REDESIGN OF HYDRAULIC CIRCUIT TO IMPROVE QUALITY IN HIGH PRESSURE ALUMINUM DIE CASTING MACHINE

불량률 13%에서 0%로: 유압 회로 재설계를 통한 고압 다이캐스팅 품질 혁신

이 기술 요약은 K. Nagasubramaniam과 P. Chandramohan이 작성하여 [Journal of Engineering Science and Technology] (2014)에 발표한 학술 논문 "[REDESIGN OF HYDRAULIC CIRCUIT TO IMPROVE QUALITY IN HIGH PRESSURE ALUMINUM DIE CASTING MACHINE]"을 기반으로 합니다. CASTMAN이 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: 고압 다이캐스팅 품질 개선
• Secondary Keywords: 유압 회로 재설계, 질소 보틀, 증압기, 압력 및 속도 제어, 알루미늄 다이캐스팅, 부품 불량률 감소

Executive Summary

• The Challenge: 알루미늄 고압 다이캐스팅 공정에서 불안정한 압력과 속도로 인해 11-13%에 달하는 높은 부품 불량률 문제가 발생했습니다.
• The Method: 기존 유압 회로에 (1) 질소 보틀 추가, (2) 증압기 유로 직경 변경, (3) 증압기 재생 회로 도입이라는 세 가지 순차적 수정을 적용하고 시뮬레이션을 통해 검증했습니다.
• The Key Breakthrough: 3단계의 유압 회로 재설계를 통해 기계 효율을 88%에서 98%로 향상시켰고, 최종적으로 부품 불량률을 평균 0-3% 수준까지 획기적으로 감소시켰습니다.
• The Bottom Line: 다이캐스팅 기계의 유압 회로를 체계적으로 수정하는 것이 고비용의 장비 교체 없이도 제품 품질을 극적으로 향상시키는 가장 효과적인 방법임을 입증했습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

고압 다이캐스팅(HPDC)은 자동차 부품과 정밀 기계 부품을 생산하는 핵심 공정입니다. 이 공정의 성패는 용탕을 금형에 주입하는 속도와 압력, 그리고 온도를 얼마나 정밀하게 제어하느냐에 달려있습니다. 특히 압력은 제품의 품질과 기계 효율을 결정하는 가장 중요한 변수입니다. 현장에서는 종종 불안정한 압력 제어로 인해 용탕이 조기 응고되거나 가스가 제대로 배출되지 않아 블로우 홀(blow holes), 산화물 형성, 버(burr)와 같은 고질적인 불량 문제가 발생합니다. 본 연구에서 분석한 사례의 경우, 알루미늄 부품 생산 라인에서 평균 11%에서 13%에 이르는 높은 불량률을 기록하고 있었습니다. 이는 곧 생산성 저하와 원가 상승으로 직결되는 문제로, 많은 HPDC 전문가들이 직면하고 있는 현실적인 과제입니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 120톤 체결력(locking force)을 가진 고압 다이캐스팅 머신에서 생산되는 섬유 및 자동차 부품의 불량 원인을 분석하는 것에서 시작되었습니다. 연구진은 기존 유압 회로의 설계를 수정하여 문제를 해결하고자 했으며, 이를 위해 'Automation Studio' 분석 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 진행했습니다. 연구의 핵심은 다음과 같은 세 가지 단계적 수정안을 적용하는 것이었습니다.

1. 질소 보틀(Nitrogen Bottle) 추가: 기존에는 어큐뮬레이터와 증압기가 하나의 질소 보틀을 공유했지만, 압력 공급의 안정성을 높이기 위해 증압기용 질소 보틀을 추가했습니다.
2. 증압기(Intensifier) 출력 유로 직경 수정: 기존의 균일한 16mm 직경의 유로를 16mm → 30mm → 16mm로 변경하여 용탕의 주입 속도를 높였습니다.
3. 증압기 재생 회로(Regenerative Circuit) 도입: 증압기에서 나오는 유압유의 일부를 다시 입력 측으로 보내 압력을 재생성하고, 이를 통해 더 높고 안정적인 압력을 더 오랜 시간 유지하도록 회로를 수정했습니다.

