Simulation and Casting Process of Aluminum Alloy Multi-Way Valve Body with Various Gating Systems
이 기술 요약은 [Li Rong 외 저자], [ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING] ([2018])에 게재된 "[Simulation and Casting Process of Aluminum Alloy Multi-Way Valve Body with Various Gating Systems]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.
키워드
- 주요 키워드: 알루미미늄 밸브 바디 주조
- 보조 키워드: 주조 시뮬레이션, 게이팅 시스템, 다방향 밸브, 주조 결함, 응고 해석, 알루미늄 합금
Executive Summary
- 도전 과제: 복잡한 내부 유로를 가진 고성능 알루미늄 다방향 밸브 바디 주조 시 발생하는 결함을 최소화하는 것입니다.
- 연구 방법: 단일 측면 및 양측면 게이팅 시스템의 충전 및 응고 과정을 주조 시뮬레이션으로 분석하고, 이를 바탕으로 최적화된 게이팅 및 라이저 시스템을 설계했습니다.
- 핵심 돌파구: 중앙 주입-양측 분기 방식의 최적화된 게이팅 시스템이 용탕의 난류를 줄이고 안정적인 충전을 가능하게 하여 내부 결함을 크게 감소시킴을 확인했습니다.
- 핵심 결론: 시뮬레이션 기반의 공정 최적화는 복잡한 알루미늄 주물 제품의 품질과 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 전략입니다.
도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유
유압 시스템의 핵심 부품인 일체형 다방향 밸브는 전통적으로 구상흑연주철로 제작되었습니다. 하지만 주철은 약 1300°C의 고온 주조가 필요해 내부 유로에 코어 샌드가 고착되어 유압유 시스템을 오염시키는 고질적인 문제를 안고 있었습니다. 이에 대한 대안으로 고성능 알루미늄 합금이 주목받고 있습니다. 알루미늄은 내부 샌드 제거가 용이하여 유압 시스템의 청정도를 유지할 수 있는 큰 장점이 있습니다.
그러나 알루미늄 밸브 바디는 내부 유로가 매우 복잡하여 코어 설계가 어렵고, 주조 과정에서 결함이 발생하기 쉽습니다. 실제 주조 실험을 통해 공정을 최적화하는 것은 막대한 시간과 비용을 초래합니다. 따라서 실제 주조 없이 결함 위치를 예측하고 해결책을 제시할 수 있는 주조 시뮬레이션의 중요성이 그 어느 때보다 커졌습니다. 이 연구는 바로 이 지점에서 출발하여, 시뮬레이션을 통해 복잡한 알루미늄 밸브 바디의 주조 공정을 최적화하는 것을 목표로 합니다.
접근 방식: 방법론 분석
본 연구는 주조 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 다양한 게이팅 시스템이 알루미늄 다방향 밸브 바디의 충전 및 응고 과정에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고 최적화하는 접근법을 채택했습니다.
방법 1: 초기 게이팅 시스템 설계 및 비교 분석 초기 단계에서는 두 가지 상이한 게이팅 시스템, 즉 (a) 양측면 게이팅 시스템(Twin side gating system)과 (b) 단일 측면 게이팅 시스템(Single side gating system)을 설계했습니다. 시뮬레이션을 통해 각 시스템의 용탕 충전 과정, 가스 혼입 상태, 충전 속도 분포, 응고 패턴 등을 비교 분석하여 각 설계의 장단점을 파악했습니다.
방법 2: 응고 및 결함 예측 시뮬레이션 두 초기 시스템에 대해 응고 온도 분포, 핫스팟(hotspot) 위치, 수축 기공 발생 가능성 등을 시뮬레이션으로 예측했습니다. 이를 통해 기존 설계가 순차 응고를 보장하지 못하고 밸브 바디의 핵심 부위에 결함을 유발할 수 있음을 확인했습니다.
방법 3: 게이팅 및 라이저 시스템 최적화 설계 초기 분석 결과를 바탕으로 새로운 게이팅 시스템을 설계했습니다. 중앙의 직선 게이트를 통해 용탕을 주입하고, 수평 게이트를 통해 양측으로 균일하게 분배하는 방식을 채택했습니다. 또한, 라이저의 위치와 크기를 수정하여 주조품 상부에 충분한 압탕 공급이 이루어지도록 하고, 캐비티 내부의 가스가 신속하게 배출되도록 벤트 크기를 늘렸습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
시뮬레이션 분석을 통해 게이팅 시스템 설계가 주조 품질에 미치는 결정적인 영향을 구체적인 데이터로 확인할 수 있었습니다.
