고기밀성 밸브 플레이트 다이캐스팅: 기공 결함 제로를 위한 금형 설계 혁신

이 기술 요약은 [旷鑫文, 张正来, 贾志欣] 저자가 [铸造设备]에 발표한 학술 논문 "고기밀성 밸브 플레이트 압력 다이캐스팅 금형 설계 및 실습"을 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 고기밀성 다이캐스팅
• 보조 키워드: 밸브 플레이트, 알루미늄 다이캐스팅, 금형 냉각 시스템, 주조 방안, 배기 시스템, 다이캐스팅 기공 결함, A380 알루미늄

Executive Summary

• 도전 과제: 신에너지 자동차용으로 사용되는 복잡한 구조의 고기밀성 알루미늄 밸브 플레이트에서 치명적인 기공 결함을 제거하고 높은 품질 기준을 충족시키는 것.
• 해결 방법: CAE 해석을 기반으로 주조 및 배기 시스템을 최적화하고, 일반 냉각 수관과 고압 점상 냉각을 결합한 지능형 냉각 시스템을 적용하여 금형의 열 균형을 정밀하게 제어.
• 핵심 돌파구: 깊은 코어에 적용된 분무식 점상 냉각 기술과 기어-랙 구동 방식의 안정적인 이젝팅 시스템을 통해 국부적인 열점과 수축 기공을 효과적으로 억제하고 제품 변형을 방지.
• 핵심 결론: 복잡한 다이캐스팅 부품의 고기밀성 요구사항을 만족시키기 위해서는 주조, 냉각, 배기, 취출 등 모든 요소를 통합적으로 고려한 체계적인 금형 설계 전략이 필수적이며, 이는 생산성과 금형 수명을 극대화하는 열쇠.

도전 과제: 왜 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한가?

신에너지 자동차 산업이 성장함에 따라 핵심 부품의 성능 요구사항은 더욱 엄격해지고 있습니다. 특히, 유압 시스템에 사용되는 A380 알루미늄 합금 밸브 플레이트는 복잡한 내부 유로와 정밀한 공차를 가지며, 무엇보다도 완벽한 '기밀성'을 요구합니다.

이 부품은 최소 2.81mm에서 최대 9.53mm에 이르는 불균일한 두께를 가지며, 여러 개의 열점(hot spot)이 존재합니다. 이러한 구조적 특징은 다이캐스팅 공정 중 기공, 수축, 균열과 같은 결함을 유발하는 주요 원인이 됩니다. 특히, 2개의 깊은 밸브 홀(직경 9.1mm, 깊이 130mm) 내부는 CT 검사를 통해 직경 0.3mm 미만, 기공률 5% 미만이라는 매우 엄격한 품질 기준을 통과해야 합니다. 기존의 다이캐스팅 기술로는 이러한 고품질, 고기밀성 부품을 안정적으로 양산하는 데 한계가 있었습니다. 이 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 연구는 기공 발생의 근본 원인을 분석하고, 이를 해결하기 위해 금형 설계 단계에서 다각적인 최적화 전략을 적용했습니다.

방법 1: CAE 해석 기반의 주조 및 배기 시스템 최적화 연구팀은 주조 유동 해석(CAE)을 통해 용탕의 흐름을 시뮬레이션했습니다. 이를 통해 와류 및 가스 혼입을 최소화하는 4개의 인게이트(ingate)를 최적의 위치에 설계했습니다. 또한, 용탕 충전 마지막 단계에서 가스가 갇히기 쉬운 부분에 11개의 오버플로우 웰과 파형(wave-form) 배기 채널을 설치하여, 충전 시 발생하는 가스를 효과적으로 배출하고 고속 충전에 의한 충격을 완화했습니다.

