알루미늄 합금 연결 브래킷의 압력 주조 수치 시뮬레이션 및 공정 최적화

Magma 시뮬레이션으로 해결한 전기차 모터 브래킷의 기공 결함: 주조 공정 최적화 심층 분석

이 기술 요약은 [특수 주조 및 비철 합금(SPECIAL CASTING & NONFERROUS ALLOYS)]에 게재된 [한 웨이(HAN Wei) 외] 저자의 "[알루미늄 합금 연결 브래킷 압력 주조 수치 시뮬레이션 및 공정 최적화]" 논문을 기반으로 작성되었습니다. ([2025년]).

키워드

• 주요 키워드: 알루미늄 압력 주조 최적화
• 보조 키워드: 수치 시뮬레이션, Magma 소프트웨어, 연결 브래킷, 기공 결함, 충전 불균형, 게이팅 시스템 설계, P-Q² 분석

핵심 요약

• 도전 과제: 신에너지차 모터용 알루미늄 합금 연결 브래킷의 불균일한 벽 두께로 인해 충전 유동 불균형 및 기공과 같은 주조 결함이 발생했습니다.
• 해결 방법: Magma® 소프트웨어를 사용하여 충전 및 응고 과정을 시뮬레이션하고, P-Q² 관계 곡선을 기반으로 인게이트(ingate) 형상과 크기를 수정하여 각 영역의 충전 유량과 압력을 조정했습니다.
• 핵심 돌파구: 인게이트 설계를 최적화하고 오버플로우를 추가하여 최종 충전 지점의 공기압을 3557.979 kPa에서 2302.127 kPa로 약 35% 감소시켜 공기 혼입(entrapped air) 위험을 크게 줄였습니다.
• 결론: 데이터 기반의 시뮬레이션과 체계적인 공정 최적화를 통해 복잡한 형상의 알루미늄 다이캐스팅 부품에서 내부 조직의 치밀도와 생산 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

신에너지 자동차 산업이 발전함에 따라 모터와 같은 핵심 동력 부품의 경량화 및 고성능화 요구가 커지고 있습니다. 특히, 모터와 다른 동력 부품을 연결하는 알루미늄 합금 연결 브래킷은 복잡한 구조를 가집니다. 이 브래킷은 얇은 벽의 프레임, 보강 리브, 그리고 후가공이 필요한 두꺼운 장착 부위가 혼재되어 있어 벽 두께가 매우 불균일합니다.

이러한 구조적 특성은 고압 주조 시 심각한 문제를 야기합니다. 용탕이 금형 캐비티를 채울 때 각 부위의 충전 속도와 유량이 달라져 유동 불균형이 발생합니다. 이로 인해 특정 부위, 특히 후가공이 필요한 정밀 영역에서 기공, 냉격(cold shut), 수축과 같은 결함이 발생하여 부품의 치수 정밀도와 조립 기능을 저해하고, 이는 곧 제품 불량률 증가와 생산 비용 상승으로 이어집니다. 기존의 경험에 의존한 공정 설계로는 이러한 복잡한 문제를 해결하기 어려워, 보다 과학적이고 체계적인 접근법이 절실히 요구되었습니다.

접근법: 방법론 분석

본 연구는 A356.2 알루미늄 합금을 사용하여 복잡한 연결 브래킷의 주조 결함을 해결하기 위해 데이터 기반의 체계적인 접근법을 채택했습니다. 연구진은 시뮬레이션과 공학적 분석을 결합하여 문제의 근본 원인을 파악하고 최적의 해결책을 도출했습니다.

방법 1: Magma® 소프트웨어를 이용한 수치 시뮬레이션 연구진은 Magma® 소프트웨어를 사용하여 연결 브래킷의 충전 및 응고 과정을 정밀하게 시뮬레이션했습니다. 이를 통해 용탕의 온도 변화, 충전 속도, 압력 분포 및 잠재적 결함(기공, 수축) 발생 영역을 시각적으로 예측했습니다. 또한, 부품의 구조적 특징과 후가공 요구사항에 따라 부품을 세 가지 공정 영역(A, B, C)으로 나누어 각 영역의 충전 특성을 개별적으로 분석했습니다.

