된 자동차용 부품(오일팬_BR2E)의 주조방 안을 모델링하였다. <Figure 2>에서와 같이 CAD 소프트 웨어(Magics RP)를 이용하여 모델링파일을 STL 파일로 변환하였다. 전처리과정에서 변환된 STL 파일을 이용하 여 주형, 주물, 탕구, 오버플로우, 탕도, 게이트 등의 재료 그룹을 형성한다. 격자생성과정에서 격자생성은 비등간 격 요소분할을 적용하였고, 해석에 이용된 전체 격자수는 36,970,000개이다. 유동 및 응고해석에 적용된 주조방안 은 <Figure 3>에서 같이 각각의 주조방안에 대한 형상을 보여주고 있다.

2.2 해석조건

주물재질(ADC12)은 주조해석에 적용되었고 또한 <Table 1>은 주조해석에 적용된 해석조건을 나타내고 있다. 금형 재질(SKD61)이며, 용탕의 초기온도(630℃), 금형초기 예열 온도(180℃), 주조공정에서 금형온도(280℃)로 설정하였다. 다이캐스팅머신은 콜드챔버타입(cold chamber type)으로 형체력(1200ton), 플런저의 지름(120mm), 저속사출(0.9m/s), 고속사출속도(3.5m/s)로 사출구간을 2단 사출조건으로 설 정하였다. <Figure 3>의 3가지 주조방안에 위의 사출조건 은 공통으로 적용되었다.

2.3 해석내용

본 해석에 적용된 주조방안은 <Figure 3>에서와 같이 3가지 방안으로 설정하였다. 주조방안 1은 10개의 오버 플로우와 7개의 인게이트를 설치하였고, 주조방안 2는 5 개의 인게이트와 9개의 오버플로우 중에서 4개가 추가되 었다. 우측 측면에 3개의 추가와 좌측 측면 중앙에 1개 를 추가 설치하여 수정하였다. 주조방안 3은 4개의 인게 이트와 오버플로우를 추가하여 12개를 이용하였다. 추가 된 2개의 오버플로우는 제품의 측면 가장자리 중앙에 배 치된 것을 기준으로 양쪽에 60mm 간격으로 배치하였다.

탕도계(Gate System) 설계는 탕구, 탕도, 및 게이트 등 으로 구성되며, 용탕을 공동부에 원활히 충진시키고 완 전한 제품을 얻을 수 있는 주조방안설계이다. 또한 탕도 계 설계는 주조공정에서 발생하는 전반적인 문제에 영향 을 미치고, 주조 제품의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중의 하나이다. 주조품의 불량률이 높은 경우에는 탕도계 설계가 부적절하여 대폭적인 금형수정이 발생하 거나 최악의 경우에는 새로운 금형을 제작하는 큰 문제 가 발생할 수 있다.

2.3.1 유동해석

용탕의 유동속도는 충진 과정에서 매우 중요한 인자 로써 제품의 품질 및 금형의 수명에 많은 영향을 끼치다. 충진속도를 느리게 할 경우, 높은 열손실로 인하여 불량 (탕회, 탕경 등)을 유발하며, 반면 충진속도를 너무 빠르 게 할 경우에는 탕도, 탕구, 및 금형의 공동부에 마모를 촉진시켜서 금형수명을 단축한다[2, 8].

일반적으로 주조제품의 외관이 제품의 품질을 결정하 는 경우에는 충진속도를 빠르게 하여 제품의 외관 고급 화를 유도한다. 반면에 제품의 강도가 주요한 경우에는 주조제품의 내부기포가 제품의 품질을 결정한다. 이 경 우에는 충진속도를 느리게 하여 금형내부에 용탕이 충진 되는 동안 오버플로우를 통하여 내부 공기가 외부로 배 출될 수 있는 시간을 공급하는 것이다[11].

