경합금 부품 다이캐스팅 공정에 사용되는 금형 인서트의 두 가지 대체 냉각 시스템 연구

본 소개 자료는 "Procedia Structural Integrity"에서 발행된 "Study of two alternative cooling systems of a mold insert used in die casting process of light alloy components" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 논문 제목: Study of two alternative cooling systems of a mold insert used in die casting process of light alloy components
• 저자: Federica Fiorentini, Pellegrino Curcio, Enrico Armentani, Carlo Rosso, Paolo Baldissera
• 발행 연도: 2019
• 발행 저널/학회: Procedia Structural Integrity (AIAS 2019 국제 응력 해석 컨퍼런스 조직위원회를 대신하여 Elsevier B.V. 발행)
• 키워드: 다이캐스팅, 열기계 피로, FEM 해석

2. 초록:

금형 인서트는 다이캐스팅 공정에 일반적으로 사용되는 금형의 중요한 구성 요소입니다. 그 목적은 캐비티 및 언더컷과 같은 주물에서 특정 형상을 구현하는 것입니다. 또한 일부 중요 영역에서 냉각 시스템을 개선하는 데 사용됩니다. 각 인서트에는 금형의 열 상태를 제어하고 모든 핫스팟을 효율적으로 냉각하기 위한 최소한 하나의 간단한 냉각 채널이 있습니다. 용탕 주입 및 응고된 주물로 인한 기계적 응력과 함께 가혹한 주기적 열 조건은 인서트를 열기계 피로에 노출시킵니다. 열기계 피로는 일정 사이클 후 인서트 표면에 관찰되는 균열의 주요 원인이며, 이는 부품을 사용할 수 없게 만들고 교체를 요구합니다. 이러한 상황은 직접 및 간접 비용에 부정적인 영향을 미칩니다. 본 연구에서는 다이캐스팅 공정을 통해 제작된 알루미늄 합금 실린더 블록의 오일 드레인 채널을 구현하는 데 사용되는 금형 인서트에 대해 이 현상을 연구했습니다. 본 연구의 목적은 고온 및 높은 열 구배에 가장 많이 노출되는 영역을 결정하고, 적층 제조로 동일한 인서트에 컨포멀 채널을 사용하여 보다 효율적인 냉각 시스템을 설계하고 분석하는 것입니다.

3. 서론:

다이캐스팅 공정, 특히 고압 다이캐스팅(HPDC)은 자동차 산업을 중심으로 알루미늄 합금 부품 생산에 널리 사용됩니다. 이러한 공정에서 주요 문제 중 하나는 다이 및 그 구성 요소의 내구성입니다. 이들은 고온(670 – 710 °C의 용융 알루미늄), 높은 사출 속도(30 – 100 m/s) 및 압력(50 – 80 MPa)에 노출됩니다. 금형 인서트는 특정 주물 형상을 만들고 중요 영역의 냉각을 향상시키는 데 중요합니다. 이러한 인서트에는 일반적으로 열 상태를 관리하고 핫스팟을 냉각하기 위한 냉각 채널이 있습니다.

다이캐스팅 다이 및 인서트는 가혹한 주기적 열 및 기계적 하중을 받습니다. 이러한 조건은 열기계 피로로 이어지며, 이는 일정 사이클 후 인서트 표면에 균열(종종 "히트 체크"라고 함)이 발생하는 주요 원인입니다. 이러한 손상으로 인해 인서트를 사용할 수 없게 되어 교체가 필요하며 직접 및 간접 비용이 발생합니다. 거시적으로 균열은 다이 표면이 급격히 가열된 후 윤활제 스프레이에 의해 급랭될 때 발생하는 열충격으로 인해 시작됩니다. 가열 중에는 다이 표면에 압축 응력이 발생하고 냉각 중에는 인장 응력이 발생합니다. Coffin-Manson 방정식 (1)은 균열 핵 생성까지의 반전 횟수를 소성 변형 진폭과 관련시킵니다. 열 변형률 (방정식 (2)) 및 결과 응력 (방정식 (3))은 항복 강도를 초과하면 소성 변형 (방정식 (4))을 유발할 수 있습니다. 피로 수명은 사이클당 소산 에너지 (방정식 (5) 및 (6))에도 영향을 받습니다.

