알루미늄 자동차 클러치 하우징 제조를 위한 고압 다이캐스팅의 금형 구조 설계 및 주조 시뮬레이션

Mold structure design and casting simulation of the high-pressure
die casting for aluminum automotive clutch
housing manufacturing

- 연구의 핵심 목적: 고압 다이캐스팅 공정을 이용한 자동차 클러치 하우징 알루미늄 부품 제조를 위한 최적의 금형 구조 설계 및 주조 공정을 확립하는 것.

- 주요 방법론: 주조 시뮬레이션(MAGMAsoft)과 금형 구조 해석(ANSYS Workbench)을 이용하여 금형 설계 및 공정 최적화. 5개 게이트를 가진 게이팅 시스템 설계. 실제 주조 테스트를 통해 시뮬레이션 결과 검증.

- 핵심 결과: 주조 시뮬레이션을 통해 예측된 수축 기공 위치와 실제 발생 위치가 일치하지는 않았지만 매우 근접. 제조된 5개의 클러치 하우징 제품 모두 완벽하게 충진되었고 표면 결함 없음. 제품 경도는 위치에 관계없이 약 84 HV.

연구진 정보

• 소속 기관: ¹부산대학교 기계 및 정밀공학과 대학원, ²부산대학교 컴퓨터공학과, ³부산대학교 기계공학과
• 저자명: Seong Il Jeong, Chul Kyu Jin, Hyung Yoon Seo, Jong Deok Kim, Chung Gil Kang
• 주요 연구 분야: 고압 다이캐스팅, 금형 설계, 주조 시뮬레이션, 금형 구조 해석

연구 배경 및 목적

• 해당 연구가 필요한 산업적 배경: 자동차 산업 발전에 따라 알루미늄 자동차 부품에 대한 수요 증가. 고압 다이캐스팅은 복잡한 형상의 알루미늄 부품을 대량 생산하는 데 유리.
• 구체적인 기술적 문제점 과제: 기존의 시행착오 방식 금형 설계는 비용과 시간이 많이 소요되고 불량률이 높음. 따라서, CAE 기반의 시뮬레이션을 통한 최적 금형 설계 및 공정 최적화가 필요.
• 연구 목표: 고압 다이캐스팅 공정을 이용한 알루미늄 자동차 클러치 하우징 제조를 위한 최적 금형 설계 및 공정을 개발하여 주조 결함을 최소화하고 제품 품질을 향상시키는 것.

논문의 주요 목표와 연구내용

• 논문의 주요 목표와 연구내용: 고압 다이캐스팅 공정을 이용한 자동차 클러치 하우징 알루미늄 부품 제조를 위한 최적 금형 설계 및 주조 시뮬레이션 수행.
• 문제점: 기존의 시행착오 방식 금형 설계의 비효율성과 높은 불량률.
• 문제 해결을 위한 단계적 접근:
  1. Pro/ENGINEER를 이용한 3차원 금형 모델링. 5개 게이트를 가진 게이팅 시스템 설계.
  2. MAGMAsoft를 이용한 주조 시뮬레이션 수행. 충진 및 응고 과정에서 발생 가능한 주조 결함 예측 및 방지.
  3. ANSYS Workbench를 이용한 금형 구조 해석. 금형의 취약 부분에 대한 손상 가능성 예측 및 최적 설계.
  4. 실제 주조 테스트를 통해 시뮬레이션 결과 검증. 5개의 클러치 하우징 제품 제조.
• 주요 Figure:
  • Fig. 1: 클러치 하우징의 게이팅 시스템 설계도. 5개의 게이트를 사용하여 용탕이 금형 내부로 고르게 흘러들어가도록 설계.
  • Fig. 2: 3차원 금형 모델링. 고정 및 이동 금형의 상세한 구조를 보여줌.
  • Fig. 3: 금형의 냉각 라인 설계도.
  • Fig. 4: 이동 금형의 각 사분면에 작용하는 고정력.
  • Fig. 7: 금형 베이스의 구조 해석 결과. 서포터 유무에 따른 변형량 비교.
  • Fig. 8: 금형 내부 용탕 충진 거동 시뮬레이션 결과.
  • Fig. 9: 금형 내부의 공기압 및 공기 포획량 분포.
  • Fig. 10: 금형 내부 용탕 속도 분포.
  • Fig. 11: 충진 완료 후 금형 내부 응고 거동 시뮬레이션 결과.
  • Fig. 12: 응고 완료 후 예측된 수축 기공 위치.
  • Fig. 13: 응고 완료 후 예측된 금형 접착 위치.
  • Fig. 16: 실제 주조 테스트를 통해 제작된 5개의 클러치 하우징 제품 사진.
  • Fig. 17: 시뮬레이션 및 실제 주조 테스트 결과 비교. 수축 기공 분포 비교.
  • Fig. 18: 클러치 하우징의 미세조직 사진. 두께에 따른 미세조직 차이 비교.
  • Fig. 19: 다양한 위치에서 측정된 비커스 경도 값.

결과 및 성과:

• 정량적 결과: 제품 경도 84 HV, 금형 변형량 0.2131 mm.
• 정성적 결과: 시뮬레이션을 통해 예측된 수축 기공 위치와 실제 발생 위치가 매우 근접. 제조된 5개의 클러치 하우징 제품 모두 완벽하게 충진되었고 표면 결함 없음.
• 기술적 성과: 고압 다이캐스팅 공정을 이용한 자동차 클러치 하우징 알루미늄 부품 제조를 위한 최적 금형 설계 및 공정 개발. 주조 결함 최소화 및 제품 품질 향상.

저작권 및 참고 자료

본 자료는 Seong Il Jeong 등의 논문 "Mold structure design and casting simulation of the high-pressure die casting for aluminum automotive clutch housing manufacturing"을 기반으로 작성되었습니다.

논문 출처: DOI 10.1007/s00170-015-7566-4

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