KR100666781B1

KR100666781B1 - 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어방법

Info

Publication number: KR100666781B1
Application number: KR1020050074739A
Authority: KR
Inventors: 김석준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-01-09

Abstract

본 발명은 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 관한 것으로서, 알루미늄이나 마그네슘 합금 등의 고압 다이캐스팅 주조 공정시에 슬리브 내의 용탕을 압입하는 플런저의 이동을 공기혼입을 최소화할 수 있는 최적 조건으로 제어함으로써, 제품의 불량율 감소와 수익성 향상, 제품의 품질 향상을 달성할 수 있는 고압 다이캐스팅 저속사출 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

특히, 본 발명은 플런저 이동을 등속 제어, 등가속 제어, 가변가속 제어, 초기 등가속 후 가변가속 제어함에 있어서 각 제어 패턴별로 공기혼입을 최소화할 수 있는 최적 제어 조건을 제공하고자 한 것이다.

고압, 주조, 다이캐스팅, 슬리브, 플런저, 이동 제어, 임계속도, 공기혼입, 산화물

Description

고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법{Control method of slow shot speed for preventing air entrapment during high pressure die casting}

도 1은 일반적인 저온 챔버(cold chamber) 다이캐스팅 주조기의 개략도,

도 2는 슬리브 내부에서의 용탕 유동 양상을 플런저 이동속도에 따라 나타낸 개략도,

도 3은 다이캐스팅 제품의 결함 예를 보여주는 사진,

도 4는 본 발명에서 최적 플런저 이동 제어 기준을 도출하기 위하여 수 모델 시험 평가에 사용된 장치의 개략도,

도 5는 본 발명에서 플런저 이동 제어 방식을 패턴별로 나타낸 개략도,

도 6은 본 발명에서 최적 플런저 이동 제어 기준을 도출하기 위한 등속 제어 시험 결과를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에서 최적 플런저 이동 제어 기준을 도출하기 위한 등가속 제어 시험 결과를 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에서 최적 플런저 이동 제어 기준을 도출하기 위한 가변가속 제어 시험 결과를 나타낸 도면,

도 9는 본 발명에서 최적 플런저 이동 제어 기준을 도출하기 위한 초기 등가속 후 가변가속 제어 시험 결과를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 프레임 21 : 탱크

23 : 슬리브 27 : 플런저

31 : 제어부 32 : 서보모터

33 : 선형이송기구 34 : 스크류축

35 : 선형이송체

본 발명은 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄이나 마그네슘 합금 등의 고압 다이캐스팅 주조 공정시에 슬리브 내의 용탕을 압입하는 플런저의 이동을 공기혼입을 최소화할 수 있는 최적 조건으로 제어함으로써, 제품의 불량율 감소와 수익성 향상, 제품의 품질 향상을 달성할 수 있는 고압 다이캐스팅 저속사출 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 다이캐스팅 주조는 유압으로 작동하는 실린더를 이용하여 플런저를 용융금속(용탕)이 주입된 금형 내에서 고속, 고압으로 압입하여 주조하는 방법이다.

이러한 다이캐스팅 주조는 생산성이 높을 뿐만 아니라 후처리에 의한 기계 가공이 거의 없기 때문에 자동차의 트랜스밋션 하우징 등과 같은 하우징이나 케이스 류의 제품을 생산하는데 많이 사용되고 있다.

한편, 고압 다이캐스팅 제품에서 발생하는 불량은 다양한 원인에 의해 나타나며, 각각의 대응방안을 가지고 있다.

그 중에서 산화물 혼입은 제품을 취약하게 만들 뿐만 아니라 기밀성을 해치기 때문에 수축 결함과 더불어 고압 다이캐스팅 제품의 대표적인 불량 중 하나라 할 수 있다.

이를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 저온 챔버(cold chamber) 다이캐스팅 주조기의 개략도로서, 산화물 혼입의 원인을 살펴보면, 알루미늄 합금 용탕을 금형 안으로 사출하여 충전시킬 때 금형 내부에 있는 공기와 반응하여 발생하는 경우도 있지만, 금형 충전시간이 매우 짧기 때문에, 대부분의 산화물은 슬리브(sleeve)에서의 용탕 거동시 발생되어 유입된다고 볼 수 있다.

이처럼 슬리브 내의 산화물은 용탕이 공기와 접촉하게 되어 생성되며, 보온로에서 슬리브로의 급탕시와 충전 시작까지의 지연시간 도중에도 생성된다.

