소형 내연 기관 피스톤용 영구 금형의 설계 및 분석

본 논문 요약은 ['Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering']에서 발행한 ['소형 내연 기관 피스톤용 영구 금형의 설계 및 분석'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: 소형 내연 기관 피스톤용 영구 금형의 설계 및 분석 (Design and Analysis of Permanent Mould for Small Internal Combustion Engine Piston)
  • 저자: Olurotimi Akintunde Dahunsia, Olatunji Oladimeji Ojob*, Ikeoluwa Ogedengbea, Omeiza Bayode Maliki
  • 발행 연도: 2020년
  • 발행 저널/학술 단체: Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering
  • 키워드: 영구 금형 (Permanent Mould), 금형 설계 (Mould Design), 피스톤 (Piston), 주조 (Casting), 기계적 성질 (Mechanical properties), 알루미늄 합금 (Aluminum alloy)
Figure 1. Standard dimensions (mm) of a 950 W electric power generator piston
Figure 1. Standard dimensions (mm) of a 950 W electric power generator piston

2. 초록 또는 서론

본 논문의 초록은 전력 공급이 불안정한 지역에서 발전기의 짧은 수명으로 인한 피스톤 폐기물 문제를 다룹니다. 본 연구는 재활용된 피스톤 폐기물로부터 950 와트 발전기 피스톤을 주조하기 위한 영구 금형의 설계, 열 분석 및 제작에 중점을 둡니다. 주조된 피스톤의 기계적 및 미세 조직적 특성을 평가하고 LM13 합금과 비교했습니다. 결과는 결함 없는 피스톤 생산을 나타냈으며, LM13과 비교했을 때 조성 변화는 약간 있었지만, 유사한 특성을 유지했습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

연구 배경은 열악한 전기 기반 시설을 가진 지역에서 휴대용 발전기 사용이 증가함에 따라 발전기가 권장 수명을 초과하여 피스톤 연소를 유발하는 현상을 강조합니다. 이는 잦은 피스톤 교체와 피스톤 폐기물 증가로 이어집니다. 본 논문은 이러한 폐기 피스톤을 재활용하여 지속 가능한 피스톤 시장을 창출할 기회를 확인합니다. 피스톤은 내연 기관의 중요한 부품이며, 우수한 강도와 내열성이 요구됩니다. Al-Si 합금은 열전도율, 높은 강도 대 중량비, 주조성과 같은 바람직한 특성으로 인해 피스톤 재료로 널리 사용됩니다.

기존 연구 현황:

기존 연구는 다양한 주조 기술 및 재료 개선을 통해 피스톤 성능과 재료 특성을 향상시키는 데 초점을 맞추고 있습니다. 본 논문에서는 다음과 같은 연구를 언급합니다:

  • Al-Si-Cu-Ni-Mg 합금의 고압 다이캐스팅과 영구 금형 주조 비교 [13].
  • Ni 및 나노-Al2O3 입자로 강화된 Al-Si 피스톤 합금의 스퀴즈 주조 [14].
  • Al-Si 피스톤 합금의 열차단 코팅 [7].
  • 과공정 Al-15Si-4Cu 합금의 결정립 미세화제 및 개질제 [6].
  • 자동차 피스톤 재료의 파괴 분석 [15].
  • Al-Si 피스톤과 알루미늄 피스톤의 비교 [16].
  • 스크랩으로부터 Al-Si 피스톤 재활용 [17] [18].

이러한 연구들은 다양한 주조 방법과 재료 강화를 통해 Al-Si 합금 피스톤의 기계적 특성과 성능을 향상시키기 위한 지속적인 노력을 보여줍니다. 그러나 본 논문은 사형 주조와 같은 주조 공정에서 결함이 있는 피스톤과 바람직하지 않은 결과가 종종 발생한다고 지적하며, 보다 신뢰성 있는 방법의 필요성을 강조합니다.

