고압 다이캐스팅을 이용한 알루미늄 중공 서브프레임 개발

1. 개요:

  • 제목: 고압 다이캐스팅을 이용한 알루미늄 중공 서브프레임 개발(Development of Aluminium Hollow Subframe Using High-Pressure Die Casting)
  • 저자:
    • 아키히코 아사미 (Akihiko Asami)
    • 토모유키 이마니시 (Tomoyuki Imanishi)
    • 유키오 오카자키 (Yukio Okazaki)
    • 토모히로 오노 (Tomohiro Ono)
    • 켄이치 테츠카 (Kenichi Tetsuka)
  • 발행 연도: 2016년
  • 발행 학술지/학회: SAE 기술 논문 (SAE Technical Paper)
  • Keywords:
    • 고압 다이캐스팅 (High-Pressure Die Casting, HPDC)
    • 알루미늄 중공 서브프레임 (Aluminium Hollow Subframe)
    • 경량화 (Weight Saving)
    • 사형 주조 코어 (Sand Core)
    • Al-Mg-Si 합금 (Al-Mg-Si Alloy)
    • 박육 부품 (Thin-walled Parts)

2. 연구 배경:

  • 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
    • 자동차 경량화에 대한 요구는 탄소 배출 감소 및 에너지 절약을 통해 지구 환경 보호에 기여하기 위해 증가하고 있습니다.
    • 경량화는 또한 연비 향상 및 차량의 동적 성능 향상에도 기여합니다.
    • 고장력 강판과 경량 알루미늄은 자동차 서브프레임의 경량화를 달성하기 위해 사용되는 재료입니다.
    • 폐쇄 단면 구조는 개방 단면 구조에 비해 부품 강성을 효율적으로 높이기 위해 일반적으로 사용됩니다.
    • 알루미늄 중공 서브프레임은 이미 실용화되었으며, 사형 주조 코어를 사용하여 중력 다이캐스팅 (Gravity Die Casting, GDC) 또는 저압 다이캐스팅 (Low-Pressure Die Casting, LPDC) 공정으로 제조됩니다.
  • 기존 연구의 한계점:
    • 사형 주조 코어를 사용하는 기존의 알루미늄 중공 주조 방식인 GDC 또는 LPDC는 제품 두께를 줄이는 데 한계가 있습니다.
    • GDC 또는 LPDC에서 두께가 감소하면 주조 중 알루미늄 용탕의 유속이 감소합니다. 금형과 사형 주조 코어가 알루미늄 용탕에서 열을 빼앗아 알루미늄이 응고되는 경향이 있습니다.
    • GDC 및 LPDC의 이러한 두께 감소의 한계는 상당한 경량화 달성을 방해합니다.
    • 용접 알루미늄 서브프레임과 관련된 높은 비용 (재료비, 금형비, 용접비 포함)은 광범위한 채택을 방해합니다.
  • 연구의 필요성:
    • 기존 방법의 한계를 극복하고 차량 중량을 더욱 줄이기 위해 경량 박육 알루미늄 중공 서브프레임을 생산할 수 있는 제조 방법이 필요합니다.
    • 대형 코어를 성형하고 우수한 유동 성능을 나타내는 재료를 개발하는 기술이 이 기술을 실현하는 데 필수적입니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적:
    • 박육화에 적합한 제조 방법인 고압 다이캐스팅 (HPDC)을 사용하여 경량 중공 서브프레임 기술을 개발합니다.
    • HPDC 조건에 맞춰 압력 저항과 붕괴성을 균형 있게 유지하는 사형 주조 코어 기술을 개발하여 서브프레임과 같은 대형 부품의 중공 주조를 가능하게 합니다.
    • 비용을 절감하면서 서브프레임에 적합한 주조성 및 기계적 특성을 보장하기 위해 비열처리 Al-Mg-Si 합금을 사용합니다.
  • 핵심 연구 질문:
    • 최적화된 사형 주조 코어 기술 및 재료 선택과 결합된 HPDC는 기존 강철 서브프레임에 비해 상당한 경량화를 달성하면서 필요한 구조적 무결성 및 성능을 유지하는 박육 알루미늄 중공 서브프레임을 효과적으로 생산할 수 있을까요?
  • 연구 가설:
    • 새롭게 개발된 사형 주조 코어 기술과 최적화된 비열처리 Al-Mg-Si 합금을 HPDC와 함께 사용하면 구조적 성능을 저하시키지 않으면서 기존 용접 강판 서브프레임보다 훨씬 가벼운 중공 알루미늄 서브프레임을 제조할 수 있습니다.