이 세 가지 수정은 각각 독립적으로 적용되고 그 효과가 3개월간의 생산 및 불량률 데이터로 검증되었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

[본 논문의 결과(Results) 섹션을 바탕으로, 2-3가지 가장 중요한 발견을 구체적인 데이터와 함께 제시합니다.]

Finding 1: 질소 보틀 추가로 압력 안정성 확보 및 불량률 7-9% 달성

첫 번째 수정인 질소 보틀 추가는 시스템의 압력 안정성을 크게 향상시켰습니다. 기존 시스템의 라인 압력은 100 kg/cm²였으나, 질소 보틀을 추가한 후 압력이 109.110 kg/cm²로 증강되었습니다. 이는 기계 효율을 기존 88%에서 92%로 끌어올리는 결과를 낳았습니다. Table 3에 따르면, 이 수정안을 적용한 후 3개월간의 평균 부품 불량률은 기존 11-13%에서 7-9%로 감소하여, 압력 증강이 품질 개선에 직접적인 영향을 미친다는 것을 데이터로 증명했습니다.

Finding 2: 증압기 유로 변경으로 속도 향상 및 불량률 5-7% 달성

두 번째 수정은 증압기 출력 유로의 직경을 16-30-16mm로 변경하여 유체 속도를 높이는 데 초점을 맞췄습니다. Figure 5(a)와 5(b)의 압력 그래프를 비교하면, 압력 상승에 걸리는 시간이 기존 1초에서 0.6초로 단축된 것을 확인할 수 있습니다. 이는 용탕이 금형 캐비티에 도달하기 전에 부분적으로 응고되는 현상을 방지하여 블로우 홀과 같은 결함을 줄였습니다. 이 수정으로 기계 효율은 92%에서 94%로 추가 향상되었으며, Table 4에서 볼 수 있듯이 평균 불량률은 5-7% 수준으로 더욱 감소했습니다.

Finding 3: 재생 회로 도입으로 최종 불량률 0-3% 달성

마지막 세 번째 수정인 재생 회로 도입은 압력과 속도 모두를 최적화하는 결정적인 단계였습니다. 기존 시스템에서는 증강된 압력이 0.6-0.8초 동안만 유지되었지만, 재생 회로를 추가한 후에는 압력 유지 시간이 1.2-1.6초로 두 배 가까이 늘어났습니다. Figure 8(b)는 재생 회로 적용 후 증압기 압력이 약 320 bar까지 상승하고, 액추에이터 압력은 360-370 bar에 도달했음을 보여줍니다. 이 강력하고 지속적인 압력은 복잡한 형상의 부품도 완벽하게 충전시켜주었습니다. 그 결과, 기계 효율은 98%라는 최고 수준에 도달했으며, Table 5에 따르면 3개월간의 평균 불량률은 0-3%라는 경이적인 수준으로 감소했습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

[본 논문의 토론(Discussion) 및 결론(Conclusion) 섹션을 바탕으로, 다양한 직무 전문가를 위한 조건부 통찰력을 제공합니다.]

• 공정 엔지니어: 이 연구는 증압기에 재생 회로를 추가하는 것이 압력 유지 시간을 크게 늘려 응고 관련 결함을 줄이는 데 기여할 수 있음을 시사합니다. 기존 장비의 유압 회로도를 분석하고 재생 회로 적용 가능성을 검토하는 것이 즉각적인 품질 개선으로 이어질 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Table 2부터 Table 5까지의 데이터는 유압 시스템의 수정이 어떻게 정량적으로 불량률을 감소시키는지를 명확하게 보여줍니다. 이는 단순 검사를 통한 불량품 선별을 넘어, 공정 자체를 개선하는 것이 근본적인 품질 관리 방안임을 입증하는 강력한 근거가 됩니다.
• 설계 엔지니어: 증압기 유로 직경을 16mm에서 16-30-16mm로 변경한 결과는 유압 부품의 미세한 설계가 용탕의 흐름 속도와 최종 제품 품질에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 초기 장비 설계 단계에서 유압 흐름 시뮬레이션을 통해 최적의 유로를 설계하는 것이 중요함을 시사합니다.