연구의 필요성:

본 연구는 매 주조 시마다 금형 준비가 필요 없는 자가 지지 주조 공정, 특히 영구 금형 주조를 조사하여 재활용 재료로부터 피스톤의 재현성을 확보하는 데 필요합니다. 이는 피스톤 폐기물에 대한 환경적 우려를 해결하고, 특히 발전기 사용량이 많고 피스톤 폐기물 축적이 심각한 지역에서 지속 가능한 피스톤 생산 제조 접근 방식을 확립하는 것을 목표로 합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

주요 연구 목적은 재활용 Al-Si 합금을 사용하여 950 와트 발전기 피스톤을 주조하기 위한 영구 금형을 설계, 분석 및 제작하는 것입니다. 본 연구는 설계된 금형이 결함 없는 피스톤을 생산하는 데 효과적인지 평가하고, 주조된 피스톤의 기계적 및 미세 조직적 특성을 평가하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

핵심 연구는 다음 사항에 중점을 둡니다:

  • 950 와트 발전기 피스톤용 비파괴 코어가 있는 영구 금형의 개념 설계.
  • 열 전달 특성을 이해하기 위한 설계된 금형의 열 분석.
  • 설계된 영구 금형의 제작.
  • 제작된 금형과 재활용 Al-Si 합금을 사용한 피스톤 주조.
  • 주조된 피스톤의 기계적 및 미세 조직적 특성 평가.
  • 주조된 피스톤의 특성과 LM13 합금의 특성 비교.

연구 가설:

본 논문에서는 연구 가설을 명시적으로 언급하지 않습니다. 그러나 암묵적으로 본 연구는 적절하게 설계된 영구 금형이 재활용 Al-Si 합금으로부터 결함 없는 피스톤을 효과적으로 주조할 수 있으며, 표준 피스톤 합금인 LM13과 유사한 기계적 및 미세 조직적 특성을 달성할 수 있다는 가설 하에 진행됩니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 설계 및 실험 방법론을 채택합니다. 영구 금형의 개념 설계를 포함하며, 열 시뮬레이션 및 금형 제작과 주조 실험을 통한 실험적 검증이 이어집니다.

자료 수집 방법:

자료는 다음 방법을 통해 수집되었습니다:

  • 열 시뮬레이션: COMSOL Multiphysics 소프트웨어를 사용하여 금형 및 코어 내부의 온도 분포 데이터를 얻었습니다.
  • 기계적 시험: 주조된 피스톤의 인장 강도 및 경도를 측정했습니다.
  • 미세 조직 분석: 광학 현미경을 사용하여 주조된 피스톤의 미세 조직을 검사했습니다.
  • 화학 조성 분석: 주조된 피스톤의 화학 조성을 결정하고 LM13 합금과 비교했습니다.

분석 방법:

  • 열 시뮬레이션 분석: 온도 분포 플롯을 분석하여 주조 과정 중 금형 및 코어의 열 전달 특성을 평가했습니다.
  • 기계적 특성 비교: 주조된 피스톤의 인장 강도 및 경도 값을 LM13 합금의 특성과 비교했습니다.
  • 미세 조직 평가: 미세 조직 사진을 분석하여 수지상 조직 및 결정립 구조와 같은 미세 조직적 특징을 식별하고 결함 존재 여부를 평가했습니다.
  • 조성 비교: 화학 조성 분석 결과를 LM13 합금의 표준 조성과 비교하여 편차를 확인했습니다.

연구 대상 및 범위:

연구 대상은 다음과 같습니다:

  • 소형 내연 기관 피스톤 주조용 영구 금형의 설계 및 분석.
  • 재활용 Al-Si 합금 스크랩을 사용한 950 와트 발전기 피스톤 주조.
  • 주조된 피스톤의 특성 평가.

