자동차주조품의통합설계
자동차의에너지절약및 환경보호와생산비용절감에대한요구가증가함에따라스탬핑, 용접, 단조및 주조로형성된여러부품의합리적인설계와구조최적화를통해주조의장점을최대한활용하여통합부품주조를실현할것입니다. 성형은부품의무게를효과적으로줄이고불필요한가공공정을줄임으로써경량화및 고성능부품을구현할수 있습니다.
일반적인주조모놀리식액슬하우징의주요형태는이음매없는강관을액슬하우징의양쪽끝에하프액슬슬리브로압착하고핀으로고정하여액슬하우징어셈블리를형성하는것입니다. 액슬하우징의강도와강성을더욱향상시키고공정을단순화하기위해 FAW 그룹은액슬슬리브(그림 1의액슬하우징양쪽부품)를액슬하우징에직접주조하는일체형액슬하우징을개발했습니다. 가공이어렵고비용절감이더 많으며액슬하우징구조가단순하고액슬하우징강성이더 좋으며복잡하고이상적인모양으로만들수 있으며벽 두께를변경할수 있으며이상적인응력분포를얻을수 있으며강도와강성이모두크고안정적으로작업할 수있습니다. 액슬슬리브의통합으로인해주물의크기가크게증가합니다. 주물의길이는 2,258mm이고단일조각무게는 200kg을초과합니다. 이통합주물의특성을고려하여회사는생산을보장하기위해전용생산라인을구축했습니다.
자동차주물의통합개발추세는비철합금주물의개발에서더욱분명합니다. 복잡한구조의주물을생산할수 있는주조공정의특성을최대한활용하기위해도어내부패널, 시트프레임, 계기판프레임, 프런트엔드프레임및 방화벽과같은고압주물의통합설계가등장했습니다. 치수는현재생산되는것보다훨씬더 큽니다. 주물의경우 4,000~5,000톤이상의다이캐스팅기계가생산에필요합니다.
자동차주물경량화
자동차의강도와안전을보장한다는전제하에자동차의연석무게를최대한줄여경량화를달성하여자동차의동력을향상시키고연료소비를줄이며배기오염을줄입니다. 차량공차중량이 100kg 감소할때마다 100km당연료소비량은 0. 3~0. 6L 감소할수 있으며, 차량중량이 10% 감소하면연비는 6~8% 증가합니다. 환경보호와에너지절약의필요성으로인해자동차의경량화는세계자동차개발의추세가되었으며자동차주물의경량화도자동차주물의중요한개발방향중 하나가되었습니다.
자동차주물의경량화설계
주물의전반적인안전계수가필요하기때문에자동차주물의주요설계방법중 하나는동일두께설계입니다. 그러나동일두께설계의가장큰 단점은구조적성능을충분히활용할수 없고주물의무게가증가한다는것입니다. CAE 분석, 토폴로지최적화및 기타방법을사용하여부품의설계를최적화하여부품의부품의응력값이가깝게, 즉각 부품의벽 두께가일정하지않고힘이작은부품을얇게하거나불필요한부품을줄이도록합니다. 주조성형은복잡한구조주조의성형을실현할수 있다는점을고려할때 다양한불규칙한모양의단면을실현할수 있습니다. 설계시 CAE 또는토폴로지최적화를사용하여부품에대한응력분석을수행합니다. 힘분포에따라부품의모양과특정부품의재료두께를결정합니다. 주물을보강하고구멍을파고두꺼워지면부품의무게를크게줄일수 있습니다.
경합금자동차주물
알루미늄과마그네슘과같은경합금소재의사용은현재여러국가의자동차제조업체가채택한주요경량화수단입니다. 알루미늄의밀도는강철의 1/3에불과하며내식성과연성이우수합니다. 마그네슘은밀도가알루미늄의 2/3에불과할정도로낮고고압주조조건에서유동성이뛰어납니다. 알루미늄과마그네슘의비강도(질량대비강도비율)가상당히높아차체중량을줄이고연비를개선하는데 결정적인역할을합니다. 지난 2년간미국자동차산업의경쟁력이높아진것은알루미늄-마그네슘구조주조및 일체형주조의대규모채택과밀접한관련이있습니다.