방법 2: 지능형 하이브리드 냉각 시스템 구축 금형의 정밀한 온도 제어는 기공 및 수축 결함 관리의 핵심입니다. 연구팀은 고정측 코어에 1개의 환형 및 1개의 직선형 냉각 수관과 함께 25개의 고압 점상 냉각(spot cooling) 장치를 배치했습니다. 가동측 코어에도 2개의 환형 냉각 수관과 점상 냉각을 적용했습니다. 특히, 결함 발생 가능성이 가장 높은 2개의 깊은 밸브 코어와 4개의 피스톤 코어에는 내부 전체를 균일하게 냉각시키는 '분무식 점상 냉각'이라는 혁신적인 방식을 도입하여 국부적인 과열을 방지했습니다. 이 모든 냉각 시스템은 디지털로 제어되어 금형 전체의 열 균형을 최적으로 유지합니다.

방법 3: 안정성을 극대화한 코어 풀링 및 이젝팅 시스템 밸브 플레이트와 같이 얇고 넓은 부품은 취출 시 변형되기 쉽습니다. 이를 방지하기 위해 기존의 가이드 핀 방식에 더해, 4개의 '기어-랙(gear and rack)' 구동 메커니즘을 이젝터 플레이트에 추가했습니다. 이를 통해 이젝터 플레이트가 한쪽으로 기울어지거나 뒤틀림 없이 완벽하게 평형을 유지하며 제품을 밀어내도록 하여 변형 위험을 원천적으로 차단했습니다. 또한, 4개의 피스톤 홀과 2개의 밸브 홀은 유압 실린더를 이용한 코어 풀링 시스템으로 정밀하게 작동하도록 설계되었습니다.

돌파구: 주요 결과 및 데이터

체계적인 금형 설계와 공정 최적화를 통해 다음과 같은 획기적인 성과를 달성했습니다.

결과 1: 핵심 부위의 기공 결함 완벽 제어

새롭게 설계된 금형은 가장 품질 기준이 엄격한 밸브 홀, 피스톤 홀, 밸브 플레이트 표면 등 모든 부위에서 요구되는 기밀성 기준을 만족시켰습니다. 논문의 표 1에 명시된 바와 같이, 밸브 홀 내부 표면에는 기공이 발생하지 않았으며, 표면에서 1mm 깊이 영역에서만 PC2 등급의 미세 기공이 허용되는 기준을 통과했습니다. 이는 정밀한 냉각 제어를 통해 수축 기공을 효과적으로 억제했음을 증명합니다.

결과 2: 생산성 및 품질 수율의 극적인 향상

최적화된 금형은 완전 자동화 생산 라인에 성공적으로 적용되었습니다. 그 결과, 제품 합격률 98%라는 높은 수율을 달성했으며, 8시간당 600개의 부품을 생산하는 높은 생산 효율을 보였습니다. 또한, 금형의 수명은 15만 사이클에 달하여 장기적인 양산 안정성까지 확보했습니다. 그림 8은 이 공정을 통해 생산되어 가공 완료된 최종 제품의 모습을 보여줍니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 디지털 제어 방식의 다중 냉각 시스템(수관 + 점상 냉각)을 통해 특정 부위의 냉각 속도를 정밀하게 조절하는 것이 열점 부위의 기공을 줄이는 데 매우 효과적임을 시사합니다.
• 품질 관리팀: 논문의 표 1에 제시된 부위별 기공 허용 기준(CT 검사 기준)은 고기밀성 부품의 품질 검사 표준을 수립하는 데 중요한 참고 자료가 될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 이 결과는 깊은 코어나 두께 편차가 큰 부품을 설계할 때, 초기 금형 설계 단계부터 냉각 및 취출 메커니즘을 통합적으로 고려하는 것이 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 특히 분무식 점상 냉각과 기어-랙 이젝팅 시스템은 유사한 문제를 해결하는 데 효과적인 솔루션이 될 수 있습니다.

