初低速 다이캐스팅을 應用한 自動車用 밸브바디 成形 解析에 關한 硏究

Abstract

자동차산업의 성장과 함께 다이캐스팅의 생산기술도 급격히 진보되었으며 또한 새로운 사출방식의 주조기 개발과 주변기기의 자동화, 에너지절약을 위한 용해설비와 용해기술의 향상, 계측기술의 진보 등에 현저한 발전을 보였다. 주조법이라 해도, 종래의 보통주조법을 그대로 적용하는 것이 아니라, 새로운 주조법이 적용되기 시작하고 있다. 산업기술의 발달로 단가가 낮은 고품질의 주조 제품에 대한 요구가 크게 증가하고 있으며 이에 따라 주조제품 생산업계에서는 품질향상과 생산비의 절감이 중요한 문제로 대두되고 있다. 이들 신주조법은 종래의 주조법의 결점을 보완하여 주조품의 기계적 성질 등을 단조품에 근접시켰기 때문에, 자동차 메이커로부터 주목을 받고 있다. 그러나 주조 공정에서 용융금속이 주입구를 통하여 주형 공간에 주입되어 응고되는 과정은 열적, 물리적으로 매우 복잡한 현상으로서 그 과정을 정확히 규명하고 제어하는 일은 매우 어려운 문제이다. 초저속 다이캐스팅 주조에서 유동흐름에 따른 주조결함이 많이 발생되어 이것을 해결하기 위해서는 여러 분야에서 제어하여야 한다. 주조 결함은 가스의 혼입, 기공 및 와류발생 등으로 인한 부품의 품질에 문제가생되며, 이것은 용탕내의 원인에 의해서 발생된다. 주조결함을 제어하기 위해서는 수년간의 경험을 갖춘 전문가나 유동흐름, 응고온도 분석 등의 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 분석 될 수 있다. 그러나 사람에 의한 경험 방법은 체계화 되지 못하고 사람마다 각자 기준이 달라 주조결함을 체계 있게 분석하기는 어렵다. 주조합금의 재질의 원인보다는 주조시 낮은 용탕 온도, 고압 다이캐스팅 및 스퀴즈 다이캐스팅의 기초적인 부분에서 원인임을 알 수 있어 주조시 용탕온도 제어, 주조제품의 주입속도, 응고 온도 제어 등에서 건전한 제품을 얻을 수 있다. 따라서 이 논문에서는 초저속방법을 이용하여 차량의 구동 회전비를 유압으로 제어하는 핵심부품인 자동차 자동변속기 밸브 바디 중간플레이트 부품대한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 유동, 응고 과정에서 발생할 수 있는 결함의 원인을 분석하고, 방향을 제시하고자 하였다. 그 결과 국내외적으로 자동차업계가 직면하고 있는 자동차의 경량화, 고품질화 및 경쟁적으로 양산화를 요구하고 있는 추세에 있어 신공정 주조방법을 이용한 밸브바디 중간 플레이트 부품 개발을 수행하여, 시험모델을 대상으로 주조과정에서 영향을 줄 수 있는 인자들에 대하여 조사를 하였으며, 그 결과 주조 속도 및 압력이 다이캐스팅 조건에서 매우 중요하고 가스에 의한 기공, 용탕 유동 및 응고에 영향을 주는 것을 알수있었다. 또한, 최적의 다이캐스팅 조건을 선정하여 실제 제품 형상의 주조에 적용하였으며, 충진이 완료되어 응고까지의 시간이 4초 걸렸다. 응고 개시온도는 660℃～650℃에서 시작 되었으나 최대 압력 종료시에도 부품 중심부에 640℃～650℃의 온도가 존재 하였다. 이것으로 볼 때 금형의 열적 안정은 가상 열전대를 이용한 해석결과로부터 7사이클 이후에 안정상태로 되는 것으로 보아 금형의 예열이 필요하며, 본제품의 예열온도는 250℃로 하는 것이 최적임을 알 수 있었다. 용탕의 온도가 680℃에서 최적의 유동 흐름을 보였으며, 650℃ 정도에서 응고되기 시작하여 580℃～550℃ 사이에서 급속도로 냉각되기 시작 하였다. 이것을 토대로 컴퓨터 시뮬레이션 해석에 따른 최적의 주조 조건에 따라 제작된 밸브바디 부품의 경도 시험 결과 1차, 2차 시사출에서 HRC40～HRC50 정도였으나, HRC60 이상으로 측정 되었으며, 조직상태가 현저히 향상되었음을 조직사진 관찰 결과 알 수 있었다. 결과적으로 고품질의 주조제품을 생산하기 위해서는 결함이 발생하는 원인에 대한 깊은 이해가 필요하며, 이를 위해서는 주조공정에서 발생하는 물리적 현상에 대해 이론적 해석이 필요하다. 결함의 발생원인에 대한 이해를 통해 주조공정에서 발생하는 결함을 예측하고 주형설계를 변경하거나 기타 공정 변수를 제어하여 고품질의 제품을 생산할 수 있을 것으로 생각되며, 자동차 부품의 고품질화 및 정밀한 전자제품, 가전제품을 생산하는데 그 이용이 기대된다.|In the super slow speed die casting process, the casting defects due to melt flow should be controlled in order to obtain the sound casting products. The casting defects caused by molten metal were cold shut formation, entrapment of air, gas, and inclusion. But the control of casting defects has been based on the experience of the foundry engineers. In this thesis, the computer simulations were analyzed the flow of molten metal. The quantitative analyses which proposed the effective mold design was executed. Flow patterns of 0.15-0.16m/s molten metal in 15mm thin plate casting were investigated in order to optimize diecasting process. As ingate velocity is in thin plate casting, cold shot was decreased. The calculation of simulations can produce very useful and important results. The die casting process conditions from the computer simulation using the Z-CAST is made to insure that the liquid metal is injected at the right velocity range, and that the filling time is small enough to prevent premature solidification. The parameters of runner shape affected on the optimized conditions that was calculated with simple equation were investigated. These die casting process control techniques of automobile valve body mid-plate have achieved good agreement with the experimental data of tensile strength, hardness test, and material structure photographies satisfactory results.