고압 다이캐스팅에서 사출 파라미터 설정

본 소개 글은 STM Journals에서 발행한 ["Injection Parameters Setting in High-Pressure Die Casting"] 논문의 연구 내용입니다.

Figure 1. Cold chamber horizontal high pressure die casting machine.
Figure 1. Cold chamber horizontal high pressure die casting machine.

1. 개요:

  • 제목: Injection Parameters Setting in High-Pressure Die Casting (고압 다이캐스팅에서 사출 파라미터 설정)
  • 저자: Rahul B., Bhaskar M. Reddy, Tamilselvam Nallusamy, W. Brightlin Abisha, Suresh P.
  • 출판 연도: 2023
  • 게시된 저널/학회: Journal of Polymer & Composites (Volume 11, Special Issue 13)
  • 키워드: Casting defects (주조 결함), Cavity pressure (캐비티 압력), Fill time (충진 시간), Gate area (게이트 면적), Injection velocity (사출 속도)

2. 초록

과학 및 가공 기술의 발전은 매우 중요합니다. 알루미늄 다이캐스트 부품이 널리 사용됩니다. 적절한 공정 변수가 필요합니다. 이 논문은 최적의 사출 파라미터를 연구합니다. 고압 다이캐스팅 공정(HPDC)에서 흔히 발생하는 결함은 미성형, 플로우 라인, 블로우홀, 핀홀, 수축, 가스 혼입 기공 등입니다. 본 연구는 저속, 고속 및 가압 기능의 효과를 분석합니다. 1단계 길이, 1단계 속도, 2단계 길이, 2단계 속도, 3단계 캐비티 압력 및 유지 시간과 같은 사출 파라미터의 최적값을 추정합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

알루미늄과 같은 금속 및 합금은 높은 비강도 및 내식성과 같은 특성으로 인해 자동차, 복합 재료 및 항공 우주를 포함한 엔지니어링 응용 분야에 널리 사용됩니다[1-6]. 다이캐스팅 공정은 중력 다이캐스팅(GDC), 저압 다이캐스팅(LPDC) 및 고압 다이캐스팅(HPDC)으로 분류됩니다[7–9].

이전 연구 현황:

  • 중력 다이캐스팅(GDC): 중력 및 대기압을 사용합니다. 6mm보다 큰 벽 두께, 3~25kg의 주조 중량을 가진 부품에 권장되지만 HPDC보다 생산 속도가 낮습니다[10–14].
  • 저압 다이캐스팅(LPDC): 가압 가스(0.1-0.3 bar)를 사용하여 금형 캐비티를 채웁니다[9, 17]. 휠 및 실린더 헤드와 같은 자동차 부품에 사용됩니다[18].
  • 고압 다이캐스팅(HPDC): 피스톤이 고압 및 고속으로 용융 금속을 구동합니다[19–23]. 다이 세트는 H13 강철로 만들어지고 44-46 HRC로 경화되며 종종 질화 처리됩니다[24, 25, 26].

연구 필요성:

사출 파라미터(저속, 고속, 가압 등)의 변화는 주조 결함을 유발할 수 있습니다. 고품질의 결함 없는 주물을 얻으려면 적절한 설정이 필수적입니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

HPDC에서 사출 파라미터를 연구하고 최적화하여 주조 결함을 줄입니다.

핵심 연구:

사출의 세 단계(저속, 고속 및 가압)의 효과를 분석하고 다음에 대한 최적 값을 결정합니다.

  • 1단계 길이 및 속도
  • 2단계 길이 및 속도
  • 3단계 캐비티 압력 및 유지 시간

5. 연구 방법

이 연구는 HPDC에서 3단계 사출 시스템(그림 2)을 분석하며 다음에 중점을 둡니다.