Paper Details

**REDESIGN OF HYDRAULIC CIRCUIT TO IMPROVE QUALITY IN HIGH PRESSURE ALUMINUM DIE CASTING MACHINE

1. Overview:

• Title: REDESIGN OF HYDRAULIC CIRCUIT TO IMPROVE QUALITY IN HIGH PRESSURE ALUMINUM DIE CASTING MACHINE
• Author: K. NAGASUBRAMANIAM, P. CHANDRAMOHAN
• Year of publication: 2014
• Journal/academic society of publication: Journal of Engineering Science and Technology
• Keywords: Nitrogen bottle, Accumulator, Intensifier, Pressure, Velocity.

2. Abstract:

Pressure/velocity remains as main factors in a high pressure die casting machine to produce intricate components from the die. Rejection analysis was carried out in a die casting machine used in producing Aluminum components with a higher rejection rate. Three modifications have been carried out in the basic hydraulic design of the machine to increase the efficiency and in turn reduce the rejection of the components. The three modifications include (i) addition of nitrogen bottle to the system design (ii) Reducing the passage diameter of the Intensifier output (iii) Regeneration of Intensifier output. The first modification resulted with increase in pressure and the second with increase in velocity and finally the third one with optimum increase in both pressure and velocity. This has resulted in the improvement of machine efficiency thereby reducing the overall rejection of the components with intricate design.

3. Introduction:

Pressure die casting machine (m/c) is the process which is used to produce accurate castings of automobile parts and other mechanical components [1]. Aluminum, zinc, copper are some of the materials with which die casting process can be carried out successfully. The type of products manufactured from these machines mainly range between industrial goods to automobile (2 wheelers and 4 wheelers) that includes sprockets, starter motor assembly, etc. [2, 3]. Production of casting depends on the parameters like velocity, pressure and temperature which are involved with the system [4].

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

고압 다이캐스팅 공정에서 압력과 속도는 복잡한 형상의 부품 품질을 결정하는 핵심 요소입니다. 이 연구는 높은 불량률을 보이는 알루미늄 부품 생산용 다이캐스팅 머신을 대상으로 진행되었습니다.

Status of previous research:

이전 연구들은 압력 개선을 위해 질소 보틀이나 어큐뮬레이터를 추가하거나[7, 8], 속도 개선을 위해 두 개의 어큐뮬레이터를 사용하는 방법[9-11] 등을 시도했습니다. 또한 증압기 자체를 교체하거나[14] 재생 회로를 도입하는 연구[13]도 있었으나, 기존 설계를 수정하여 효율을 극대화하는 접근 방식은 드물었습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 기존 다이캐스팅 머신의 유압 회로에 세 가지 수정을 가하여 기계 효율을 높이고, 이를 통해 부품의 불량률을 줄이는 것입니다. 특히 비용 제약을 고려하여 기존 설계를 수정하는 효율적인 방법을 찾는 데 중점을 두었습니다.