논문 상세 정보

고기밀성 밸브 플레이트 압력 다이캐스팅 금형 설계 및 실습

1. 개요:

• 제목: 고기밀성 밸브 플레이트 압력 다이캐스팅 금형 설계 및 실습 (高气密性阀板压铸模具设计及实践)
• 저자: 旷鑫文¹, 张正来², 贾志欣²
• 발행 연도: 2019
• 학술지/학회: 铸造设备 (FOUNDRY) Vol.68 No.8
• 키워드: 압력 다이캐스팅 부품 기공; 압력 다이캐스팅 금형; 냉각 시스템

2. 초록:

압력 다이캐스팅 부품의 기공 발생 원인을 분석하고, 알루미늄 합금 밸브 플레이트 부품의 고기밀성 요구사항 및 구조적 특징에 근거하여, 금형 상에서 합리적인 코어 구조, 주조 및 배기 시스템 설계, 고기밀성 홀 부위의 냉각 강화 및 취부/스프레이 구조 설정을 통해, 수관과 고압 점상 냉각을 결합한 방식으로 금형 온도를 모니터링하여 제품의 품질을 보장하고 금형 수명과 생산 효율을 향상시켰다.

3. 서론:

본 연구는 신에너지 자동차용 밸브 플레이트 부품을 대상으로 한다. 이 부품은 단품 중량 2.1kg, 재질 A380, 크기 280mm x 170mm x 53mm의 판형 쉘 구조체이다. 부품은 구조가 복잡하여 취출 시 변형이 쉽게 발생한다. 주요 구조적 특징으로는 (1) 최소 2.81mm, 최대 9.53mm의 심하게 불균일한 벽 두께와 다수의 열점 존재, (2) 직경 9.1mm, 깊이 130mm 및 80mm의 깊은 밸브 홀 2개, (3) 양측면에 각각 2개의 깊이 120mm 피스톤 홀, (4) 밸브 코어 홀, 피스톤 홀, 밸브 플레이트 면, 축전지 홀 등 여러 부위에 엄격한 기공 요구사항이 있다는 점이다. 특히 두 밸브 홀 내부는 CT 검사를 통해 내부 기공 및 수축공 직경이 0.3mm 미만, 기공률이 5% 미만이어야 하는 높은 품질 기준을 요구한다. 이 다이캐스팅 부품의 난점은 엄격한 기밀성 요구사항과 취출 시 변형 발생 가능성에 있다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

신에너지 자동차 시장의 성장에 따라 고성능, 고기밀성을 요구하는 핵심 부품의 수요가 증가하고 있으며, 특히 알루미늄 다이캐스팅으로 제조되는 밸브 플레이트와 같은 부품의 품질 안정성 확보가 중요한 과제로 대두되었다.

기존 연구 현황:

일반적으로 알루미늄 다이캐스팅의 기공은 (1) 용탕의 정련 및 가스 제거 불량, (2) 금형의 배기 구조 불량, (3) 부적절한 다이캐스팅 파라미터로 인한 가스 혼입, (4) 응고 시 발생하는 수축, (5) 부품의 두께 편차로 인한 국부적 열점 등 복합적인 원인에 의해 발생한다고 알려져 있다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 엄격한 기밀성 요구사항을 가진 복잡한 구조의 알루미늄 밸브 플레이트를 안정적으로 생산할 수 있는 다이캐스팅 금형 설계 기술을 개발하는 것이다. 이를 위해 기공 발생 원인을 체계적으로 분석하고, 이를 해결하기 위한 최적의 금형 구조, 주조 시스템, 냉각 시스템 및 취출 시스템을 설계하고 그 효과를 실제 생산을 통해 검증하고자 한다.