본 논문은 알루미늄 합금 실린더 블록(HPDC)의 오일 드레인 채널에 사용되는 금형 인서트의 열기계 피로를 조사합니다. 본 연구는 유한 요소 해석(FEM)을 사용하여 고온 및 열 구배 영역을 식별합니다. 이러한 결과를 바탕으로 적층 제조를 통해 구현된 컨포멀 채널을 사용하는 보다 효율적인 냉각 시스템을 설계하고 분석합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

다이캐스팅 다이, 특히 금형 인서트의 내구성은 고온 및 주기적인 기계적 하중을 포함하는 가혹한 작동 조건으로 인해 중요한 관심사입니다. 열기계 피로는 인서트의 균열 및 수명 단축을 유발하는 주요 파손 메커니즘으로, 생산 비용과 효율성에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 문제를 완화하기 위해서는 인서트의 효과적인 냉각이 중요합니다.

이전 연구 현황:

여러 연구에서 다이캐스팅 다이의 수명 예측 및 열기계적 현상을 다루었습니다. Srivastava 등 (2004)은 FEM 소프트웨어를 사용하여 다이캐스팅 다이의 열 피로 균열을 예측하는 방법론을 제시했으며, 온도 및 열 구배가 증가하면 파손까지의 사이클 수가 감소함을 보여주었습니다. FEM 소프트웨어는 열기계적 문제를 효과적으로 시뮬레이션할 수 있음이 입증되었습니다 (Astarita 등 (2013), Sepe 등 (2014)). Coffin-Manson 방정식 (1)은 피로를 설명하는 데 잘 알려져 있습니다. Sissa 등 (2014)은 피로 수명 예측을 위한 에너지 기준을 제안했습니다. 낮은 열팽창 및 높은 열전도율과 같은 재료 특성은 열기계 피로 저항에 중요합니다 (Lu 등 (2019)). 인서트 냉각 시스템 설계는 온도 제어에 중요한 역할을 합니다.

연구의 목적:

본 연구의 목적은 고온 및 높은 열 구배에 가장 많이 노출되는 영역을 결정하고, 적층 제조로 동일한 인서트에 컨포멀 채널을 사용하여 보다 효율적인 냉각 시스템을 설계하고 분석하는 것입니다.

핵심 연구:

본 연구는 알루미늄 합금 실린더 블록의 오일 드레인 채널 생산에 사용되는 금형 인서트의 유한 요소 해석(FEM)을 포함합니다. 기존 냉각 시스템을 갖춘 인서트의 온도장을 결정하기 위해 과도 열 해석을 수행했습니다. 이 온도장은 응력을 평가하기 위한 후속 구조 해석에서 하중으로 사용되었습니다. 이러한 결과를 바탕으로 적층 제조(특히 선택적 레이저 용융 - SLM)를 위해 설계된 컨포멀 채널을 통합한 새로운 냉각 시스템이 제안되었습니다. 그런 다음 이 컨포멀 냉각 시스템의 성능을 온도 분포, 열 구배 및 응력장 측면에서 시뮬레이션하고 기존 시스템과 비교했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 비교 시뮬레이션 접근 방식을 따랐습니다.

1. 기존의 전통적인 냉각 시스템을 갖춘 금형 인서트에 대해 과도 열 유한 요소 해석을 수행하여 다이캐스팅 사이클 동안의 온도장을 얻었습니다.
2. 결과로 얻은 시간 의존적 온도장을 구조 유한 요소 해석에서 하중으로 적용하여 응력 분포를 결정했습니다.
3. 결과를 바탕으로 적층 제조에 적합한 컨포멀 냉각 채널을 통합한 새로운 인서트 설계를 개발했습니다.
4. 컨포멀 냉각 시스템을 갖춘 인서트에 대해 동일한 경계 조건 하에서 과도 열 해석 및 후속 구조 해석을 반복했습니다.
5. 두 가지 냉각 시스템 설계(전통적 방식 대 컨포멀 방식)의 결과를 비교했습니다.
   해석 흐름은 Figure 3에 나와 있습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

열 모델 (전통적 냉각):