독일 BMW가출시한 신형 5 시리즈에는최신세대의마그네슘-알루미늄복합직렬 6 기통엔진블록이장착되어이전세대에비해무게가 10kg 감소하여성능과연비가크게향상되었습니다. 하지만알루미늄과마그네슘과같은경합금의원자재가격이철강소재에비해훨씬높아자동차산업에서폭넓게적용하기에는한계가있다는점에유의해야합니다. 그러나상대적으로높은원자재가격에도불구하고현재자전거용마그네슘및 알루미늄주물의소비량은해마다증가하고있습니다. 한편으로는기술발전이비용증가를보완했습니다. 반면에시장경쟁으로인해자동차제조업체는이익을줄이고더 많은경합금을채택해야했습니다. 그러나경합금의양을크게늘리고마그네슘과알루미늄잉곳의구매가격을낮추기위해서는첨단성형기술의개발이핵심중 하나입니다.
자동차주조소재의고성능
부품의단위중량이더 높은하중을견딜수 있도록소재의성능을향상시키는것은주물의무게를효과적으로줄이는방법중 하나입니다. 브래킷형구조주물은자동차주물에서큰 비중을차지하기때문에주물개발이주목의대상이되고있습니다. 열처리및 기타조치를통해재료의미세구조를변경하여부품의강도, 강성또는인성을개선하여부품의무게를효과적으로줄일수 있습니다.
오스템퍼드연성철은일반주강소재보다강도가높을뿐만아니라밀도도강철보다낮습니다. 밀도는 7. 1 g / cm3 인반면주강의밀도는 7. 8 g / cm3으로최근널리권장되는소재입니다. . 같은크기의주물에서강철주물보다 10% 가벼운오스템퍼드연성철을채택했습니다. 동풍자동차는특정유형의상용차에대해강철주물대신오스테퍼드연성주철을사용하여경량화검증작업을수행했습니다. 오스테퍼드연성철 부품의고강도특성을고려하여전문가포럼에서 14개의서스펜션부품을재설계했습니다. 일반적으로자동차주물의소재교체는부품의경량화설계를수반하는경우가많습니다.
알루미늄합금및 마그네슘합금주조에는고강도및 고인성소재가대신사용됩니다. 원래의경합금경량화를기반으로고성능소재를사용하여무게를더욱줄입니다. 미국제너럴모터스는대신고성능 AE44 합금을사용합니다. 원래알루미늄합금은고압주조를사용하여서브프레임을생산하여알루미늄합금의무게를 6kg 더줄였습니다.
자동차주조개발의디지털화
자동차주조개발과디지털기술의포괄적인결합은주조기술수준을크게향상시키고제품설계및 시험생산주기를단축할수 있습니다. 현재디지털제조기술은자동차주조개발에널리사용되고있습니다. 주조구조설계및 주조공정설계단계에서는 Pro/E, CATIA, UG와같은 3D 설계소프트웨어가널리사용되고있으며일부고급주조회사는종이없는설계를실현했습니다. 자동차주조의응고공정, 미세구조, 성분분리및 재료특성을시뮬레이션하기위해 MAGMA, ProCAST 및 Huazhu CAE와같은소프트웨어가널리사용되었습니다. 또한주조공정에서속도필드, 농도필드, 온도필드및 위상을분석할수 있습니다. 필드, 응력필드등의시뮬레이션도가능합니다. 을시뮬레이션하여대량생산전에공정계획을최적화할수 있습니다.
자동차주조의신속한개발요구를충족시키기위해 CAD/CAE의설계및 개발을기반으로 RP(신속한프로토타이핑기술)는자동차주조의신속한시험생산에널리사용되어왔습니다. 원본 CAD/CAE 데이터를얻은후 레이어별방법을채택하여주물의프로토타입또는주물을형성하는데 필요한금형의프로토타입을본딩, 소결또는소결하여얻습니다. 전자는매몰주조, 석고주조및 기타방법으로주조샘플을시험생산할수 있으며, 후자는모래코어를제조하는금형으로직접사용할수 있으며코어조립모델링을통해주물을부을수 있습니다. 또한분말레이저소결방법 (SLS)을사용하여샌드코어및 샌드몰드생산을직접완료하여주물시험생산에필요한샌드몰드를얻을수 있습니다. 비교적간단한구조의외부금형의경우 CNC 공작기계를사용하여가공가능한플라스틱으로 CAM을가공하여주물시험생산에필요한코어박스와패턴을얻거나샌드블록을직접가공하여외부금형의샌드몰드를직접얻을수도있습니다.
