Diecasting Design for a Fuel Tank Valve of LPG Automobiles by Fluid Flow Simulation

자동차용 LPG 연료 탱크 밸브의 다이캐스팅 방안의 유동해석

Abstract

In this study, we investigated the casting designs for fuel tank valves for LPG automobiles. The valves we studied have two cavities inside the part. There is inevitable air entrapment inside the cavities. In order to reduce this kind of casting defect, we carried out computer simulations of molten metal flow during the diecasting process of the target products. The main process parameters were the ingate position, product direction, and injection velocity. We also examined the possible use of vacuum diecasting. The position of the air entrapment was almost identical for all the ingate positions and product directions. We found that the change of the injection velocity affects the position of the air entrapment. In case of vacuum diecasting, the position of the air entrapment was similar to the previous cases, but it is expected that the air entrapment will be highly reduced in a real situation due to the vacuumed space.

본 연구에서는 LPG 자동차용 연료탱크 밸브 제조를 위한 주조방안에 대하여 연구하였다. 대상 밸브에는 그 내부에 두 개의 돌기가 존재한다. 돌기 내부에는 기공 결함이 흔히 발생하였다. 이러한 주조 불량을 최소화하기 위하여 대상 제품의 다이캐스팅 과정에서 용탕 흐름에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 공정 매개변수는 인게이트 위치, 제품 방향 및 주입 속도였다. 또한 진공 다이캐스팅의 사용을 고려하였다. 기공 결함의 위치는 모든 인게이트 위치와 제품 방향에 대해 거의 동일했다. 한편 주입 속도의 변화가 공기 포획의 위치에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 진공 다이캐스팅의 경우 기공 결함의 위치는 이전의 경우와 비슷했지만, 실제 상황에서는 진공으로 인해 기포가 많이 줄어들 것으로 예상된다.

1. 서론

자동차용 LPG 연료탱크 밸브는 연료의 과충전을 방지하는 역할을 하는 중요한 부품이다. LPG 연료탱크 밸브에서 과충전 방지장치는 가스 충전량이 용기내 용적의 85% 충전이 이루어지도록 규격이 정해져 있다 [1]. 만약 연료의 과다충전이 되면 외부 및 내부 펌프 구동에 의해 온도가 상승하여 연료가 용기내부에서 팽창하게 되어 용기의 압력상승으로 인한 파열될 가능성이 있다. 이를 방지하기 위한 장치가 봄베의 내부에 액화석유가스가 85%의 이하의 충전이 이루어지도록 하는 과충전 방지밸브가 필요하다. 과충전 방지밸브의 구성은 알루미늄 합금으로 생산된 두 개의 부품으로 나뉘어진다. 부품 중의 하나는 가스 충전의 통로의 역할을 하며, 다른 하나는 플로트 레버와 연결되어 플로트의 움직임을 제어한다. 이러한 동작은 수십만회 이상이 반복되므로, 안정된 강도와 높은 기계적 신뢰성을 요구한다.

이 중에서 본 연구에서 관심을 둔 제품은 플로트의 움직임을 제어하는 후자의 부품으로 Fig. 1(a)에서와 같이 작고 복잡한 형상을 갖는다. 특히 두 개의 돌기에 관심을 둘 필요가 있다. 이 돌기는 이 부품이 개폐할 때 중심축이 통과하는 부분으로, 밸브가 동작할 때 응력이 집중되는 부위이므로 특별히 품질에 주의할 필요가 있다. 이와 같은 제품은, 주괴 상태의 알루미늄 합금을 단조와 열처리, 기계가공을 거쳐 생산할 수 있다. 이러한 공정을 거쳐 생산된 부품은 낮은 결함률과 높은 신뢰성으로 우수한 특성을 나타내지만 제작 단가가 높다는 단점이 있다. 그러므로, 저렴한 비용으로 이 부품을 대량 생산하기 위하여 다이캐스팅 공정을 사용하는 것이 불가피하다. 다이캐스팅으로 생산된 부품 내부에는 일반적으로 편석, 기포 등의 주조결함이 발생한다. 주조 제품에서의 기포는 제품의 신뢰성에 큰 영향을 미친다 [2-4]. 실제로 부품을 생산할 때, Fig. 1(b)에서 보는 바와 같이 두 개의 돌기부분에서 육안으로 확인할 수 있을 만큼 큰 기포가 발견되는 경우가 다수 존재한다. 이 기포는 합금의 응고시 고체와 액체간의 밀도차에 의하여 발생되는 수축공이라기보다는, 용탕이 금형 캐비티에 충진될 때 용탕의 흐름을 적절히 제어하지 못해 발생되는 기포라고 판단된다. 이러한 기포 결함은 불량률의 증가로 생산성에 좋지 않은 영향을 미치게 되므로, 다이 캐스팅 방안에 높은 관심을 두어야 한다.