  • 충진율(Filling Ratio): 주입된 액체 금속 부피와 전체 사출 슬리브 부피의 비율. 가스 혼입 기공을 최소화하기 위해 60-70%의 충진율이 권장됩니다[33–36].
  • 1단계 (사전 충진 단계): 플런저는 용융 금속을 낮은 속도(0.1m/sec ~ 0.6m/sec)로 인게이트 근처로 이동시킵니다[37]. 1단계 길이 및 속도는 북미 다이캐스팅 협회(NADCA)에서 제공하는 공식을 사용하여 계산됩니다.
  • 2단계 (다이 캐비티 충진 단계): 액체 금속이 고속(0.4m/sec–6m/sec)으로 주입됩니다. 금형 충진 시간은 매우 짧습니다(5~100밀리초). 2단계 길이 및 속도는 다이 설계 데이터, 게이트 면적 및 게이트 속도를 기반으로 계산됩니다.
  • 3단계 (가압 단계): 응고 중에 수축을 보상하기 위해 추가 금속이 밀어 넣어집니다. 가압(캐비티 압력)이 계산되고 다양한 유형의 주조에 대해 다른 압력이 권장됩니다[38-42].

이 연구는 이러한 원리를 사용하여 엔진 하우징 구성 요소를 분석하며, 샷 중량, 주조 중량, 게이트 면적, 플런저 직경 및 활성 슬리브 길이에 대한 특정 데이터가 제공됩니다.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

이 연구는 엔진 하우징 구성 요소에 대한 사출 파라미터를 단계별로 계산했습니다.

  1. 샷 중량 부피, 주조 중량 부피 및 샷 슬리브 부피: 제공된 데이터를 기반으로 계산.
  2. 충진율: 58.53%로 계산되어 최적의 60-70%에 가깝습니다.
  3. 2단계 길이: 12.03cm로 계산.
  4. 1단계 길이: 16.97cm로 계산.
  5. 1단계 속도: 0.077m/sec로 계산되어 권장 범위 내에 있습니다.
  6. 2단계 속도: 1.55m/sec로 계산.
  7. 가압(캐비티 압력): 933kg/cm²로 계산되어 압력 기밀 주조에 대한 권장 범위 내에 있습니다.

이러한 최적화된 파라미터는 생산 환경에서 구현되었습니다.

표 1은 연구 전후의 파라미터를 요약하여 공기 혼입, 캐비티 충진 시간, 압력 기밀성 개선 및 불량률이 8%에서 1.2%로 감소했음을 보여줍니다.

Figure 2. Three-phase injection system.
Figure 2. Three-phase injection system.
Table 1. Research analysis and results
Table 1. Research analysis and results

그림 이름 목록:

  • 그림 1. 냉각 챔버 수평 고압 다이캐스팅 기계.
  • 그림 2. 3단계 사출 시스템.

7. 결론:

주요 결과 요약:

사출 파라미터(1단계 길이 및 속도, 2단계 길이 및 속도, 3단계 캐비티 압력 및 유지 시간)를 최적화하여 주조 불량률이 8%에서 1.2%로 크게 감소했습니다.

{연구 결과 요약. 연구의 학문적 의의, 연구의 실제적 함의}
이 연구는 HPDC에서 사출 파라미터를 신중하게 제어하고 계산하는 것이 고품질의 결함 없는 주물을 생산하는 데 중요하다는 것을 보여줍니다. 실제적인 의미는 스크랩을 크게 줄이고 생산 효율성을 개선하여 이익과 고객 만족도를 높이는 것입니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Rahul B., Bhaskar M. Reddy, Tamilselvam Nallusamy, W. Brightlin Abisha, Suresh P."의 "Injection Parameters Setting in High-Pressure Die Casting" 논문을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: DOI (Journal): 10.37591/JoPC

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Tags: Al-Si alloy; ,CFD; ,Die casting; ,Efficiency; ,High pressure die casting; ,High pressure die casting (HPDC); ,Microstructure; ,Salt Core; ,Taguchi method; ,금형