연구 범위는 다음으로 제한됩니다:

  • 영구 금형의 개념 설계, 열 분석 및 제작.
  • 950 와트 발전기용 피스톤의 주조 및 특성 분석.
  • 재활용 Al-Si 합금 스크랩을 주조 재료로 사용.
  • 기계적 및 미세 조직적 특성 평가 및 LM13 합금과의 비교.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

  • 성공적인 금형 설계 및 제작: 950W 피스톤 주조용 영구 금형이 연강 (AISI 1065 탄소강)으로 성공적으로 설계 및 제작되었습니다.
  • 효과적인 열 발산: 열 시뮬레이션 결과 강철 금형이 주조 중 만족스러운 열 발산을 촉진하는 것으로 나타났습니다.
  • 결함 없는 주조물: 영구 금형을 사용하여 결함 없는 피스톤이 생산되었으며, 미세 조직에서 고유한 기지 결함은 관찰되지 않았습니다.
  • 미세 조직: 주조된 피스톤의 미세 조직은 영구 금형에 의해 촉진된 급속 응고를 나타내는 수지상 조직 구조와 미세 결정립 구조로 구성되었습니다 (그림 11).
  • 약간의 조성 변화: 주조된 합금의 화학 조성은 LM13 합금과 비교했을 때 약간의 변화를 보였습니다 (표 4).
  • 비교 가능한 기계적 특성: 주조된 피스톤의 평균 인장 강도 및 경도는 LM13보다 약간 낮았지만 (각각 15% 및 9%), 연신율은 크게 향상되었습니다 (표 5).

제시된 데이터 분석:

  • 열 분석: 그림 6, 7, 8은 주입 후 시간 경과에 따른 금형 및 코어의 온도 분포를 보여줍니다. 분석 결과 용융 금속에서 금형으로의 효과적인 열 전달이 나타났으며, 금형이 열 흡수체 역할을 합니다. 코어 또한 열 발산에 기여하며, 강철 금형 재료의 열전도율은 급속 냉각을 촉진합니다.
  • 미세 조직 분석: 그림 11은 주조된 피스톤의 미세 조직을 보여주며, 영구 금형에 의해 촉진된 급속 응고를 나타내는 수지상 조직 구조와 미세 결정립을 보여줍니다. 거시적 기공의 부재는 설계된 게이팅 시스템에 의한 효과적인 통기를 시사합니다.
  • 기계적 특성: 표 5는 주조된 피스톤의 기계적 특성을 LM13 합금과 비교합니다. 인장 강도와 경도는 약간 감소했지만, 향상된 연신율은 잠재적으로 미세 조직 개선으로 인한 연성 향상을 시사합니다.
  • 조성 분석: 표 4는 LM13과 비교한 주조된 피스톤의 화학 조성을 보여줍니다. 재활용 공정 및 스크랩 재료의 변동으로 인해 약간의 변동이 관찰됩니다.

그림 목록:

Figure 2. Mould half (split mould) (a) projection views; (b) isometric drawing
Figure 2. Mould half (split mould) (a) projection views; (b) isometric drawing
Figure 4. Cast piston permanent mould on (a) Movable half of mould; (b) discretized mould
Figure 4. Cast piston permanent mould on (a) Movable half of mould; (b) discretized mould
Figure 5. Geometry of the piston core (a) unmeshed core; (b) discretized/meshed core
Figure 5. Geometry of the piston core (a) unmeshed core; (b) discretized/meshed core
Figure 3. An assembled model of the permanent mould
Figure 3. An assembled model of the permanent mould
Figure 6. Surface temperature distribution in the movable mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time; (c) 42 s time and (d) 60 s time
Figure 6. Surface temperature distribution in the movable mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time; (c) 42 s time and (d) 60 s time
Figure 7. Thermal plot through the central section of the mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time, (c) 42 s time, and (d) 60s time
Figure 7. Thermal plot through the central section of the mould at different times (a) 0 s time; (b) 21 s time, (c) 42 s time, and (d) 60s time
Figure 8. Surface temperature distribution around the piston core at different times (a) 0 s time; (b) 2 s time and (c) 10.5 s time
Figure 8. Surface temperature distribution around the piston core at different times (a) 0 s time; (b) 2 s time and (c) 10.5 s time
Figure 9. Unmachined cast pistons
Figure 9. Unmachined cast pistons
Figure 11. Microstructure of the as-cast piston
Figure 11. Microstructure of the as-cast piston
  • 그림 1. 950W 전기 발전기 피스톤의 표준 치수 (mm)
  • 그림 2. 금형 반쪽 (분할 금형) (a) 투영도; (b) 등각 투영도
  • 그림 3. 조립된 영구 금형 모델
  • 그림 4. (a) 이동 가능한 금형 반쪽의 주조 피스톤 영구 금형; (b) 이산화된 금형
  • 그림 5. 피스톤 코어의 형상 (a) 메시되지 않은 코어; (b) 이산화/메시된 코어
  • 그림 6. 다양한 시간 (a) 0초; (b) 21초; (c) 42초; (d) 60초에서 이동 가능한 금형의 표면 온도 분포
  • 그림 7. 다양한 시간 (a) 0초; (b) 21초; (c) 42초; (d) 60초에서 금형 중앙 단면을 통과하는 열 플롯
  • 그림 8. 다양한 시간 (a) 0초; (b) 2초; (c) 10.5초에서 피스톤 코어 주변의 표면 온도 분포
  • 그림 9. 가공되지 않은 주조 피스톤
  • 그림 10. 가공된 주조 피스톤
  • 그림 11. 주조된 피스톤의 미세 조직