4. 연구 방법론

  • 연구 설계:
    • 본 연구는 HPDC를 사용한 알루미늄 중공 서브프레임의 새로운 제조 공정 개발 및 실험적 검증에 초점을 맞추었습니다.
    • 연구에는 양산 서브프레임의 형상을 기반으로 중공 알루미늄 서브프레임용 제품 금형 및 코어 금형을 설계하고 제조하는 과정이 포함되었습니다.
    • 개발된 중공 알루미늄 서브프레임의 성능을 정적 파괴 시험 및 내구성 시험을 통해 기존 강철 서브프레임과 비교했습니다.
  • 데이터 수집 방법:
    • 주조 실험: 다양한 주조 조건, 사형 주조 코어 재료, 베이킹 조건 및 Al-Mg-Si 합금 조성으로 HPDC 실험을 수행했습니다.
    • 기계적 특성 시험:
      • 인장 시험을 수행하여 Si 함량을 달리한 개발된 Al-Mg-Si 합금의 강도와 연신율을 평가했습니다.
      • 정적 파괴 시험 및 내구성 시험을 제조된 중공 다이캐스트 알루미늄 서브프레임에 수행하여 실제 차량 입력 조건을 시뮬레이션하는 조건에서 구조적 성능을 평가했습니다.
    • 치수 정확도 측정: 주조 제품의 치수 정확도를 평가하여 코어 고정 방법 및 용탕 흐름 최적화의 효과를 평가했습니다.
  • 분석 방법:
    • 기계적 특성 분석: 인장 시험, 정적 파괴 시험 및 내구성 시험 결과를 분석하여 개발된 재료 및 서브프레임의 기계적 성능을 평가했습니다.
    • 비교 분석: 개발된 중공 알루미늄 서브프레임의 중량 및 성능을 기존 강철 서브프레임과 비교하여 경량화 및 성능 특성을 정량화했습니다.
    • 공정 변수 최적화: 주조 조건, 사형 주조 코어 변수 및 합금 조성이 주조 서브프레임의 품질 및 성능에 미치는 영향을 분석하여 제조 공정을 최적화했습니다.
  • 연구 대상 및 범위:
    • 본 연구는 자동차용 알루미늄 중공 서브프레임 개발에 초점을 맞추었습니다.
    • 범위는 다음을 포함합니다:
      • HPDC에 적합한 사형 주조 코어 기술 개발.
      • HPDC 중공 주조를 위한 비열처리 Al-Mg-Si 합금의 재료 선택 및 최적화.
      • 중공 서브프레임의 HPDC용 금형 설계 및 제조.
      • 정적 파괴 및 내구성 시험을 통한 개발된 서브프레임의 기계적 성능에 대한 실험적 검증.
      • 중량 및 성능 측면에서 개발된 알루미늄 서브프레임과 기존 강철 서브프레임의 비교.

5. 주요 연구 결과:

  • 핵심 연구 결과:
    • 대형 박육 부품을 위한 HPDC를 이용한 경량 중공 서브프레임 기술이 성공적으로 개발되었습니다.
    • HPDC에 적합한 사형 주조 코어 기술이 확립되어 사형 주조 코어의 압력 저항과 붕괴성의 균형 문제를 해결했습니다.
    • 최적화된 비열처리 Al-Mg-Si 합금에 Si를 첨가하여 HPDC 중공 주조를 위한 주조성 및 기계적 특성을 향상시켰습니다.
    • 개발된 중공 알루미늄 서브프레임은 기존 용접 강판 서브프레임에 비해 약 40%의 중량 감소를 달성했습니다 (그림 1).
    • 개발된 중공 다이캐스트 알루미늄 서브프레임은 정적 파괴 및 내구성 시험에서 모든 설정 조건을 충족하여 양산 부품으로서의 적합성을 입증했습니다.
  • 통계적/정성적 분석 결과:
    • 정적 파괴 시험 결과 (표 1): 중공 다이캐스트 알루미늄 서브프레임은 다양한 위치와 방향에서 정적 파괴 시험에서 설정 조건을 초과하는 클리어런스율을 입증했습니다. 예를 들어, "하부 암 장착 섹션 FT+"에서 클리어런스율은 최대 및 항복 조건 모두에서 207%였습니다.
    • 내구성 시험 결과 (표 2): 중공 다이캐스트 알루미늄 서브프레임은 서스펜션 어셈블리 내구성, 토크 로드 장착 섹션, 스티어링 기어 박스 장착 섹션, 스태빌라이저 장착 섹션 및 서스펜션 충격 시험을 포함한 모든 내구성 시험에서 설정 조건을 충족했습니다. 모든 결과는 "OK"로 표시되었습니다.
    • Al-Mg-Si 합금의 기계적 특성 (그림 10, 그림 15):
      • Al-5Mg 재료에 Si를 첨가하면 기계적 특성이 향상되었습니다.
      • Al-5Mg-1.8Si 조성은 연신율과 강도 사이의 균형을 달성하는 최적의 조성으로 밝혀졌습니다. 이 조성은 5% 이상의 연신율과 150MPa 이상의 강도를 안정적으로 실현할 수 있게 했습니다.
      • 판형 시험 금형을 사용한 주조 시험에서 약 2.0%의 Si 첨가로 강도와 연신율 사이의 균형이 서브프레임에 최적인 것으로 판단되었습니다 (그림 10).
  • 데이터 해석:
    • HPDC는 개발된 사형 주조 코어 기술 및 최적화된 Al-Mg-Si 합금과 결합될 때 경량 고성능 알루미늄 중공 서브프레임을 제조하는 데 실행 가능하고 효과적인 방법입니다.
    • 개발된 중공 알루미늄 서브프레임이 달성한 40%의 중량 감소는 기존 강철 서브프레임에 비해 상당한 개선을 나타내며, 차량 중량 감소 및 연비 향상에 기여합니다.
    • 정적 파괴 및 내구성 시험 조건의 성공적인 충족은 자동차 응용 분야를 위한 개발된 중공 알루미늄 서브프레임의 구조적 무결성 및 신뢰성을 입증합니다.
  • Figure Name List:
    • Figure 1. 개발된 중공 알루미늄 서브프레임
    • Figure 2. 오토바이 프레임 부품 (CBR600RR)
    • Figure 3. 각 제조 방법의 주조 조건 비교
    • Figure 4. 제조 공정
    • Figure 5. 1차 베이킹 후 코어 단면
    • Figure 6. 온도 변화 및 페놀 수지 용융 점도
    • Figure 7. 온도 변화 및 잔류 페놀 수지량
    • Figure 8. 두꺼운 코어 중심부 베이킹 시간
    • Figure 9. 게이트 속도와 강도 관계
    • Figure 10. Al-Mg 재료의 기계적 특성 변화에 대한 Si 첨가량의 영향
    • Figure 11. 제품 형상 및 코어 형상
    • Figure 12. 보드 위치
    • Figure 13. 코어 홀딩 핀 및 사형 제거 창 위치
    • Figure 14. 시험편 절단 위치
    • Figure 15. 서브프레임에서 절단한 시험편의 기계적 특성
    • Figure 16. 정적 파괴 시험 및 내구성 시험
Figure 1. Developed hollow aluminum subframe
Figure 1. Developed hollow aluminum subframe
Figure 2. Motorcycle frame parts (CBR600RR)
Figure 2. Motorcycle frame parts (CBR600RR)
Figure 3. Comparison of casting conditions for each manufacturing method
Figure 3. Comparison of casting conditions for each manufacturing method
Figure 11. Shape of product and shape of core
Figure 11. Shape of product and shape of core
Figure 16. Static fracture test and durability test
Figure 16. Static fracture test and durability test

6. 결론 및 논의:

  • 주요 결과 요약:
    • 본 연구에서는 대형 박육 알루미늄 서브프레임 제조를 위한 HPDC를 이용한 중공 주조 기술을 성공적으로 개발했습니다.
    • 주요 혁신 사항으로는 HPDC에 적합한 사형 주조 코어 기술과 Si 첨가된 비열처리 Al-Mg-Si 합금의 최적화가 포함됩니다.
    • 개발된 중공 알루미늄 서브프레임은 정적 파괴 및 내구성 시험에서 모든 성능 요구 사항을 충족하면서 기존 강철 서브프레임에 비해 상당한 40%의 중량 감소를 달성했습니다.
  • 연구의 학술적 의의:
    • 본 연구는 HPDC가 서브프레임과 같은 복잡한 중공 자동차 구조 부품 생산에 사용될 수 있는 가능성과 효율성을 입증합니다.
    • HPDC에 특화된 사형 주조 코어 기술 개발은 이 생산성이 높은 주조 방법의 적용 범위를 확장합니다.
    • 최적화된 Al-Mg-Si 합금은 주조성, 기계적 특성 및 비용의 균형을 맞추는 경량 알루미늄 주조를 위한 비용 효율적인 재료 솔루션을 제공합니다.
  • 실무적 시사점:
    • 개발된 HPDC 중공 주조 기술은 자동차 산업용 경량 알루미늄 서브프레임을 생산하기 위한 실행 가능한 제조 솔루션을 제공합니다.
    • 달성된 상당한 중량 감소는 연비 향상, 탄소 배출 감소 및 차량 성능 향상에 기여합니다.
    • 비열처리 Al-Mg-Si 합금의 사용은 생산 비용을 최소화하는 데 도움이 되어 알루미늄 중공 서브프레임을 더 넓게 채택하는 데 경제적으로 매력적입니다.
  • 연구의 한계점:
    • 본 연구는 특정 서브프레임 설계 및 재료 조성에 초점을 맞추었습니다. 개발된 기술의 다른 서브프레임 설계 또는 알루미늄 합금에 대한 일반화 가능성은 추가 조사가 필요할 수 있습니다.
    • 본 연구는 주로 기계적 성능에 초점을 맞추었습니다. 부식 저항 및 실제 차량 작동 조건에서의 장기 내구성과 같은 다른 측면은 추가로 탐구할 수 있습니다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향:
    • 생산성 및 주조 품질을 향상시키기 위해 사출 속도, 주조 압력 및 냉각 조건을 포함한 HPDC 공정 변수의 추가 최적화.
    • HPDC 중공 주조 서브프레임의 기계적 특성, 주조성 및 비용 효율성을 더욱 향상시키기 위한 다른 알루미늄 합금 및 조성 탐색.
    • 개발된 HPDC 중공 주조 기술을 다른 자동차 부품 및 구조 부품에 적용하여 차량 전체의 중량 감소 및 성능 이점을 극대화합니다.
  • 추가 탐구가 필요한 영역:
    • 개발된 중공 알루미늄 서브프레임의 장기 성능 및 신뢰성을 검증하기 위한 장기 내구성 연구 및 실제 차량 테스트 수행.
    • 재료비, 제조비 및 성능 이점을 고려하여 대량 생산의 경제적 타당성을 평가하기 위한 포괄적인 비용 효율성 분석 수행.
    • 중공 서브프레임 구조 및 토폴로지의 설계 최적화를 통해 추가적인 중량 감소 가능성 조사.

8. 참고문헌:

  1. Koya, E., Suzuki, T., Nakagawa, M., Fujimoto, G. et al., "Development of Hollow, Weld-able Die-Cast Parts for Aluminum Motorcycle Frames," SAE Technical Paper 2003-32-0055, 2003, doi:10.4271/2003-32-0055.

9. Copyright:

  • 본 자료는 아키히코 아사미, 토모유키 이마니시, 유키오 오카자키, 토모히로 오노, 켄이치 테츠카의 논문: 고압 다이캐스팅을 이용한 알루미늄 중공 서브프레임 개발을 기반으로 작성되었습니다.
  • 논문 출처: doi:10.4271/2016-01-0406

본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약 작성되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용이 금지됩니다.
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