주조 품질에 가장 큰 영향을 미치는 충진조건은 고압 다이캐스팅에서 매우 중요한 주조조건 요소이다. 일반적 으로 고압 다이캐스팅에서 2단 사출 방식을 사용하며 저 속으로 인케이트까지 용탕을 주입하고 이후 주입 속도를 변경하여 고속으로 주입된다[1].

2.3.2 응고해석

응고해석은 용탕충진완료를 기준으로 응고진행율과 응 고진행시간을 병행하여 해석결과를 나타낸다. 제품의 후 육부위는 응고수축결함이 발생할 가능성이 가장 높은 곳 이며, 후육부위를 기준으로 응고 진행률 및 냉각온도를 나타내었다. 수축결함 부위를 응고해석을 통하여 예측하 고, 수축결함이 예측되는 부위에는 금형설계과정에서 냉 각구조를 치밀하게 설계하도록 가이드라인을 제시한다.

3. 해석결과

3.1 유동해석결과

3.1.1 주조방안 1의 유동해석 및 개선방안

<Figure 4>는 각각의 주조방안에 대한 용탕의 충진거 동을 유동해석 결과로 나타내었다. 해석조건은 앞 절에서 언급하였듯이, 제품의 최적 양산조건 및 제품의 특성은 유사한 제품의 양산조건을 고려하여 경험적으로 2단 사출 속도를 설정하였다. 사출속도를 저속(0.90m/s)에서 고속 (3.50m/s)으로 전환하는 시점은 제품의 내부기포를 최소 화하기 위하여 탕도 및 인게이트의 충진과 금형공동부에 약 5%의 진행이 완료된 시점으로 설정하였다.

충진과정은 용탕의 과냉이 발생하지 않고 <Figure 4> 에서 나타난 바와 같이 충진이 원활히 되는 것을 볼 수 있다. 주조방안 3의 경우에 다른 주조방안에 비하여 균 일하게 용탕의 흐름이 흐르는 것을 관찰할 수 있다. 주조 방안 3의 경우에 다른 주조방안에 비하여 충진 시 발생 할 수 있는 고립기포의 위치가 적게 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한 상대적으로 다른 방안에 비하여 충진이 균 등하게 되는 것을 볼 수 있다.

<Figure 5>는 주조방안 1의 60% 및 85% 충진거동의 결과를 나타낸다. <Figure 5(A)>에 나타난 바와 같이, 양 쪽 가장자리의 용탕흐름이 내부의 용탕흐름과 균일하지 않으며 내부의 기표고립을 발생시킬 수 있다. <Figure 5(B)>의 85% 충진거동에서 나타난 바와 같이, 용탕흐름 의 불균형으로 인하여 내부의 기포고립부위가 주조방안 1 의 85% 충진거동에서 예상된다. 따라서 주조방안 1은 적 절하지 않은 것으로 판단된다.

<Figure 6>은 주조방안 1의 결과를 바탕으로 개선방안을 도출하였다. <Figure 6(A)>는 불필요한 오버플로우 및 라 인을 제거하고 탕도의 코너부위 수정을 나타낸다. <Figure 6(B)>는 용탕의 흐름균형을 향상하기 위하여 불필요한 인 게이트를 제거하고 인게이트를 다음과 같이 수정하였다. 1) G1과 G7은 제거함, 2) G2의 폭을 37mm에서 54mm로 확대함, 3) G5의 위치는 우측으로 20mm 이동, 4) G6의 폭 을 47mm에서 14mm로 축소하여 <Figure 3(B)>의 주조방 안 2가 설계되었다.

3.1.2 주조방안 2의 유동해석 및 개선방안

<Figure 7>은 주조방안 2의 충진거동에 대한 결과를 나타 내며, <Figure 7(A)>의 60% 충진거동에서 용탕흐름의 불균형 이 가장자리에서 여전히 나타나고 있다. 또한 <Figure 7(B)> 의 85% 충진거동에서 용탕흐름의 불균형으로 인하여 충진 기포의 고립부위가 주조방안1과 비슷한 부위에서 예상된 다. 따라서 주조방안 2는 적절하지 않은 것으로 판단된다.