7. 결론:

주요 결과 요약:

본 연구는 재활용 Al-Si 합금 스크랩으로부터 950 와트 발전기 피스톤을 주조하기 위한 영구 금형의 설계, 제작 및 적용을 성공적으로 입증했습니다. 주요 결과는 열 발산에 대한 강철 금형의 효과, 개선된 수지상 미세 조직을 가진 결함 없는 피스톤 생산, 그리고 향상된 연성을 가진 LM13 합금과 비교 가능한 기계적 특성 달성을 포함합니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 피스톤과 같은 복잡한 형상에 대한 영구 금형 설계 및 분석을 위한 상세한 방법론을 제공함으로써 다이캐스팅 분야에 기여합니다. 열 시뮬레이션 및 실험적 검증은 영구 금형 주조 중 열 전달 현상에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 또한 본 연구는 재활용 알루미늄 합금을 사용하여 중요한 엔진 부품을 생산할 수 있는 잠재력을 강조하여 지속 가능한 제조 관행에 기여합니다.

실용적 의미:

본 연구의 실용적 의미는 피스톤 폐기물 관리 및 비용 효율적인 피스톤 생산의 필요성에 직면한 지역에 중요합니다. 개발된 영구 금형 기술은 Al-Si 피스톤 스크랩을 재활용하여 새로운 피스톤을 제조하는 실행 가능한 솔루션을 제공하여 폐기물을 줄이고 지속 가능한 공급망을 만듭니다. 이 접근 방식은 개발 도상국의 지역 제조 및 수리 산업에 특히 유익할 수 있습니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

본 연구에서는 금형 캐비티의 가공 유발 거칠기로 인해 주조된 피스톤의 표면 조도가 약간 거칠다는 점을 인정합니다. 주조된 피스톤의 열악한 사용 조건에 대한 적합성은 직접적으로 평가되지 않았습니다. 향후 연구 방향은 다음과 같습니다:

  • 주조된 피스톤의 표면 품질을 개선하기 위해 금형 캐비티 표면 조도 최적화.
  • 주조된 피스톤의 내구성과 신뢰성을 검증하기 위해 엔진 작동 조건에서 성능 테스트 수행.
  • 재활용 Al-Si 합금에 원소 첨가 (Mn, Ni, Zn, Ti)의 효과를 조사하여 기계적 특성을 더욱 개선하고 LM13의 조성과 더 가깝게 일치시킵니다.
  • 대량 생산을 위한 영구 금형 주조 공정의 확장성 탐색.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Olurotimi Akintunde Dahunsia, Olatunji Oladimeji Ojob*, Ikeoluwa Ogedengbea, Omeiza Bayode Maliki"의 논문: "소형 내연 기관 피스톤용 영구 금형의 설계 및 분석 (Design and Analysis of Permanent Mould for Small Internal Combustion Engine Piston)"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.35191/jjmie.2020.14.4.07

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Tags: Al-Si alloy; ,CAD; ,Casting Technique; ,Die casting; ,Heat Sink; ,High pressure die casting; ,Mechanical Property; ,Microstructure; ,Permanent mold casting; ,Sand casting; ,금형; ,주조 기술