Core study:

연구의 핵심은 높은 불량률을 보이는 알루미늄 다이캐스팅 머신의 기본 유압 설계에 세 가지 수정을 가하는 것입니다. (i) 질소 보틀 추가, (ii) 증압기 출력부의 유로 직경 축소(실제로는 변경), (iii) 증압기 출력의 재생. 첫 번째 수정은 압력 증가, 두 번째는 속도 증가, 세 번째는 압력과 속도 모두의 최적 증가를 목표로 했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

이 연구는 특정 다이캐스팅 머신(120톤 체결력)을 대상으로 한 사례 연구입니다. 3개월간의 생산 및 불량 데이터를 기반으로 문제점을 분석하고, 세 가지 설계 수정안을 순차적으로 적용한 후 다시 3개월간의 데이터를 수집하여 각 수정안의 효과를 비교 분석했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

데이터는 실제 생산 라인에서 수집된 생산량 및 불량품 수량을 기반으로 합니다. 유압 회로의 수정 및 성능 예측에는 'Automation Studio'라는 분석 소프트웨어가 사용되었으며, 시뮬레이션 결과를 실제 공정에 적용하여 검증했습니다.

Research Topics and Scope:

연구는 고압 알루미늄 다이캐스팅 머신의 유압 회로 재설계에 초점을 맞춥니다. 범위는 질소 보틀 추가, 증압기 유로 설계 변경, 재생 회로 도입이라는 세 가지 구체적인 기술적 수정을 통해 압력과 속도를 개선하고, 이것이 최종 제품의 품질(불량률)에 미치는 영향을 분석하는 것으로 한정됩니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 초기 상태: 기계 효율 88%, 평균 부품 불량률 11-13%.
• 1차 수정 (질소 보틀 추가): 압력 증가. 기계 효율 92%로 향상, 불량률 7-9%로 감소.
• 2차 수정 (증압기 유로 직경 변경): 속도 증가. 기계 효율 94%로 향상, 불량률 5-7%로 감소.
• 3차 수정 (재생 회로 도입): 압력 및 속도 최적화. 기계 효율 98%로 향상, 불량률 0-3%로 감소.

Figure Name List:

• Fig. 1. Modified Circuit Diagram-Addition of N.B.
• Fig. 2. Design-Nitrogen Bottle.
• Fig. 3(a). System without the Addition of N.B.
• Fig. 3(b). System with the Addition of N.B.
• Fig. 4(a). Model with Same Passage Diameter.
• Fig. 4(b). 16-16-16 mm Intensifier Design.
• Fig. 5(a). 16-16-16 mm- Pressure Graphs.
• Fig. 5(b). 16-30-16 mm Pressure Graphs.
• Fig. 6(a). 16-30-16 mm Intensifier Design.
• Fig. 6(b). Model with Increased Passage Diameter.
• Fig. 7. Hydraulic Circuit of High Pressure Aluminum Pressure Die Casting Machine.
• Fig. 8(a). Intensification Unit without Regenerative Circuit.
• Fig. 8(b). Intensification Unit with Regenerative Circuit.

7. Conclusion:

초기 기계 효율은 88%였고 이는 11-13%의 불량률로 이어졌습니다. 시스템 개선을 위해 3가지 설계 수정이 수행되었습니다. 첫 번째 수정인 질소 보틀 추가는 시스템 효율을 92%로 개선하여 불량률을 7-9%로 낮췄습니다. 두 번째 수정인 증압기 출력 유로 직경 변경은 시스템 효율을 94%로 개선하여 불량률을 5-7%로 낮췄습니다. 세 번째 수정인 재생 회로 추가는 시스템 효율을 98%로 개선하여 불량률을 0-3%로 낮췄습니다. 종합적으로, 수행된 설계 수정은 알루미늄 고압 다이캐스팅 머신에서 고품질 부품을 달성하는 데 성공적이었습니다.

8. References:

• [List the references exactly as cited in the paper, Do not translate, Do not omit parts of sentences.]
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 새로운 증압기나 어큐뮬레이터를 구매하는 대신 기존 설계를 3단계로 수정하는 방식을 택했나요?