그 중에서도 가장 큰 영향을 주는 인자는 저속사출시 발생하는 슬리브 내에서의 용탕 거동 양상이며, 슬리브 용탕의 거동은 플런저의 이동속도에 의해 매우 큰 차이를 보이게 된다.

도 2는 슬리브 내부에서의 용탕 유동 양상을 플런저 팁 속도에 따라 나타낸 개략도이다.

슬리브 내부에서의 용탕 거동은 플런저의 움직임에 의해 영향을 받는다.

여기서, 플런저 속도에 대한 특성치를 임계속도로 정의할 수 있는데, 임계속도란 슬리브 내 용탕 거동이 용탕의 말림(roll over) 현상 없이 슬리브 윗면에 도달하는 속도로 정의할 수 있다.

도 2에서 좌측의 (a)도면은 플런저의 이동속도가 임계속도 미만의 경우에서 용탕 거동이 런너 게이트를 막게 되어 제품 내로 공기가 혼입되는 양상을 나타내며, (b)도면은 임계속도를 초과하는 경우 용탕의 말림에 의해 공기가 혼입되어 제품 내로 혼입되는 양상을 나타내고 있다.

(c)도면은 플런저 이동속도가 임계속도인 경우를 나타낸 것으로서, 플런저의 이동속도가 최적화된 상태를 보여주고 있으며, 용탕 중의 공기혼입 없이 금형 내부로 슬리브 내부의 공기를 배출해가며 충전되는 양상을 나타내고 있다.

도 3은 플런저 이동속도를 임계속도 미만의 조건으로 충전하는 도중에 플런저를 정지시켜 용탕 내부의 공기 갇힘 현상을 파악한 실험 사례의 결과를 보여주는 사진으로서, 슬리브 내부의 공기가 제품 내부로 유입되는 양상을 잘 나타내고 있다.

이와 같이 고압 다이캐스팅 공법에서 실린더 내의 용탕을 압입하여 금형 내로 주입하는 플런저의 이동속도는 제품의 품질을 결정하는 중요한 요소가 된다.

그러나, 종래의 고압 다이캐스팅 공법에서는, 제품 내 공기혼입을 방지하는 플런저 이동 제어에 대한 연구가 미흡하였고, 또한 주조 품질 향상을 위한 최적의 이동 제어 기준이 마련되어 있지 않았기 때문에, 제품 내 공기혼입에 의한 불량률이 높은 것이 문제로 지적되어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 플런저 이동속도의 임계값 미만과 초과 조건에서 제품 내의 공기혼입에 의한 불량 발생 및 주조 품질의 악화를 방지하기 위하여, 저속사출시 플런저 이동 제어에 따른 용탕 유동패턴의 상관관계를 규명하고, 공기혼입 수준을 데이터화 하여 정량화 규명함으로써, 최소 공기혼입 조건 도출을 위한 최적의 플런저 이동 제어 기준을 설정하는 것을 목적으로 한다. 이로써 최종적으로는 알루미늄이나 마그네슘과 같은 주조 제품의 고압 주조 다이캐스팅시에 최적의 저속속도 공정조건을 도출해내는 것이 가능해진다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 있어서, 고압 다이캐스팅 저속사출시에 플런저 이동속도를 500mm/sec의 속도로 등속 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 있어서, 플런저 이동 가속도를 600mm/sec²로 유지하여 등가속 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 있어서, 플런저 이동속도 v(mm/sec)를 수식1 [v=216.695×t²]에 의해 가변가속 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 있어서, 플런저 이동속도 v(mm/sec)를 초기 300mm/sec²로 등가속 후 가변가속하는 수식2 [v=194.823×t²+300×t]에 의해 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 방법에 관한 것으로서, 플런저 이동속도의 임계값 미만과 초과 조건에서 제품 내의 공기혼입에 의한 불량 발생 및 주조 품질의 악화를 방지하기 위하여, 저속사출시 플런저 이동 제어에 따른 용탕 유동패턴의 상관관계를 규명하고, 공기혼입 수준을 데이터화 하여 정량화 규명함으로써, 최소 공기혼입 조건 도출을 위한 최적의 플런저 이동 제어 기준을 제시하고, 이를 통해 알루미늄이나 마그네슘과 같은 주조 제품의 고압 주조 다이캐스팅시에 최적의 저속속도 공정조건을 제공하고자 한 것이다.