방법 2: P-Q² 관계 곡선을 활용한 게이팅 시스템 최적화 초기 설계의 문제점을 파악한 후, 연구진은 압력(P)과 유량(Q²)의 관계를 나타내는 P-Q² 곡선을 활용하여 게이팅 시스템을 최적화했습니다. 이 분석을 통해 특정 인게이트의 단면적을 조정하는 것이 전체 충전 균형에 미치는 영향을 정량적으로 평가했습니다. 이를 바탕으로 유동이 느린 영역의 인게이트 크기를 확대하고 형상을 수정하여 각 영역으로 유입되는 용탕의 유량과 압력을 균일하게 조정했습니다.

방법 3: 배기-오버플로우 시스템의 최적화 설계 시뮬레이션 결과 공기 혼입이 예상되는 영역에 배기 효율을 높이기 위해 전용 오버플로우를 추가로 설계했습니다. 이는 최종 충전 단계에서 캐비티 내 가스를 효과적으로 배출하고, 용탕 선단부의 차가운 금속이나 산화물을 포집하여 주물의 내부 품질을 향상시키는 역할을 합니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

본 연구는 시뮬레이션 기반의 공정 최적화를 통해 연결 브래킷의 주조 품질을 획기적으로 개선할 수 있음을 구체적인 데이터로 입증했습니다.

발견 1: 불균일한 충전 패턴과 공기 혼입 문제의 정량적 규명

초기 설계(6개의 동일한 인게이트) 시뮬레이션 결과, 부품의 복잡한 형상으로 인해 충전 과정에서 심각한 불균형이 발생하는 것을 확인했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, C 영역이 거의 채워졌을 때 A와 B 영역은 여전히 20%가 비어 있었으며, 이로 인해 용탕 흐름이 만나는 지점에서 공기 혼입(air entrapment)이 발생했습니다. 그림 7a는 이 지점의 공기압이 최대 3557.979 kPa에 달해 심각한 기공 결함 발생 위험이 있음을 보여주었습니다.

발견 2: 게이팅 시스템 최적화를 통한 충전 균형 및 결함 감소 효과

연구진은 P-Q² 분석을 통해 2번 인게이트의 단면적을 2.35 cm²에서 3.35 cm²로 늘리고, 유입 경로를 곡선으로 변경하는 등 게이팅 시스템을 최적화했습니다. 또한, 2번과 3번 인게이트 사이에 전용 오버플로우를 추가했습니다. 최적화 후 시뮬레이션 결과, 그림 7b에서와 같이 용탕이 만나는 지점의 공기압이 2302.127 kPa로 크게 감소했습니다. 이는 초기 설계 대비 약 35% 감소한 수치로, 공기 혼입으로 인한 기공 결함 발생 가능성을 현저히 낮췄음을 의미합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 복잡한 형상의 부품에서 각 영역의 벽 두께와 부피를 고려하여 인게이트의 크기와 형상을 차별적으로 설계하는 것이 충전 균형을 맞추고 결함을 줄이는 데 매우 중요함을 시사합니다. P-Q² 분석은 이러한 설계를 정량적으로 검증하는 효과적인 도구가 될 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 그림 7과 그림 8 데이터는 게이팅 시스템 수정이 최종 충전부의 공기압과 응고 과정의 온도 구배에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다. 이는 기공 및 수축 결함이 자주 발생하는 부위를 예측하고, 해당 부위에 대한 비파괴 검사 기준을 강화하는 데 활용될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 이 연구 결과는 부품의 초기 설계 단계에서부터 주조성을 고려하는 것이 중요함을 강조합니다. 특히 급격한 벽 두께 변화나 복잡한 리브 구조는 응고 과정에서 열점(hot spot)을 형성하여 수축 결함을 유발할 수 있으므로(그림 4b), 이를 완화할 수 있는 설계 변경을 고려해야 합니다.