발견 1: 초기 게이팅 시스템의 명확한 한계
초기 두 시스템은 모두 뚜렷한 단점을 보였습니다. 양측면 게이팅 시스템(그림 4a)은 충전 속도는 빠르지만, 두 용탕 흐름이 중앙에서 충돌하며 심한 난류를 발생시켜 가스 혼입의 위험을 높였습니다. 반면, 단일 측면 게이팅 시스템(그림 4b)은 충전 흐름은 더 안정적이었지만, 공기 접촉 시간이 길어져(그림 5b) 산화물 발생 가능성이 컸고, 느린 유동으로 인해 용탕 선단의 냉각 및 결함 형성 위험이 있었습니다. 또한 두 시스템 모두 부적절한 라이저 설계로 인해 밸브 바디 내부에 핫스팟과 수축 결함이 예측되었습니다(그림 8).
발견 2: 최적화된 시스템의 탁월한 성능 검증
새롭게 설계된 중앙 주입-양측 분기 게이팅 시스템(그림 11)은 시뮬레이션 결과, 용탕 흐름이 훨씬 더 안정적이고 난류가 현저히 감소하는 것을 보여주었습니다(그림 12). 이 설계는 캐비티 양측으로 용탕이 균형 있게 동시에 주입되도록 하여 안정적인 충전을 보장했습니다. 또한, 수정된 라이저 설계(그림 13)는 시뮬레이션 결과, 주요 수축 결함이 제품 내부가 아닌 라이저 영역에 집중되도록 성공적으로 유도했습니다(그림 14). 이는 최종 제품의 내부 품질이 크게 향상될 수 있음을 의미합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 주조 공정 관련 엔지니어들에게 다음과 같은 실용적인 통찰을 제공합니다.
- 공정 엔지니어: 이 연구는 게이팅 시스템의 설계(예: 측면 주입에서 중앙 주입으로의 변경)가 용탕의 난류를 제어하고 가스 혼입을 줄이는 데 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 복잡한 형상의 주물에서는 안정적인 충전을 최우선으로 고려해야 합니다.
- 품질 관리팀: 논문의 [그림 8]과 [그림 9]에 나타난 핫스팟 및 기공 분포 예측 데이터는 초기 시험 생산품에서 어떤 부위를 집중적으로 검사해야 하는지에 대한 명확한 가이드라인을 제공합니다. 시뮬레이션 결과는 비파괴 검사(NDT)의 효율성을 높이는 데 활용될 수 있습니다.
- 설계 엔지니어: 연구 결과는 라이저의 크기와 위치가 후육부의 압탕 공급과 응고 중 수축 결함 형성에 직접적인 영향을 미친다는 점을 강조합니다. 초기 제품 설계 단계부터 주조 방안을 고려하여 라이저가 효과적으로 배치될 수 있는 구조를 구상하는 것이 중요합니다.
논문 상세 정보
Simulation and Casting Process of Aluminum Alloy Multi-Way Valve Body with Various Gating Systems
1. 개요:
- 제목: Simulation and Casting Process of Aluminum Alloy Multi-Way Valve Body with Various Gating Systems
- 저자: Li Rong, Chen Lunjun, Su Ming, Zeng Qi, Liu Yong, Wang Heng
- 발행 연도: 2018
- 학술지/학회: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING
- 키워드: Casting, Aluminum alloy, Valve body, Gating system, Simulation
2. 초록:
다양한 게이팅 시스템이 복잡한 알루미늄 합금 다방향 밸브 바디 주조에 미치는 영향을 연구하기 위해 소프트웨어 시뮬레이션 분석 및 최적화가 수행되었습니다. 이후, 알루미늄 합금 밸브 바디의 주입을 확인하기 위해 주조가 이루어졌습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 단일 측면 주조 방식에 비해 게이팅 시스템의 양측면 주조 방식이 외부 가스의 충전을 줄이고 공기 접촉 시간도 더 짧다는 것을 보여주었습니다. 반대로, 양측면 주입으로 인해 용탕이 동시에 도달하지 못하여 캐비티로 들어가는 용탕의 속도가 달라져 용탕 충전 안정성에 영향을 미쳤습니다. 부적절한 라이저 설정은 응고 시간 연장으로 이어져 응고 중 다량의 주조 결함을 초래했습니다. 또한, 두 게이팅 시스템 모두 전체 주물의 비순차적 응고를 유발했습니다. 후자의 문제들을 극복하기 위해 중앙 주입부에 직선 게이트를 설치하고 주입부 양측에 수평 게이트 분기를 두었으며, 이는 알루미늄 합금 다방향 밸브에 더 나은 주조 결과를 제공할 수 있었습니다.