• 주요 열원은 응고 중 용탕의 변동하는 온도로 가정했습니다.
• 초기 인서트 온도: 200°C (예열 온도).
• 용융 알루미늄 주조 온도: 700°C.
• 이전 유동 해석에서 얻은 시간 가변 열유속을 용탕과 접촉하는 인서트 표면에 적용했으며, 이는 다항식으로 표현됩니다:
  q = 3152,8 - 188,8t + 9,5t² - 0,21t³ + 0,0015t⁴ (7)
• 열교환 표면적: 10.603,5 mm². 사이클 시간: 45초.
• 냉각: 25°C의 탈염수, 질량 유량 ṁ = 0,278 l/s.
• 물에 의해 제거되는 열량: Q = hA(Ts - Ti) (8) (주: 논문에서는 Q = hA(Ts - Ti)를 사용하지만 논문의 식 (8)은 Q = hA(Tw - Ti)임. 본문에서는 Tw를 벽 온도, Ti를 냉각수 입구 온도로 언급함).
• 대류 열전달 계수 (hw)는 Dittus-Boelter 방정식을 사용하여 계산:
  hw = (kw/D) * Nu (9)
  여기서 kw = 0,60 W/mK (물의 열전도율), D = 3 mm (냉각 채널 직경).
• 누셀트 수 (Nu): Nu = 0,023Re⁰·⁸ Pr⁰·⁴ (10)
  프란틀 수 (Pr): Pr = (cpμ)/kw = 6,23 (11)
  레이놀즈 수 (Re): Re = (ρvD)/μ = 4014,8 (12)
  결과 hw = 7 kW/m²K.
• 재료: CrMoV 합금 열간 공구강 Wr. Nr. 1.2343. 온도 의존적 열 및 기계적 특성은 Table 1에 나열되어 있습니다.
• 과도 열 해석 FEM 행렬 방정식: {p} = [C]{Ṫ} + ([K] + [H]){T} (18)

구조 해석:

• 열 해석에서 얻은 시간 가변 온도장을 하중으로 적용했습니다.
• 금형 내 조립 및 응고 중 합금의 결합 효과를 시뮬레이션하기 위해 모델을 고정 조인트로 구속했습니다.
• 해석은 폰 미세스 등가 응력 및 소산 에너지에 중점을 두었습니다.

컨포멀 냉각 채널 모델:

• 적층 제조(선택적 레이저 용융 - SLM)를 위해 설계되었습니다.
• 재료: 마레이징강 Wr. Nr. 1.2709. 열 및 기계적 특성은 Table 2에 나열되어 있습니다.
• 전통적인 시스템과의 비교를 위해 동일한 경계 조건 하에서 과도 열 해석을 수행했습니다.
• 후속 구조 해석도 수행했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 다음에 중점을 두었습니다:

• 전통적인 냉각 시스템을 갖춘 다이캐스팅 금형 인서트의 온도 분포 및 열 구배 결정.
• 결과적인 열기계적 응력 분석 및 응력 집중 영역과 높은 소산 에너지 영역 식별.
• 적층 제조를 활용하여 동일한 인서트를 위한 대체 컨포멀 냉각 시스템 설계.
• 컨포멀 냉각 시스템의 열 성능 및 응력 반응 평가.
• 균일한 온도 달성, 열 구배 감소, 응력 완화 및 사이클 시간 단축 가능성 측면에서 전통적 냉각 시스템과 컨포멀 냉각 시스템의 효과 비교.
  본 연구는 알루미늄 합금 실린더 블록의 오일 드레인 채널용 금형 인서트에 특정되었습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

전통적 냉각 시스템:

• 용탕 주입 후 9초가 지나면 분석된 모든 지점에서 온도가 최대치에 도달합니다 (Figure 7).
• 냉각 채널에서 멀리 떨어진 영역은 열 사이클이 끝날 때 더 높은 온도를 유지합니다.
• 특히 냉각수에 직접 노출되는 인서트 표면과 인서트의 나머지 부분 사이에 상당한 열 구배가 존재합니다 (Figure 8).
• 구조 해석 결과, 열 구배가 높은 영역에서 응력 집중이 나타났습니다. 사이클 종료 시 최대 폰 미세스 등가 응력은 약 370 MPa였습니다 (Figure 9).
• 넓은 소성 영역이 감지되었습니다. 관찰된 가장 높은 소산 에너지는 열 구배가 최대인 영역에서 W = 4,81· 10⁻¹ J/mm³였습니다.
• 6개의 데카르트 좌표계 응력 성분에 대한 가변 진폭 응력이 얻어졌습니다 (Figure 10).