핵심 연구:

본 연구는 밸브 플레이트의 기공 문제를 해결하기 위해 금형 설계에 집중했다. 핵심 연구 내용은 다음과 같다. (1) CAE 해석을 통한 주조 및 배기 시스템 최적화, (2) 전체적인 열 균형을 위한 일체형 코어 구조 채택, (3) 수관과 고압 점상 냉각을 결합한 하이브리드 냉각 시스템 설계, (4) 깊은 홀 내부의 균일한 냉각을 위한 분무식 점상 냉각 및 내부 스프레이/취부 장치 개발, (5) 제품 변형 방지를 위한 기어-랙 구동 방식의 안정적인 취출 시스템 설계.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실제 산업적 문제를 해결하기 위한 응용 연구 및 개발 접근법을 채택했다. CAE(주조 유동 해석) 시뮬레이션을 통해 초기 설계를 검증하고, 이를 바탕으로 금형을 제작한 후, 실제 양산 테스트를 통해 설계의 유효성을 평가하는 방식으로 진행되었다.

데이터 수집 및 분석 방법:

연구의 입력 데이터는 대상 부품의 3D 모델, 구조적 특징 및 표 1에 명시된 기밀성 요구사항이다. 연구 결과는 생산된 부품의 품질(CT 검사 결과), 생산성(시간당 생산량), 수율(합격률), 금형 수명 등의 지표를 통해 분석 및 평가되었다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 특정 신에너지 자동차용 A380 알루미늄 합금 밸브 플레이트의 다이캐스팅 금형 설계에 국한된다. 주요 연구 범위는 다음과 같다: (1) 주조 및 배기 시스템 설계, (2) 하이브리드 냉각 시스템을 통한 금형 온도 관리, (3) 깊은 코어의 냉각 및 풀링 메커니즘, (4) 복잡한 형상 부품의 안정적인 취출 시스템.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 최적화된 금형 설계를 통해 안정적인 완전 자동화 생산 공정을 구축했다.
• 생산된 부품은 모든 기밀성 요구사항을 충족했으며, 최종 합격률은 98%에 도달했다.
• 생산 효율은 8시간 근무조당 600개로 높은 생산성을 달성했다.
• 금형 수명은 15만 사이클을 달성하여 양산 안정성을 확보했다.

그림 이름 목록:

• 图1 车用铝合金阀板
• 图2 浇注系统、排气系统设计以及液压抽芯机构
• 图3 动、定模芯设计
• 图4 定模芯冷却水道和点冷布局
• 图5 型芯处加强冷却
• 图6 滑块上设计内置喷涂和吹气结构示意图
• 图7 顶出系统齿轮齿条机构
• 图8 加工后的阀板压铸件

7. 결론:

본 논문은 신에너지 자동차용 밸브 플레이트 생산을 위한 금형 구조를 제시했으며, 기공 감소를 위한 조치들을 중점적으로 논의했다. 냉각 수관과 고압 점상 냉각의 조합, 특히 소형 코어 부위의 냉각 강화 및 취부 구조, 그리고 합리적인 주조 및 배기 시스템 설계를 통해 금형 온도를 효과적으로 모니터링하여 제품의 품질을 보장하고 금형 수명과 생산 효율을 향상시켰다.

8. 참고 문헌:

• [1] 潘宪曾. 压铸模设计手册 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.
• [2] 崔黎明, 姚三九, 苏建磊. 铝合金泵盖压铸件气孔缺陷分析及对策[J]. 铸造技术, 2007, 28 (12) : 1662-1665.
• [3] 徐义武, 詹凤伟. 压铸件气孔缺陷分析及解决方案[J]. 特种铸造及有色合金, 2013, 33 (2) : 151-154.
• [4] 历长云, 王有超, 许磊, 等. 铸造工艺参数对ADC12铝合金支架压铸件缺陷的影响[J]. 特种铸造及有色合金, 2010, 30 (12) : 1120-1122.
• [5] 张正来, 贾志欣. 具有深孔抽芯的壳盖压铸模设计[J]. 铸造, 2018, 67 (8) : 688-691.

전문가 Q&A: 핵심 질문과 답변

Q1: 왜 일반적인 다중 인서트 구조 대신, 거의 일체형에 가까운 코어 구조를 선택했습니까?