3. 서론:
일체형 유압 다방향 밸브는 건설 기계의 핵심 부품입니다. 현재 대부분의 다방향 밸브는 구상흑연주철로 만들어지지만, 주조 온도가 높고(약 1300°C) 코어 샌드가 내부 유로에 부착되어 유압유 시스템을 오염시키는 문제가 있습니다. 따라서 알루미늄 합금 재료가 다방향 밸브 바디 제작에 선택되었습니다. 고성능 알루미늄 합금 바디는 유압 시스템의 고압을 견딜 수 있으며, 내부의 샌드를 쉽게 제거하여 유압 시스템의 청정도를 유지할 수 있습니다. 다방향 밸브 바디의 복잡한 내부 유로 채널 때문에 직접 코어를 설계하고 주입 실험을 수행하는 것은 매우 어렵습니다. 주조 시뮬레이션 소프트웨어는 실제 주조 없이도 결함 위치를 확인하고 해결책을 제안할 수 있습니다. 본 연구에서는 일체형 다방향 밸브 바디의 충전 과정에 대한 시뮬레이션을 수행했습니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
건설 기계의 핵심 부품인 다방향 밸브를 기존의 구상흑연주철에서 알루미늄 합금으로 대체하여 유압 시스템의 오염 문제를 해결하고자 하는 산업적 요구가 있습니다.
이전 연구 현황:
이전 연구들[4, 5, 6]을 통해 주조 시뮬레이션 소프트웨어가 실제 주조 없이 결함 위치를 예측하고 해결책을 제시하는 데 효과적인 도구임이 입증되었습니다.
연구 목적:
다양한 게이팅 시스템이 복잡한 알루미늄 합금 다방향 밸브 바디의 주조에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 분석하고, 이를 최적화하여 고품질의 주조품을 생산하는 공정을 개발하는 것입니다.
핵심 연구:
본 연구는 밸브 바디 모델링, 두 가지 초기 게이팅 시스템(양측면, 단일 측면) 설계, 각 시스템에 대한 충전 및 응고 과정 시뮬레이션, 결과 분석(가스 상태, 충전 속도, 핫스팟, 기공), 분석 기반의 게이팅 및 라이저 시스템 최적화, 그리고 시뮬레이션 결과 검증을 위한 실제 주조 실험으로 구성됩니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
수치 시뮬레이션을 이용한 비교 연구, 최적화 연구, 그리고 실험적 검증의 단계를 거치는 설계 방식을 채택했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
주조 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 트레이서 입자, 공기 접촉 시간, 충전 속도, 응고 온도, 핫스팟, 기공 등을 분석했습니다. 실제 주조품은 절단하여 육안으로 검사했습니다.
연구 주제 및 범위:
연구는 특정 알루미늄 합금 다방향 밸브 바디의 사형 주조 공정에 초점을 맞춥니다. 두 가지 초기 게이팅 설계를 비교하고 하나의 최적화된 설계를 제안합니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
- 단일 측면 주조에 비해 양측면 게이팅은 외부 가스 충전과 공기 접촉 시간은 줄였으나, 용탕 도달 시간 차이와 난류 증가로 인해 충전 안정성이 저하되었습니다.
- 두 초기 게이팅 시스템 모두 부적절한 라이저 설정으로 인해 비순차적 응고 및 주조 결함을 유발했습니다.
- 중앙에 직선 게이트를 두고 양측으로 수평 게이트를 분기시킨 최적화된 게이팅 시스템이 더 나은 주조 결과를 제공했습니다.
- 최적화된 라이저 설계는 수축 결함을 주조품 본체에서 라이저 영역으로 효과적으로 이동시켰습니다.
- 실험적 주조는 단일 측면 게이팅 시스템의 수축 결함에 대한 시뮬레이션 예측과 일치함을 확인했습니다.
- 최종 최적화된 주조품은 매끄럽고 깨끗한 내부 유로 채널을 보여주었으며, 주철 부품과 유사한 품질 수준에 도달했습니다.