우선, 슬리브 내 용탕 유동 양상을 제어하기 위한 최적 조건을 도출하기 위 하여 수 모델 시험 및 주조 시뮬레이션 방법을 사용하였으며, 수 모델 시험 평가에 사용된 장치의 개략도를 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하면, 탱크(21)에 저장된 용탕이 용탕주입통로(22)를 통해 슬리브(23)의 용탕주입구(24)로 주입되도록 되어 있으며, 주입된 용탕은 슬리브 내 플런저실(24)에 채워진 후 전방 이동하는 플런저(피스톤)(27)에 의해 압입되어 슬리브(23) 전단의 사출구(25)를 통해 금형 내로 사출되게 된다.

상기 플런저(27)는 정/역 회전이 가능하면서 제어부(31)에 의해 그 회전속도가 등속, 등가속, 가변가속 등으로 다양하게 제어될 수 있는 서보모터(32)의 회전력을 전달받아 전후진하도록 되어 있는 바, 전진시에 플런저실(24) 내의 용탕을 압입하여 사출이 이루어지도록 한다.

상기 플런저(27)는 서보모터(32)의 회전축과의 사이에 연결 구성되는 선형이송기구(33)를 통해 서보모터(32)의 회전력을 전달받으며, 상기 선형이송기구(33)는 장치의 프레임(10)상에 설치되어 서보모터(32)의 회전력을 선형 이동하는 힘으로 변환하여 플런저(27)에 제공하게 되는데, 서보모터(32)의 회전력을 전달받아 회전하는 스크류축(34)과, 이 스크류축(34)에 물린 상태로 스크류축의 회전에 의해 선형 왕복이송되는 선형이송체(35)를 포함하여 구성된다.

상기 선형이송체(35)에는 플런저(27)가 고정되어, 서보모터(32)의 회전력에 의해 선형이송체(35)와 플런저(27)가 일체로 왕복이송되는 구조로 되어 있다.

이러한 장치에서, 플런저(27)의 동작속도는 서보모터(32)의 제어상태에 관계되는 바, 서보모터(32)의 구동 제어를 담당하는 제어부(31)를 통하여 시험자가 임 의로 조정할 수 있게 되어 있다.

즉, 시험자가 제어부(31)의 프로그램상에 플런저(27)의 이동거리(위치)에 따른 이동속도를 입력하면, 입력된 값에 따라 제어부(31)가 서보모터(32)의 구동을 제어하여, 결국 시험자가 의도한 바대로 플런저(27)의 동작이 이루어질 수 있게 되는 것이다.

상기 장치에서, 슬리브(23)는 내경(D)이 160mm인 것을 사용하고, 플런저(27)의 전체 스트로크(stroke)는 1300mm로 하며, 플런저(27)의 이동속도가 0 ~ 20m/sec의 범위 내에서 조절 가능하게 구성한다.

상기 장치를 이용해 플런저 이동 제어 방식을 고압 주조 공정에서 실시 가능한 4가지의 제어 패턴을 사용하여 시험을 실시하되, 각 제어 방식별로 플런저 속도조건을 달리하여 시험을 반복함으로써, 해당 제어 방식에서 공기 혼입이 최소화될 수 있으면서 최상의 제품을 주조할 수 있는 최적 플런저 속도조건을 구하였다.

이때, 사용된 다이캐스팅 주조재로는 고압 다이캐스팅 주조재로 널리 사용되고 있는 ADC12를 사용하였으며, 용탕의 온도는 660℃로 하였다.

도 5는 본 발명에서 플런저 이동 제어 방식을 패턴별로 나타낸 개략도로서, 도시된 바와 같이 본 발명에서 제시하는 플런저 이동 제어 방식의 4가지 패턴은 (1)등속 제어, (2)등가속 제어, (3)가변가속 제어, (4)초기 등가속 후 가변가속 제어이며, 이 4가지의 제어 패턴 사용에 대하여 공기혼입 수준을 각각 파악하였다.

또한, 상기 공기혼입 수준을 파악하는 방법으로 각 제어 패턴에 따른 최적의 플런저 이동 제어 조건을 구하였다.

우선, 도 4의 장치를 이용하여, 사출시 플런저의 전체 이동거리를 300mm 이하로 하면서 플런저의 이동속도가 임계속도(734mm/sec)를 초과하는 조건에서는 후술하는 모든 패턴 조건에서 롤 오버 현상과 기포혼입 현상이 발생함을 확인하였다.