논문 상세 정보

알루미늄 합금 연결 브래킷 압력 주조 수치 시뮬레이션 및 공정 최적화

1. 개요:

• 제목: 알루미늄 합금 연결 브래킷 압력 주조 수치 시뮬레이션 및 공정 최적화 (Numerical Simulation and Process Optimization of Die-casting Aluminum Alloy Connection Bracket)
• 저자: 한 웨이(HAN Wei), 루 젠넝(LU Jianneng), 장 리전(JIANG Lizhen), 양 안(YANG An), 오우 준지에(OU Junjie)
• 발행 연도: 2025
• 학술지/학회: 특수 주조 및 비철 합금 (SPECIAL CASTING & NONFERROUS ALLOYS)
• 키워드: 연결 브래킷, 수치 시뮬레이션, 알루미늄 합금, 공정 최적화, 압력 주조

2. 초록:

신에너지 자동차 모터용 알루미늄 합금 연결 브래킷의 불균일한 벽 두께로 인해 발생하는 충전 유동 불균형 및 기공과 같은 압력 주조 결함 문제를 해결하기 위해, 브래킷 부품의 구조적 특징과 성형 품질 요구사항을 분석했다. Magma® 소프트웨어를 사용하여 브래킷의 충전 및 응고 과정을 시뮬레이션하고, 부품의 구조적 특징과 후속 가공 요구사항에 따라 공정 영역을 나누었다. 알루미늄 용탕 충전 시 국부적인 유동 불균형의 원인을 연구하고, 기공, 냉격, 수축과 같은 결함의 발생 경향을 예측하여 연결 브래킷의 배기-오버플로우 시스템을 최적화했다. 압력 주조 과정의 압력과 유량 관계인 P-Q² 곡선을 기반으로 인게이트의 형상과 크기를 개선하여 각 영역의 충전 유량과 압력을 균형 있게 조정함으로써 주물의 내부 조직 치밀도와 생산 품질을 향상시켰다.

3. 서론:

고압 주조 공정은 신에너지 자동차 모터와 다른 동력 부품을 조립하는 데 사용되는 알루미늄 합금 연결 브래킷을 생산하는 데 사용된다. 다양한 형상의 동력 부품과의 연결 기능을 구현하기 위해 브래킷 내면에는 불균일한 프레임과 얇은 벽의 연결 리브가 다수 설계되어 있다. 이러한 불균일한 구조는 알루미늄 합금 압력 주조 시 각 부위의 충전 속도와 유량에 불균형을 초래하며, 부품의 국부적인 영역, 특히 기계 가공이 필요한 위치에서 기공, 냉격, 충전 부족과 같은 결함을 유발하여 치수 정밀도와 연결 및 설치 기능의 구현에 영향을 미친다. 본 연구에서는 Magma® 소프트웨어를 사용하여 압력 주조의 충전 및 응고 과정을 시뮬레이션 분석하고, 초기 공정 설계에서 발생하는 수축, 기공 등의 결함에 대해 주물의 각 영역별 기능 품질 요구사항을 결합하여 부품의 공정 영역을 나누었다. 이를 통해 주조 공정 최적화를 진행하였다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

신에너지 자동차의 핵심 부품인 연결 브래킷은 복잡한 형상과 불균일한 벽 두께로 인해 고압 주조 시 기공, 수축 등 내부 결함이 발생하기 쉽다. 이러한 결함은 부품의 기계적 성능과 정밀도를 저하시켜 제품 신뢰성에 큰 영향을 미친다.

이전 연구 현황:

기존의 주조 공정 설계는 주로 경험에 의존하여 이루어졌으며, 복잡한 형상의 부품에서 발생하는 유동 불균형 문제를 정량적으로 해결하는 데 한계가 있었다. 수치 시뮬레이션 기술이 도입되었으나, 이를 게이팅 시스템의 체계적인 최적화와 직접적으로 연계하는 연구는 부족했다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 수치 시뮬레이션(Magma®)과 공학적 분석(P-Q² 곡선)을 결합하여, 알루미늄 합금 연결 브래킷의 압력 주조 공정을 최적화하는 것이다. 이를 통해 충전 유동의 균형을 맞추고 기공 및 수축과 같은 내부 결함을 최소화하여 주물의 품질과 생산성을 향상시키는 것을 목표로 한다.

핵심 연구:

핵심 연구 내용은 초기 주조 방안의 문제점을 시뮬레이션을 통해 분석하고, 이를 바탕으로 인게이트의 형상과 크기, 그리고 오버플로우 시스템을 최적화하는 것이다. 최적화된 설계안을 다시 시뮬레이션하여 공기압 감소, 온도 분포 균일화 등 개선 효과를 정량적으로 검증하였다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 초기 공정 설계안에 대한 시뮬레이션 분석, 문제점 진단, P-Q² 곡선을 이용한 최적화 방안 수립, 그리고 최적화 방안에 대한 시뮬레이션 검증의 순서로 진행되었다.