Fig. 1. (a) Model for the diecasting product in this study, and (b) cross-section of the cast product showing air entrapment defects. Most of the specimens have the defects at the identical position of the cavities.

본 연구에서는 LPG 연료탱크 과충전 방지 밸브 부품의 다이캐스팅 생산 시 발생하는 기공 문제를 해결하기 위하여, 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 용탕흐름해석을 실시하였다. 특히 인게이트와 오버플로우, 주입속도 등 주조방안과 주조공정변수를 여러 가지 방법으로 변경하여 그 영향을 살펴보고, 제품내 기포 결함을 최소화할 수 있는 방법을 탐색하였다. 이를 통하여, 주조방안 변경에 의한 기포 결함 최소화의 한계를 고찰하고, 이 해결책을 제시하고자 한다.

2. 실험 및 모사방법

본 연구에서는 해당 부품 제품의 다이캐스팅시 기공 등의 주조결함이 발생하는 것을 확인하고, 이러한 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 주조방안을 수립하고자 하였다. 주조결함을 제어하는 방법에는 현장 실험에 의한 제어 방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 적용하는 방법이 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 용탕의 유동 및 응고 과정이 시각적으로 구현되므로 주조를 이해하고 자료를 축적하여 데이터를 비교 분석하는 데 용이하다는 장점과 시간 및 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

본 연구에서는 주조공정 중의 용탕흐름과 응고현상을 해석하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 사용된 상용 소프트웨어는 애니캐스팅 (Anycasting 6.3)으로, 주조공정을 쉽고 정확하게 예측할 수 있도록 개발된 제품이다. 애니캐스팅을 이용한 주조해석의 순서는 대략 다음과 같다. 먼저, 제품과 주조방안의 형상을 상용 CAD 소프트웨어를 이용하여 3차원으로 모델링한다. 3차원 모델링 내에서는 실제와 동일하게 제품과 금형이 연결되어 있으며, 용탕이 흐르는 러너와 인게이트, 오버플로우가 모두 적용되어 있다. 이러한 3차원 모델은 수치해석을 위하여 백만 개 이상의 격자로 나눈 후, 각 공정조건과 재료의 물성치를 정하게 된다. 이후 애니캐스팅의 계산 모듈로 넘겨진다.

실제 해당 부품의 재료는 다이캐스팅에서 많이 사용되는 알루미늄 합금 ADC12 [5–7]이며, 계산에 사용한 기본적인 공정변수는 Table 1에, 주입속도는 Table 2에 나타내었다. 한 조건당 주조가 완료되는 시점까지의 계산시간은 6시간 이상이며, 이때 얻어진 결과는 후처리 그래픽 소프트웨어를 통하여 확인하였다.

Table 1. Process parameters used in the simulation of this study.

Table 2. Injection rate for simulation and diecasting used in this study.

3. 결과 및 고찰

3.1 제품 방향의 영향

현재 사용하고 있는 해당 부품의 주조방안은 Fig. 1에 나타내었다. 용탕이 주입되면, 주입부로부터 러너가 두 갈래로 갈라지며, 다시 각 갈래가 두 갈래로 나뉘어, 캐비티로 이어진 게이트로 연결된다. 용탕은 주입부와 러너, 게이트를 지나 캐비티를 가득 채운 후, 캐비티 후면에 연결된 오버플로우로 흘러가면서 용탕 충진이 끝난다. 해당 부품 기준으로 보면, 두 개의 돌기가 있는 방향으로 오버플로우가 존재하며, 그 반대쪽에 인게이트가 설치되어 있다. 제품 캐비티의 배치에 따라 용탕의 흐름이 변화하고, 이에 따라 기공 발생의 영향이 바뀔 수 있으리라 예상하여, 제품의 방향을 180°로 회전시킨 후 다이캐스팅하는 것에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하고, 첫 번째의 경우와 결과를 비교하였다. 이와 같은 제품의 배치는 Fig. 2에 다시 나타내었다.

Fig. 2. Direction of injection for the cavity. (a) Original design and (b) 180°-rotated cavity.