Figure Name List:
- Fig. 1. Model of multi-valve
- Fig. 2. Model of overall sand molding
- Fig. 3. Pouring system
- Fig. 4. Tracer particle status of various gating systems: a) Twin side gating system; b) Single side gating system
- Fig. 5. Air contact times of various gating systems: a) Twin gating system; b) Single side gating system
- Fig. 6. Filling speeds of various gating systems: a) Twin gating system; b) Single side gating system
- Fig. 7. Temperatures of various gating systems
- Fig. 8. Hotspots of different gating systems: a) Twin gating system; b) Single side gating system
- Fig. 9. Distribution of shrinkage and hotspots: a) Porosity; b) Hotspots; c) Time of solidification
- Fig. 10. Cooling rate of casting solidifications of various gating systems: a) Twin gating system; b) Single side gating system
- Fig. 11. Optimized gating system
- Fig. 12. Turbulence of new gating system
- Fig. 13. Modified riser of valve body
- Fig. 14. Defects and filling rate optimization
- Fig. 15. Solidification temperature of modified gating system
- Fig. 16. Casting of single side gating system
- Fig. 17. Cutting section of aluminum alloy valve body
- Fig. 18. Comparison of aluminum alloy and iron body: a) Aluminum alloy body; b) Iron valve body; c) Partial area of Aluminum alloy body; d) Partial area of iron valve body
7. 결론:
- 금속 유동 조건의 차이가 다양한 게이팅 시스템의 충전 효과에 기여하는 주요 요인이었습니다. 양측면 게이팅 시스템은 더 빠른 충전 시간과 적은 온도 강하를 제공했지만, 추가적인 난류와 충전 중 공기 혼입 증가를 유발했습니다. 단일 측면 게이팅 시스템은 충전이 더 안정적이었지만 산화되기 쉬웠습니다. 따라서 다방향 밸브 바디의 경우, 핵심 부위인 코어 존의 성형은 충전 시간을 줄이고 더 안정적이어야 합니다.
- 단일 또는 양측면 게이팅 시스템은 밸브 바디의 순차적 응고를 보장할 수 없었습니다. 이는 또한 밸브 바디의 코어 또는 표면에 결함을 유발하여 코어 강도와 표면 품질 저하를 초래할 수 있습니다.
- 최적화된 게이팅 시스템은 이중 게이트를 기반으로 하여 캐비티 내의 유동을 더 완만하게 만들었습니다. 또한, 이 게이팅 시스템은 용탕이 캐비티 양측으로 균형 있게 흘러가도록 하여 양쪽 흐름의 동시 주입을 보장했습니다. 이 시스템은 이 주물에 적합했으며 알루미늄 합금 다방향 밸브 바디의 내부 영역 품질을 보장했습니다. 최적화된 알루미늄 다방향 밸브 바디 주물은 주철 최적화 수준에 도달할 수 있었고 내부 유로 채널이 더 깨끗했습니다.
8. 참고 문헌:
- [1] Yanlun, X., Hongbo, W., Minchao, Z., et al. (2013). Developed Key Technologies for High-pressure Valve in Excavator. MACHINE TOOL & HYDRAULICS. 41(20), 79-81. DOI: 10.3969/j.issn. 1001-3881. 2013. 20. 026.
- [2] Zongxia, J., Chuanlong, P., Shuai, W. (2013). Progress in Construction Machinery Multi-way Valve And Future Trends. Chinese Hydraulics & Pneumatics. (11), 1-6. DOI:10. 11832/j. issn. 1000-4858. 2013. 11. 001.
- [3] Wen, H.L., Shen, R.H. & Wu, Y.W. (2014). Simulation and optimization of solidification process for large integral multiway valve body. Foundry Technology. 35(1), 182-184.
- [4] Perzyk, M. Kozlowski, J., Mazur, M., et al. (2015). Optimization of Side Feeders Systems by Means of Simulation of Solidification. Archives of Foundry Engineering. 15(1), 69-74. DOI:10.1515/afe-2015-0012.
- [5] Brůna, M., Bolibruchová, D. & Pastirčák, R. (2017). Reoxidation Processes Prediction in Gating System by Numerical Simulation for Aluminum Alloys. Archives of Foundry Engineering. 17(3), 23-26. DOI:10.1515/afe-2017-0084.
- [6] Sutiyoko, Suyitno, Mahardika, M., & Syamsudin, A. (2016). Prediction of Shrinkage Porosity in Femoral Stem of Titanium Investment Casting. Archives of Foundry Engineering. 16(4), 157-162. Retrieved 1 Nov. 2017, from doi:10.1515/afe-2016-0102.
- [7] Ke, L., Qian, W., N.G., Z., et al. (2011). Hot Cracking Behavior of A206 /1% Al2O3 Aluminum Base Nanocomposite. JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS. 31(2), 89-94. DOI: 10. 3969/j.issn. 1005-5053. 2011. 2. 017.
- [8] Shanghai Foundry Association. (1984). Concise Handbook of casting. Beijing: Machinery Industry Press.
- [9] Hongy., L., Zh., C., Z. (2005). Casting Process Design. Beijing: Machinery Industry Press: 130.