데이터 수집 및 분석 방법:

Magma® 소프트웨어를 사용하여 충전 및 응고 과정의 온도, 속도, 압력 데이터를 수집했다. 수집된 데이터는 유동 패턴, 공기 혼입 위치, 수축 발생 가능 영역을 분석하는 데 사용되었다. 게이팅 시스템 설계의 타당성은 P-Q² 관계 곡선을 생성하여 공정 윈도우 내에 있는지 확인함으로써 분석했다.

연구 주제 및 범위:

연구 대상은 신에너지 자동차 모터용 A356.2 알루미늄 합금 연결 브래킷이다. 연구 범위는 고압 주조 공정에서의 충전 및 응고 단계에 초점을 맞추었으며, 특히 게이팅 및 오버플로우 시스템 설계 최적화를 통한 내부 결함 제어에 한정된다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 초기 설계(6개의 동일 단면적 인게이트)는 부품의 불균일한 벽 두께로 인해 심각한 충전 불균형을 야기했으며, 용탕 흐름이 만나는 지점에서 높은 공기압(3557.979 kPa)을 형성하여 기공 발생 위험을 높였다.
• P-Q² 분석을 통해 2번 인게이트의 단면적을 2.35 cm²에서 3.35 cm²로 확대하고 유입 형상을 개선하는 최적화 방안을 도출했다.
• 최적화된 게이팅 시스템과 추가된 오버플로우는 용탕 충전의 균형을 개선하고, 최종 충전 지점의 공기압을 2302.127 kPa로 약 35% 감소시켰다.
• 최적화 후 응고 과정에서 주물과 금형 간의 온도 변화 곡선이 더 완만해져, 급격한 온도 구배로 인한 수축 결함 발생 가능성이 감소했음을 확인했다.

그림 이름 목록:

• 图1 连接支架零件工艺区域划分及3D图 / Fig.1 Process area division and 3D diagram of connecting bracket parts
• 图2 连接支架压铸浇注系统和排溢系统初始设计 / Fig.2 Initial design of gating system and overflow system of connecting bracket parts
• 图3 连接支架压铸充型过程温度模拟 / Fig.3 Temperature simulation of connecting bracket parts during die-casting filling process
• 图4 压铸充型时裹气及缩松缺陷预测模拟 / Fig.4 Prediction and simulation of air entrainment and shrinkage defects during die-casting filling process
• 图5 改变内浇口形状后的优化方案图 / Fig.5 Diagram of optimized scheme after shape modification of ingate
• 图6 通过P-Q²关系曲线检查内浇口设计的合理性 / Fig.6 Rationality inspection of inner gate design by P-Q² relation curves
• 图7 充型过程气压优化对比模拟图 / Fig.7 Simulation comparison of pressure optimization during filling process
• 图8 充型过程金属液和模具温度变化模拟图 / Fig.8 Temperature variation simulation of molten metal and mold during filling process

7. 결론:

(1) 알루미늄 합금 연결 브래킷의 영역별로 다른 벽 두께 형상은 용탕 충전 시 속도와 유량의 균형을 저해한다. 따라서 6개의 동일한 인게이트를 사용한 초기 설계는 각 부위의 응고 속도 차이를 유발하고, 용탕이 만나는 지점에서 공기 혼입 및 냉격 결함을 쉽게 발생시킨다. (2) 브래킷의 각 영역별 다른 벽 두께와 구조를 고려하여 차별화된 인게이트를 설계하고, 인게이트에 오버플로우를 추가하면 배기 효과를 높이고 충전 및 응고 품질을 개선할 수 있다. 이는 주물의 국부적인 충전 유량과 압력 관계를 변화시켜 결함을 효과적으로 제어한다.