Fig. 3에는 위의 두 경우에 대한 용탕이 진입하는 시간과 애니캐스팅에서 제공하는 기공 예측 결과를 나타내었다. 모든 부분을 용탕이 충진하는 시간은 0.016초로서 두 경우가 유사하며, 캐비티를 제외하면 충진양상도 유사하였다. 두 가지 방법으로 최종 용탕진입 부분과 기공발생 부분은 파란색 원으로 표시하였다. 최종 용탕진입 부분과 기공발생 부분은 대략 일치하였으며, 캐비티의 용탕주입 방향에 대하여 기공은 약간의 위치 차이는 있으나 두 경우 모두 거의 동일한 위치에서 기공이 발생할 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 제품의 방향 전환을 통하여 기공 발생을 억제할 수는 없었다.

Fig. 3. Prediction of void defects by simulated filling sequence and air entrapment sequence. (a) Original design and (b) 180°-rotated cavity.

3.2 인게이트의 형상

Fig. 4는 인게이트B는 돌기 방향 쪽으로 인게이트를 설치하고, 인게이트를 두 갈래로 나누어, 돌기가 있는 부분으로 용탕이 먼저 채워 들어가 기공 발생을 억제하고자 하는 모델이다. 이를 단일 인게이트 모델인 인게이트A와 비교하였다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 인게이트가 두 갈래인 인게이트B의 경우, 돌기 부분에 먼저 용탕이 충진되면서, 기공의 위치가 인게이트 방향으로 이동하였으며, 핀홀 설치 등을 이용하여 기공 결함을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 실제 금형에서는 인게이트 부근에는 금형 분리면 (parting line)이 존재하므로 설계에 주의가 요망된다.

Fig. 4. Two types of ingates used in this study. (a) Ingate A which is the original design and (b) Ingate B where the ingates are separated into two to the cavities.

Fig. 5. Prediction of void defects by simulated filling sequence and air entrapment sequence, in case that ingate B was used.

3.3 주입 속도의 영향

주입속도가 변화할 때 기공 결함의 발생 정도를 살펴보기 위하여 Table 3과 같이 주입속도를 5단계로 변화시켜 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 이때 인게이트는 A형과 B형에 대해서 모두 고려하였다. 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 인게이트의 형상과 주입속도에 따른 기공의 위치는 정량적으로 경향을 얻기는 어려웠다. 주입속도가 기존속도 (최소 0.340 m/sec, 최대 3.0 m/sec)보다 같거나 작은 경우, 인게이트B는 인게이트A에 비하여 기공의 위치가 외곽부분으로 이동하였으며, 주입속도가 큰 경우에는 기공 결함 위치에 약간의 차이가 나타났으나 실제 주조에서는 큰 차이가 없을 것으로 판단된다.

Table 3. List of injection rates for simulation to examine their effect on void defects.

Fig. 6. Change of void defects according to the ingate shape and the injection rate, by simulated filling sequence.

이러한 결과로 미루어 볼 때, 전체적으로 다이캐스팅 공정에서 주입속도를 낮추면, 기공 결함이 감소할 것으로 예상된다. 반면, 주입속도를 낮춘 경우, 생산 사이클 시간이 길어저 생산성이 떨어질 가능성이 있다. 또한 용탕이 충진될 때, 완전 충진이 되기 전에 용탕이 응고해버려 미성형이 발생할 가능성이 존재한다.

3.4 금형 온도의 영향

금형의 예열 온도가 용탕충진에 미치는 영향을 알아보기 위하여 기본 예열온도인 300℃ 이외에 250℃와 350℃로 예열온도를 변경하여 시뮬레이션을 실시하였다. 예열온도에 따른 돌기부분의 기공예측은 Fig. 7에 나타내었다. 각 예열온도에 대한 기공의 위치가 약간 다른 것처럼 보이나, 실제로는 시뮬레이션 상 격자에 따라 달리 결과가 도출된 것으로 판단된다. 그러므로 실제 실험에서는 큰 차이가 없을 것으로 예상된다. 이것은 다이캐스팅 공정시 용탕이 금형 내로 고압 고속으로 주입되면, 주물의 응고가 시작되기 전에 용탕이 금형을 가득 채우기 때문에 용탕의 흐름이 온도의 영향을 받지 않기 때문이다. 금형 예열온도는 공정시 용탕의 흐름에 영향을 미치지 않으나, 용탕충진이 완료된 후의 응고 거동에는 영향을 미칠 수 있을 것이라고 예상된다. 그러나 현재까지의 시뮬레이션 결과를 비추어 볼 때, 응고시 발생되는 수축의 영향에 따른 기공은 그 영향이 매우 작으므로, 전체적인 기공 예측 결과에는 큰 변화가 없으리라고 판단된다.