주조방안 2에 대한 게이트별 충진양상은 <Figure 8>에 나타낸다. 게이트별 충진흐름에 대한 해석결과에서 나타난 바와 같이, 게이트(G5)는 용탕의 흐름균형을 방해하고 충진양이 소량임으로 제거하는 것이 옳다고 판단된다. 또한 적절한 내부기포 제거를 위하여 오버플로우를 측면 에 추가로 설치한다.

주조방안 2는 <Figure 7>과 <Figure 8>의 결과에 준하 여 역시 적절하지 않은 것으로 판단된다. <Figure 3>의 주조방안 3은 위의 결과를 바탕으로 설계되었다.

용탕흐름은 <Figure 4(C)>에 나타난 바와 같이, 다른 주조방안과 비교하여 상대적으로 균일하게 주조방안 3 에서 흐름이 좋은 것으로 볼 수 있다. 또한 기포고립부위 는 주조방안 3의 용탕흐름이 균일하게 유동함으로써 내 부기포고립 부위가 적게 나타나는 것으로 볼 수 있다.

3.2 응고해석 결과

응고수축결함은 응고해석을 통하여 발생할 가능성이 가장 높은 곳을 예측하고, 후육부위를 기준으로 응고 진 행률 및 냉각온도를 예측한다. 응고해석은 <Figure 9>에 서 나타난 바와 같이, 충진이 완료된 이후에 진행이 되므 로 주조방안이나 주조조건 등이 응고에 미치는 영향은 잘 나타나지 않는다. 주조방안 3의 응고수축결함 예상부 위는 35% 해석결과에서 잘 나타나고 있다.

응고수축결함 부위는 <Figure 10>의 여러 단면에서 상 세하게 나타난다. 애니캐스팅의 모듈러방법에 의하여 응 고수축결함 부위의 여러 단면이 관찰된다. 응고수축결함 을 방지하기 위해서는 응고과정에서 주조제품은 균등하 게 냉각이 되도록 하여야 한다. 따라서, 응고수축결함 부 위에 대하여 금형설계 및 제작과정에서 치밀하고 세밀한 냉각설계를 시행하여야 한다.

4. 개선방안 도출

주조방안 3이 다른 주조방안에 비하여 유동해석과 응 고해석의 결과에서 가장 좋은 결과를 나타낸다. 그럼에 도 불구하고 약간의 개선사항이 주조방안 3에서 관측되 었다. 주조방안 3의 40% 충진거동에서 고정 측면의 유동 해석 결과를 <Figure 11(A)>에서와 같이 나타난다. 충진 기포 고립부위가 <Figure 11(A)>에서 나타난 바와 같이, 제품의 중앙부위 및 가장자리 끝에 약하게 나타나는 것 으로 관측된다. 주조방안3의 유동흐름을 개선하기 위하 여 게이트(G3)의 크기를 게이트(G2)의 크기와 비슷하도 록 수정하여 <Figure 11(B)>의 최종주조방안에 반영하 였다.

최종주조방안의 유동해석 결과는 <Figure 12>에 나타 난 바와 같이, <Figure 12(A)>는 작동면에 대한 유동흐름 을 <Figure 12(B)>는 고정면에 대한 유동흐름을 나타낸 다. 유동의 흐름이 주조방안 3보다 균일하게 흐르는 것으 로 판단된다. 또한 충진기포 고립부위가 <Figure 11(A)> 에서 관측된 비와 같이 관련된 문제점이 많이 개선된 것 으로 판단된다.

5. 결 론

유동해석 프로그램 애니캐스팅(Anycasting)을 이용한 자 동차 부품(오일팬_BJ3E)에 대한 유동 및 응고해석은 다음 과 같은 결과를 얻었다.