반면, 사출시 플런저의 전체 이동거리를 300mm 이하로 하면서 플런저의 이동속도가 임계속도 미만인 조건에서는 롤 오버 현상 및 기포혼입은 억제되나, 도 2a와 같이 용탕이 게이트를 막게 되어 제품 내로 공기가 혼입됨을 시험 결과를 통해 확인하였다.

한편, 도 6은 등속 제어시의 시험 결과를 나타내고 있으며, 도 4의 장치에서 제어부에 플런저의 이동거리(위치)에 따른 이동속도를 입력하여, 플런저가 계속해서 등속도(모든 위치에서 이동속도 동일)로 이동하였을 때 제품 내 공기혼입량을 측정하였다.

도 6에 나타낸 바와 같이 플런저 이동속도를 등속도로 제어하되, 속도를 달리하여 시험한 결과, 저속사출에서 플런저 이동속도가 500mm/sec일 때 공기혼입량이 가장 적은 것으로 나타났다.

결국, 고압 다이캐스팅 공법의 저속사출시에 플런저 이동 제어 방식을 등속 제어 방식으로 함에 있어서 플런저 이동속도를 500mm/sec로 하는 것이 최적의 플런저 이동 제어 조건이라 할 수 있다.

한편, 도 7은 등가속 제어시의 시험 결과를 나타내고 있으며, 도 4의 장치에서 플런저가 계속해서 등가속도로 이동하였을 때 제품 내의 공기혼입량을 측정하였다.

도 7은 등가속도 이동하는 동안 슬리브 내에서의 플런저 이동거리(위치)에 따른 플런저 이동속도를 그래프로 나타내었으며, 가속도별로 시험한 결과를 보여주고 있다.

즉, 플런저 이동을 등가속도로 제어하되, 제어부에 플런저 이동거리(위치)에 따른 이동속도를 도 7의 그래프 형태(등가속도 형태임)와 같이 입력하여, 가속도를 달리하는 여러 등가속도 이동 조건으로 시험하였으며, 그 결과 가속도 a=600mm/sec²일 때 공기혼입량이 가장 적은 것으로 나타났다.

도 7에서 가속도가 600mm/sec²를 초과할 경우 롤 오버에 의한 공기혼입이 발생하였으며, 가속도 600mm/sec² 미만으로 할 경우 런너 게이트가 막혀 공기혼입량이 증가하였다.

결국, 플런저 이동 제어 방식을 등가속 제어 방식으로 함에 있어서는 플런저 이동 가속도를 600mm/sec²로 유지하는 것이 최적의 플런저 이동 제어 조건이라 할 수 있다.

도 8은 가변가속 제어시의 시험 결과를 나타내고 있으며, 도 4의 장치에서 플런저가 가변가속 이동을 하였을 때 제품 내의 공기혼입량을 측정하였다.

도 8은 가변가속 조건을 달리하여 시험한 결과를 나타낸 것으로, 가변가속 이동을 하는 동안 슬리브 내에서의 플런저 이동거리(위치)에 따른 플런저 이동속도를 그래프로 나타내었으며, 여기서 't'는 주입과정 동안의 시간을 나타낸다.

즉, 플런저 이동을 가변가속 조건으로 제어하되, 제어부에 플런저 이동거리(위치)에 따른 이동속도를 도 8의 그래프 형태(가변가속하는 형태임)와 같이 입력하여, 가변가속되는 상태를 달리하는 여러 가변가속 이동 조건으로 시험하였으며, 그 결과 주입과정이 2.08초에 끝나는 가변가속 플런저 이동 조건(하기 '수식1'로 가변가속 제어하여 t=2.08에서 주입 종료)에서 공기혼입량이 가장 적은 것으로 나타났다.

도 8에서, 예컨대, 't=0.81'로 구분 표시된 그래프는 동일한 플런저를 사용하여 0.81초만에 주입과정을 종료하였을 때 플런저 이동거리(위치)에 따른 플런저 이동속도(v)를 나타내는 것이며, 't=2.08'로 구분 표시된 그래프는 동일한 플런저를 사용하여 t=2.08초만에 주입과정을 종료하였을 때(하기 '수식1'로 가변가속 제어함) 플런저 이동거리(위치)에 따른 플런저 속도(v)와 시험 결과인 공기혼입량(5.59E+05)을 나타내는 것이다.