Fig. 7. Change of void defects according to preheated temperature of the mold, by simulated air entrapment sequence.

3.5 진공 다이캐스팅

지금까지 주조해석을 통하여 고찰한 결과, 주조방안을 변경하여도 기공의 발생위치는 거의 고정되어 있었으므로, 주조방안을 변경하기보다는 진공 다이캐스팅으로서 공정을 다소간 변화시켜보았다. 진공의 정도는 상압에 비하여 1% 수준으로 낮춘 후의 다이캐스팅 공정을 예상하여, 이에 주조해석을 실시하였다. 기본적인 공정변수는 이전 시뮬레이션과 동일하다. Fig. 8에 나타낸 바와 같이 기공 발생 위치 예측에 대해서는 이전 결과와 크게 다른 점이 발견되지 않았으며, 역시 같은 위치에서 기공이 예측되었다. 용탕 충진에 대하여 진공 다이캐스팅은 충진 속도를 빠르게 하고, 유동불량 (misrun)과 같은 주조결함을 방지하는 효과가 있긴 하지만, 본 연구에서 사용된 모델에서는 큰 영향을 주지 않았다. 그러나 시뮬레이션 상의 기공 발생 예측부위에서는, 사실 기공이 대기로 채워져 있는 것이 아니라 거의 진공 상태이므로, 실제 다이캐스팅 공정시에는 기공이 극소화될 수 있다고 예상할 수 있다.

Fig. 8. Void defects by simulated air entrapment sequence, in case of vacuum diecasting.

3.6 설계 변경에 의한 개선 가능성

캐비티 내의 돌기는 용탕이 주로 이동하는 통로에 벗어나 있으므로, 용탕이 유입될 때, 유체가 회전하는 와류가 발생되며, 이에 따라 내부의 대기가 충분히 외부로 빠져나가지 못하고 용탕 내에 갇혀버리게 되어 기공이 발생하는 것으로 판단된다. 만약 돌기가 용탕의 주이동통로 상에 있게 되면 용탕의 와류가 발생하지 않으리라 예상된다. 오버플로우의 위치를 현재 금형의 분리면에서 벗어나 돌기 끝부분에 설치하면, 돌기 내부에서 기공의 발생 위치나 그 크기가 변화될 것이라 예상된다. 또한 제품의 방향을 바꾸어 돌기 쪽에 인게이트를 설치해도 개선된 결과가 예상된다. 그러나 현실적으로 이와 같은 주조방안을 위해서 분리면을 이동하는 등 금형 설계와 제조에 어려움이 따를 것으로 판단된다. 또한 금형 내 냉각 채널 설치를 고려하거나 스퀴즈 캐스팅 등 새로운 주조 방법을 적용하는 것도 해결책으로 제시될 수 있으나, 제조 비용에 대한 고려도 필요하다.

4. 결론

본 과제는 과충전 방지 밸브를 다이캐스팅로 생산하며 발생하는 기공 문제를 해결하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션으로 용탕흐름해석을 실시하였으며 이에 따라 주조방안을 변경할 수 있는지 확인하고자 하였다. 이에 다음과 같은 결론을 얻었다.

주조방안과 관계없이 캐비티 돌기 내부에서 유사한 위치에 기공이 발생하였다. 캐비티 돌기는 용탕이 주로 이동하는 통로에 벗어나 있으므로, 용탕이 유입될 때 유체가 회전하는 와류가 발생하며, 이에 따라 내부의 대기가 충분히 외부로 빠져나가지 못하고 용탕 내에 갇혀버리게 되어 기공이 발생하는 것으로 판단된다.

용탕의 주입속도 변화는 기공을 효과적으로 제거하지는 못했지만, 적절한 조절을 통하여, 기공의 위치를 이동시킬 수 있다고 판단된다.

진공 다이캐스팅 시에도 같은 위치에서 기공이 발생할 가능성이 크지만, 이 기공 내부는 대기가 아닌 진공상태이므로, 기공을 효과적으로 감소시킬 가능성이 있다.

본 부품에서 기공 결함 발생을 최소화하기 위해서는 주조 방안이 매우 복잡해질 수 있으므로, 주조방안의 변경보다는 다이캐스팅 제조가 가능하고 제 역할을 할 수 있는 새로운 설계가 필요하다고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 (주)더블유원의 지원을 받아 수행하였습니다.