A1: 논문에서는 "비용 제약은 상업적으로 고려해야 할 중요한 측면"이라고 언급합니다. 이는 고가의 신규 부품을 도입하는 것보다 기존 설계를 수정하는 것이 비용 효율적인 접근 방식이었음을 시사합니다. 이 연구는 최소한의 투자로 최대의 효율을 얻는 실용적인 R&D의 좋은 사례를 보여줍니다.

Q2: 두 번째 수정에서 증압기 유로 직경을 16-30-16mm로 변경한 구체적인 이유는 무엇인가요?

A2: 이 설계는 유로의 첫 부분에서 유량을 28% 증가시켜 용탕의 주입 속도를 극대화하기 위함입니다. Figure 5(b)에서 볼 수 있듯이, 속도가 빨라지면 용탕이 금형 캐비티에 도달하기 전에 부분적으로 응고되어 발생하는 블로우 홀 같은 결함을 방지할 수 있습니다. 즉, 용탕이 금형 전체에 완전히 충전된 후에만 응고가 시작되도록 유도하는 핵심적인 설계 변경이었습니다.

Q3: 재생 회로가 구체적으로 압력을 어떻게, 그리고 얼마나 오랫동안 향상시켰나요?

A3: 수정된 회로에서는 솔레노이드 5가 작동하여 증압기 유닛 내에서 유체의 재생을 시작하고 압력을 축적합니다. 이 압력은 3단계에서 플런저로 전달되어 최종 주입 압력을 높입니다. Figure 8(b)에 따르면, 이 방식을 통해 증강된 압력(약 320 bar)이 기존 0.6-0.8초에서 1.2-1.6초로 거의 두 배 더 오래 유지되었습니다. 이 '더 높고 더 긴' 압력이 최종 품질을 결정지었습니다.

Q4: 이 연구에서 사용된 시뮬레이션 소프트웨어의 역할은 무엇이었습니까?

A4: 논문에 따르면 "Automation studio 분석 소프트웨어가 기존 유압 회로의 수정을 수행하는 데 사용되었다"고 명시되어 있습니다. 이 소프트웨어는 실제 기계에 수정안을 적용하기 전에 효율성 개선을 시각적으로 확인하고 검증하는 역할을 했습니다. 이는 시행착오를 줄이고, 직접적인 실행이 어려울 수 있는 복잡한 수정을 사전에 시뮬레이션하여 성공 가능성을 높이는 데 기여했습니다.

Q5: 초기 불량의 주요 원인들은 무엇이었습니까?

A5: 논문의 3.1절에서는 초기 불량의 원인을 세 가지로 설명합니다. 첫째, '블로우 홀'은 용탕의 조기 응고로 인해 발생했습니다. 둘째, '산화물 형성'은 부적절한 응고 과정에서 발생했습니다. 셋째, '버'는 불균일한 금형 체결력이나 부정확한 용탕 온도로 인해 발생했습니다. 이 모든 문제들은 결국 압력과 속도의 불안정한 제어와 관련이 있었습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 고압 다이캐스팅 품질 개선이 반드시 값비싼 장비 교체를 통해서만 이루어지는 것이 아님을 명확히 보여줍니다. 기존 유압 회로에 대한 체계적인 분석과 3단계의 점진적 재설계를 통해 기계 효율을 88%에서 98%로 끌어올리고, 13%에 달하던 불량률을 거의 '제로'에 가깝게 만든 과정은 모든 HPDC 전문가에게 깊은 통찰을 제공합니다. 압력, 속도, 그리고 이 둘의 지속 시간을 최적화하는 것이 복잡한 형상의 고품질 부품을 생산하는 핵심 열쇠입니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 보고서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 문의하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오."

Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper "REDESIGN OF HYDRAULIC CIRCUIT TO IMPROVE QUALITY IN HIGH PRESSURE ALUMINUM DIE CASTING MACHINE" by "K. NAGASUBRAMANIAM, P. CHANDRAMOHAN".
• Source: Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 9, No. 5 (2014) 605-619

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