이러한 조건의 그래프와 데이터를 이용하여 최적의 플런저 이동속도(v)와 시간(t)과의 관계를 구한 결과, 플런저 이동속도 v(mm/sec)는 수식1 [v=216.695×t²]으로 나타낼 수 있다.

결국, 플런저 이동 제어 방식을 가변가속 제어 방식으로 함에 있어서는, 플런저 이동속도 v(mm/sec)를 수식1 [v=216.695×t²]에 의해 가변가속하는 것이 최적의 플런저 이동 제어 조건이라 할 수 있다.

한편, 도 9는 초기 등가속 후 가변가속 제어시의 시험 결과를 나타내고 있으 며, 도 4의 장치에서 플런저가 초기 등가속 후 가변가속 이동을 하였을 때 제품 내의 공기혼입량을 측정하였다.

도 9는 플런저의 이동 조건(초기 등가속 후 가변가속 조건)을 달리하여 시험한 결과를 나타낸 것으로, 플런저가 이동하는 동안 슬리브 내에서의 플런저 이동거리(위치)에 따른 플런저 이동속도를 그래프로 나타내었으며, 여기서 'a'는 초기 등가속 동안의 가속도를 나타내고, 't'는 주입과정 동안의 시간을 나타낸다.

즉, 플런저 이동을 초기 등가속 후 가변가속 조건으로 제어하되, 제어부에 플런저 이동거리(위치)에 따른 이동속도를 도 9의 그래프 형태(초기 등가속 후 가변가속하는 형태임)와 같이 입력하여, 등가속시 가속도와 이후 가변가속 상태를 달리하는 여러 이동 조건으로 시험하였으며, 그 결과 초기가속 300mm/sec²에 주입과정이 1.6초에 끝나는 플런저 이동 조건(하기 '수식2'로 가변가속 제어하여 t=1.6에서 주입 종료)에서 공기혼입량이 가장 적은 것으로 나타났다.

이러한 조건의 그래프와 데이터를 이용하여 최적의 플런저 이동속도(v)와 시간(t)과의 관계를 구한 결과, 플런저 이동속도 v(mm/sec)는 수식2 [v=194.823×t²+300×t]로 나타낼 수 있다.

결국, 플런저 이동 제어 방식을 초기 등가속 후 가변가속 제어 방식으로 함에 있어서는 플런저 이동속도 v(mm/sec)를 수식2 [v=194.823×t²+300×t]로 하는 것이 최적의 플런저 이동 제어 조건이라 할 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 저속사출시 플런저 이동 제어에 따른 공 기혼입 수준을 데이터화 하여 정량화 규명함으로써, 최소 공기혼입 조건 도출을 위한 최적의 플런저 이동 제어 기준이 제시되고, 공기혼입 최소화에 따른 고압 다이캐스팅 제품의 불량율 감소와 수익성 향상, 제품의 품질 향상을 기대할 수 있게 된다.

하기 표 1은 앞서 설명한 시험 결과를 요약하여 나타낸 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 방법에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 알루미늄이나 마그네슘 합금 등의 고압 다이캐스팅 주조 공정시에 공기혼입을 최소화하는 최적의 플런저 이동 제어 조건을 제시함으로써, 고압 다이캐스팅 제품의 불량율 감소와 수익성 향상, 제품의 품질 향상을 기대할 수 있게 된다.

2) 공기혼입을 최소화하는 4가지의 플런저 이동 제어 조건을 확립함으로써, 고압주조 설비 특성에 맞는 최적 조건을 선택할 수 있고, 현장에서 최적 조건 설정을 위한 노력을 줄일 수 있다.

Claims

삭제
고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 있어서,

플런저 이동 가속도를 600mm/sec²로 유지하여 등가속 제어하는 것을 특징으로 하는 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법.
고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 있어서,

플런저 이동속도 v(mm/sec)를 수식1 [v=216.695×t²]에 의해 가변가속 제어하되, 여기서 t는 주입과정 동안의 시간인 것을 특징으로 하는 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법.
고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법에 있어서,

플런저 이동속도 v(mm/sec)를 초기 300mm/sec²로 등가속 후 가변가속하는 수식2 [v=194.823×t²+300×t]에 의해 제어하되, 여기서 t는 주입과정 동안의 시간인 것을 특징으로 하는 고압 다이캐스팅시 공기혼입 방지를 위한 저속사출 제어 방법.