컨포멀 냉각 시스템:

• 인서트 표면 전체의 열장이 전통적인 시스템에 비해 훨씬 더 균일했습니다 (Figure 12).
• 열 구배는 거의 없었으며 도달한 최고 온도는 더 낮았습니다.
• 인서트의 평균 온도는 단 30초 후에 거의 초기 온도로 돌아왔으며 (Figure 13), 이는 사이클 시간 단축 가능성을 시사합니다. (논문은 Sachs et al. (1997)을 인용하며, 컨포멀 냉각으로 사이클 시간이 최대 15% 단축되었다고 보고함).
• 컨포멀 냉각을 사용하면 인서트 코어의 평균 온도가 더 낮고 균일했습니다 (Figure 14 대 Figure 6).
• 후속 구조 해석 결과, 등가 폰 미세스 응력의 크기는 전통적인 시스템과 유사했지만 응력 집중은 없었습니다 (Figure 15).

비교:

• 컨포멀 냉각 채널은 전통적인 드릴 채널에 비해 더 균일한 열장, 감소된 열 구배 및 더 낮은 최고 온도를 나타냈습니다.
• 컨포멀 시스템은 초기 평균 온도로 더 빠르게 냉각되어 생산성 향상 가능성을 보여주었습니다.
• 폰 미세스 응력 크기는 비슷했지만, 컨포멀 시스템은 전통적인 시스템에서 관찰된 국부적인 응력 집중을 피했습니다.

Figure Name List:

• Fig. 1. Example of heat checks, Srivastava et al. (2004).
• Fig. 2. Cyclical stresses, Persson (2003)
• Fig. 3. Analysis flow chart.
• Fig. 4. Schematization of heat transfer mechanism, Krishnan and Sharma (1996).
• Fig. 5. CAD Model.
• Fig. 6. Temperature in the core of the insert [°C].
• Fig. 7. Temperature plot of eight points on insert' section.
• Fig. 8. Thermal fields [°C] at (a) 15 s; (b) 25 s; (c) 35 s; (d) 45 s.
• Fig. 9. Von Mises stresses on the insert at 45 seconds [MPa].
• Fig. 10. Stresses' spectrum: (a) σxx; (b) σyy; (c) σzz; (d) τxy; (e) τxz; (f) τyz.
• Fig. 11. Insert with conformal cooling system.
• Fig. 12. Comparison of temperature field [°C], after 25 seconds, between (a) traditional cooling channel and (b) conformal cooling channels.
• Fig. 13. Temperature field [°C] after 30 seconds.
• Fig. 14. Thermal field in the core of the insert [°C].
• Fig. 15. Comparison of the von Mises stresses [MPa] between (a) traditional cooling channel and (b) conformal cooling channels.

7. 결론:

사출 성형(본 연구에서는 특히 다이캐스팅)은 높은 생산성으로 자동차 부품을 제조하는 데 자주 사용되는 기술입니다. 사출 금형 및 그 구성 요소의 최적 열 관리는 생산성 및 부품 품질 향상에 필수적입니다. 본 연구는 컨포멀 냉각 시스템이 금형 인서트를 균일하게 냉각시키면서 빠르게 변화하는 고온으로 인해 다이캐스팅에서 흔히 발생하는 열기계 피로의 영향을 줄이는 유효한 해결책임을 발견했습니다.

두 가지 다른 냉각 시스템을 갖춘 인서트의 온도 및 응력장을 분석하고 비교하기 위해 두 가지 유한 요소 시뮬레이션이 제시되었습니다. 결과는 컨포멀 냉각 채널이 기계적 및 열적 응력 감소, 그리고 잠재적인 사이클 시간 단축을 포함하여 상당한 개선을 제공함을 명확하게 나타냅니다.

컨포멀 냉각의 장점은 제품(주물 결함 감소)과 공정(인서트에 대한 열기계적 응력 감소로 인한 인서트 수명 향상) 모두에 이점을 제공합니다. 최적의 열 조절은 고온에 장기간 노출되어 발생하는 강철 미세 구조의 열화를 방지하는 데 도움이 됩니다. 또한, 컨포멀 채널에서 관찰된 더 빠른 냉각은 생산성 향상을 가능하게 합니다.

향후 개발을 위해, 방정식 (6)으로 표현된 에너지 피로 기준을 사용하여 두 가지 다른 냉각 시스템 설계에 따른 인서트의 사용 수명(내구성)을 예측하고 비교할 것입니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "Federica Fiorentini, Pellegrino Curcio, Enrico Armentani, Carlo Rosso, Paolo Baldissera"의 논문입니다. "경합금 부품 다이캐스팅 공정에 사용되는 금형 인서트의 두 가지 대체 냉각 시스템 연구"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.02.050

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