A1: 일체형 코어 구조는 인서트 간의 접합부에서 발생하는 열 저항을 최소화하여 금형 내부의 열전도성을 향상시키기 위함입니다. 이를 통해 금형 전체의 온도장을 더 균일하게 만들어 국부적인 열점(hot spot) 발생을 억제하고, 결과적으로 수축 기공 발생 위험을 크게 줄일 수 있습니다.

Q2: 논문에서 언급된 '분무식 점상 냉각'은 기존 냉각 방식과 어떻게 다르며, 구체적인 장점은 무엇입니까?

A2: 기존의 점상 냉각은 주로 코어 핀 끝단에서 냉각수가 돌아 나오는 방식이라 핀 전체를 균일하게 냉각하기 어렵습니다. 반면, '분무식 점상 냉각'은 냉각 매체를 코어 핀 내부에서 안개처럼 분사하여 핀의 성형부 전 구간에 걸쳐 직접적이고 균일한 냉각을 제공합니다. 이 방식은 깊은 코어의 과열을 방지하고 길이 방향의 온도 편차를 줄여 수축 기공을 억제하는 데 매우 효과적입니다.

Q3: 일반적인 가이드 핀 외에 '기어-랙 메커니즘'을 이젝팅 시스템에 추가한 이유는 무엇입니까?

A3: 밸브 플레이트처럼 얇고 넓은 부품은 취출 시 작은 힘의 불균형에도 쉽게 변형되거나 코어에 손상을 줄 수 있습니다. 기어-랙 메커니즘은 이젝터 플레이트의 네 모서리가 기계적으로 완벽하게 동기화되어 움직이도록 보장합니다. 이를 통해 플레이트가 기울어지거나 한쪽으로 쏠리는 현상을 방지하고, 제품 전체에 균일한 취출력을 가하여 변형 없이 안정적으로 제품을 밀어낼 수 있습니다.

Q4: CAE 해석이 최종 주조 및 배기 시스템 설계에 구체적으로 어떤 영향을 미쳤습니까?

A4: CAE 해석을 통해 용탕이 캐비티를 채우는 과정을 시뮬레이션하여, 와류 발생을 최소화하고 안정적인 충전이 가능한 4개의 인게이트 위치와 형상을 결정했습니다. 또한, 용탕이 최종적으로 충전되는 영역을 정확히 예측하여, 해당 위치에 11개의 오버플로우 웰과 배기구를 배치함으로써 갇힌 가스를 효과적으로 배출할 수 있도록 설계의 정밀도를 높였습니다.

Q5: 긴 코어 핀을 위한 슬라이더에 '내부 스프레이 및 취부 구조'를 설계한 이유는 무엇입니까?

A5: 이 구조는 두 가지 핵심 기능을 수행합니다. 첫째, 개방 시 코어 핀 표면에 직접 이형제를 분사하여 다음 사이클에서 용탕이 달라붙는 것을 방지하고 원활한 취출을 돕습니다. 둘째, 압축 공기를 불어넣어 코어 표면에 남은 잔여물이나 알루미늄 부스러기를 제거하고 코어를 냉각시키는 역할을 합니다. 이는 연속 생산 시 제품 품질의 일관성을 유지하고 금형 손상을 예방하는 데 필수적입니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 고기밀성 다이캐스팅 부품 생산이라는 까다로운 과제가 단일 기술이 아닌, 체계적이고 통합적인 금형 설계 접근법을 통해서만 해결될 수 있음을 명확히 보여줍니다. 정밀한 열 관리, 안정적인 기계 구조, 그리고 데이터 기반의 최적화가 결합될 때, 비로소 최고의 품질과 생산성을 달성할 수 있습니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[旷鑫文, 张正来, 贾志欣]"의 논문 "[高气密性阀板压铸模具设计及实践]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: [http://www.foundryworld.com/upload/2019/8/20190827101625883.pdf]

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