- [10] Rong, L., Qi, Z. (2015). Casting Simulation and Validation Research of MMD Crusher Teeth Plate. Foundry Technology, 36(4), 2940-2943. DOI: 10.16410/j.issn1000-8365.2015.12.039.
- [11] Wang, X.L., Zhao, Z.L., Ma, Y.X., et al. (2011). Numerical Simulation of Filling and Solidification of Large Complex ZTC4 Alloy Castings. Special Casting & Nonferrous Alloy, 31(6), 517-519. DOI: 10.3870/tzzz.2011.06.008
전문가 Q&A: 주요 질문과 답변
Q1: 연구 초기에 양측면 게이팅 시스템과 단일 측면 게이팅 시스템을 비교한 이유는 무엇입니까?
A1: 이 두 시스템은 복잡한 형상의 주물에 적용할 수 있는 대표적인 주입 방식입니다. 연구진은 이 특정 밸브 바디 형상에 대해 충전 속도(양측면)와 충전 안정성(단일 측면) 사이의 근본적인 상충 관계를 이해하고자 했습니다. 이 비교 분석은 두 방식 모두 결함을 유발할 수 있음을 보여주었고, 이는 두 방식의 장점을 결합한 새로운 최적화 설계의 필요성을 제시했습니다.
Q2: 초기 설계에서 기공이 발생한 주된 원인은 무엇이었습니까?
A2: 주된 원인은 부적절한 라이저 설계로 인한 비순차적 응고와 고립된 핫스팟 형성이었습니다. 논문의 그림 8과 9에서 볼 수 있듯이, 핫스팟이 제품 내부에 형성되어 응고 마지막 단계에서 용탕 공급이 차단되었습니다. 이로 인해 해당 부위에서 체적 수축을 보상할 수 없어 수축 기공이 발생했습니다.
Q3: 최적화된 게이팅 시스템(그림 11)은 구체적으로 어떻게 난류를 줄였습니까?
A3: 최적화된 시스템은 용탕을 중앙에서 주입하고 대칭적으로 양쪽으로 분배함으로써 유동의 균형을 맞췄습니다. 이는 양측면 시스템에서 관찰된 용탕 선단의 직접적인 충돌을 피하게 해줍니다. 또한, 슬래그 백(slag bag)을 설치하여 용탕이 캐비티로 진입하기 전에 유속을 안정시키고 불순물을 걸러내어, 전반적으로 더 부드럽고 예측 가능한 충전 패턴을 만들었습니다.
Q4: 논문에서 코어 예열의 중요성을 언급했는데, 그 이유는 무엇입니까?
A4: 시뮬레이션 결과, 코어가 배치된 영역에서 높은 냉각 속도가 나타났습니다(그림 10). 차가운 코어는 접촉하는 용탕의 열을 급격히 빼앗아 국부적인 조기 응고를 유발하고, 이는 유동성을 저해하여 충전 불량이나 수축 기공으로 이어질 수 있습니다. 코어를 충분히 예열하면 주물 전체의 온도 균일성을 확보하고 국부적인 급랭을 방지하여 건전한 응고를 유도할 수 있습니다.
Q5: 최종적으로 제작된 알루미늄 밸브 바디가 전통적인 주철 제품에 비해 갖는 핵심적인 장점은 무엇입니까?
A5: 가장 큰 장점은 월등한 내부 청정도입니다. 논문의 그림 17에서 비교된 것처럼, 알루미늄 주조 공정은 고온의 주철 주조에서 흔히 발생하는 샌드 고착 문제를 피할 수 있습니다. 이는 밸브 바디의 내부 유로가 매우 깨끗하다는 것을 의미하며, 유압유 오염을 방지하고 유압 시스템 전체의 신뢰성과 수명을 향상시키는 결정적인 요소로 작용합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
복잡한 내부 구조를 가진 알루미늄 밸브 바디 주조는 기존 방식으로 접근하기 어려운 고질적인 결함 문제들을 안고 있었습니다. 본 연구는 주조 시뮬레이션을 통해 다양한 게이팅 시스템의 장단점을 과학적으로 분석하고, 이를 바탕으로 중앙 주입-양측 분기 방식이라는 혁신적인 해결책을 제시했습니다. 이 최적화된 접근법은 용탕의 난류와 가스 혼입을 최소화하고 순차 응고를 유도하여, 최종적으로 내부가 깨끗하고 건전한 고품질 주조품을 생산할 수 있음을 입증했습니다.
CASTMAN에서는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 본 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보시기 바랍니다.
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이 콘텐츠는 "[Li Rong 외 저자]"의 논문 "[Simulation and Casting Process of Aluminum Alloy Multi-Way Valve Body with Various Gating Systems]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://doi.org/10.24425/122507
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