8. 참고 문헌:

• 引用格式:韩伟,卢健能,江丽珍,等.铝合金连接支架压铸数值模拟及工艺优化[J].特种铸造及有色合金,2025,45(5):718-722.
• HAN W, LUJN, JIANG LZ, et al. Numerical simulation and process optimization of die-casting aluminum alloy connection bracket[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2025, 45(5):718-722.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 왜 이 연구에서 P-Q² 곡선 분석이 중요하게 사용되었나요? A1: P-Q² 곡선은 다이캐스팅 머신의 성능(압력-P)과 금형 설계(유량-Q) 간의 관계를 나타내는 핵심적인 공학 도구입니다. 본 연구에서는 인게이트 단면적을 변경하는 것이 단순히 유량만 바꾸는 것이 아니라, 충전 압력과 속도에도 영향을 미치기 때문에 이 분석이 필수적이었습니다. 그림 6에서 보듯이, P-Q² 곡선을 통해 수정된 인게이트 설계가 다이캐스팅 머신의 최적 작동 범위(합리적 공정 창) 내에 있는지 정량적으로 확인함으로써, 설계 변경이 실제 생산에서 안정적으로 구현될 수 있다는 신뢰성을 확보할 수 있었습니다.

Q2: 인게이트 설계를 구체적으로 어떻게 변경했으며, 그 이유는 무엇인가요? A2: 가장 큰 변화는 그림 5에 나타난 2번 인게이트입니다. 첫째, 주 유로와의 연결부를 직각에서 둥근 곡선 형태로 변경하여 용탕이 부드럽게 유입되도록 하고 난류 발생을 줄였습니다. 둘째, 단면적을 2.35 cm²에서 3.35 cm²로 확대하여 유동이 느렸던 A, B 영역으로 더 많은 용탕이 빠르게 공급되도록 했습니다. 마지막으로, 경사진 형태로 진입시켜 용탕이 캐비티 벽을 따라 흐르게 함으로써 직접적인 분사(jetting)와 이로 인한 공기 혼입을 방지하고자 했습니다.

Q3: 오버플로우를 추가한 위치와 그 이유는 무엇인가요? A3: 오버플로우는 그림 5b에서 볼 수 있듯이 2번과 3번 인게이트 사이에 추가되었습니다. 시뮬레이션 결과, 이 영역은 여러 방향에서 온 용탕 흐름이 마지막에 만나는 지점으로, 공기가 갇히기 가장 쉬운 곳으로 예측되었습니다. 이 위치에 전용 오버플로우를 설치함으로써 최종 충전 단계에서 갇힌 가스를 효과적으로 배출하고, 용탕 선단의 차갑거나 오염된 부분을 포집하여 주물의 건전성을 높이는 역할을 합니다.

Q4: 이 연구에서 사용된 A356.2 알루미늄 합금의 특징은 무엇인가요? A4: 논문에 따르면, A356.2 알루미늄 합금은 유동성이 좋고 밀도가 낮으며 내식성이 우수한 특징을 가집니다. 특히 압력 주조 생산 시 열간 균열(hot tearing) 경향이 적고, 선 수축률이 작으며, 기밀성이 좋아 복잡한 형상의 부품을 안정적으로 생산하는 데 적합한 재료입니다.

Q5: 시뮬레이션 결과와 실제 생산 결과는 어느 정도 일치할 것으로 예상되나요? A5: 본 논문은 시뮬레이션을 통한 최적화 과정을 다루고 있지만, Magma®와 같은 현대 주조 시뮬레이션 소프트웨어는 매우 높은 정확도를 가집니다. 사용된 재료의 물성 데이터, 금형의 열전달 계수, 다이캐스팅 머신의 사양 등이 정확하게 입력된다면, 시뮬레이션에서 예측된 결함의 종류와 위치는 실제 생산에서 발생하는 결함과 높은 상관관계를 보입니다. 따라서 본 연구의 최적화 방안은 실제 생산에서도 기공 및 수축 결함을 크게 감소시킬 것으로 기대할 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

복잡한 형상의 알루미늄 부품에서 발생하는 고질적인 내부 결함 문제는 더 이상 경험에만 의존해서는 해결하기 어렵습니다. 본 연구는 Magma® 시뮬레이션과 P-Q² 분석과 같은 데이터 기반 접근법이 어떻게 알루미늄 압력 주조 최적화를 이끌어낼 수 있는지 명확히 보여주었습니다. 게이팅 시스템의 체계적인 설계를 통해 충전 불균형을 해소하고 공기 혼입을 획기적으로 줄임으로써, R&D 및 생산 현장에서 직면하는 품질 문제를 해결할 실질적인 통찰력을 제공합니다.

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

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[한 웨이(HAN Wei) 외]" 저자의 논문 "[알루미늄 합금 연결 브래킷 압력 주조 수치 시뮬레이션 및 공정 최적화]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: https://doi.org/10.15980/j.tzzz.T20240099

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