일반적으로디지털기술은주조설계, 개발및 시험생산의모든측면에침투하여주조개발의속도와효율성을효과적으로향상시켰습니다. 현재가장큰 문제는설계, 분석및 신속한제조의디지털기술이서로독립적이라는것입니다. 개발프로세스가한 단계에서다른단계로전환될때 상당히지루한데이터변환작업도필요합니다. 향후에는주조개발의모든측면에적용되는디지털기술을위한통합데이터인터페이스플랫폼을개발하고표준화된데이터변환표준을확립하여서로다른소프트웨어간의원활한데이터변환을달성함으로써주조개발속도를더욱높일수 있기를기대합니다.
얇은벽의복합구조주물생산기술
자동차산업의발전과에너지절약및 배기가스저감에대한요구로자동차부품은점점더 가벼워지고있습니다. 얇은벽 설계를통한경량화는엔진블록의중요한개발방향입니다. FAW-폭스바겐의주철실린더블록을생산하는 FAW 주조를예로들어보겠습니다. 초기에생산된 06A 실린더블록의벽 두께는 4. 5mm ± 1. 5mm이고 EA111 실린더블록의벽 두께는 4mm ± 1mm입니다. 현재대량생산되는 EA888Evo2 실린더블록의벽 두께는 4mm ± 1mm입니다. 3. 5mm ± 0. 8mm, 차세대 EA888Gen. 3 실린더블록제품구조는더 복잡하고벽 두께는 3mm ± 0. 5mm에불과하며현재가장얇은회주철실린더블록입니다. 대량생산에서코어파손, 부동코어및 큰벽 두께변동에문제가있지만모래코어의품질을제어하고모래를성형함으로써널리사용되는수평타설공정은여전히 EA888Evo2 실린더의생산요구사항을충족할 수있습니다. 그러나 EA888Gen. 3 실린더블록의생산요구사항을충족할수 없으므로전체코어어셈블리수직주조공정을채택해야합니다.
대형알루미늄-마그네슘합금구조부품제조기술
에너지절약, 환경보호및 부품비용절감에대한요구사항이증가함에따라알루미늄-마그네슘합금대형구조주조는중요한개발추세가되었으며제조기술도현재개발초점이되었습니다. 현재대규모알루미늄-마그네슘합금구조부품의주요생산기술에는고압주조, 스퀴즈주조및 저압주조가포함됩니다. 고압주조의높은생산효율과우수한제품품질로인해현재주요생산공정이되었습니다. 제조기술의개발은주로고압주조공정에서가스가쉽게유입되고주물내부에기공이형성되어열처리문제를개선할 수없는것에초점을맞추고있습니다.
독일 Fulai 회사는진공음압흡입주조공정을개발했으며전체다이캐스팅공정은고진공 (30mbar 미만) 하에서수행됩니다. 용융금속은진공상태에서금형, 압력챔버및 흡입관을통과하여산화되지않고흡입관에의해용광로에서흡입되며이형제의증기도진공시스템에의해배출됩니다. 위에서언급한 진공음압흡입주조공정의주요특징은정량주입이시작되면전체시스템이고진공상태가되고, 정량주입공정에서캐비티의가스와용융금속을효과적으로배출할 수있으며, 주입공정중에금속용융물의산화가없으며, 주입공정중에열 손실이없으며, 낮은주입온도를주입에사용할수 있으며실시간모니터링하에비 방해층류충전을수행할 수있다는점입니다. 위의공정은자동차전문가포럼의자동차구조주물대량생산에성공적으로적용되어고품질경합금주물의적용을위한고급성형방법및 공정을제공합니다.
스위스기업 Buhler는구조용주물생산을위한이중회로진공시스템을개발했습니다. 이생산기술을구조생산기술이라고합니다. 구조적생산기술을사용하면진공청소속도를높여안정적인생산조건을확보하고다이캐스팅품질을크게향상시킬수 있습니다. 그림 5와같이이중회로진공시스템에서한 회로의공기추출포트는압력챔버의상단에배치되며주로압력챔버의공기를추출하는데 사용됩니다. 주입플런저가앞으로이동하여주입포트를밀봉할때 시작되고플런저가흡입포트를밀봉하려고할 때닫힙니다. 다른회로설정은기존진공공정과동일하며주로캐비티에서공기를추출하는데 사용됩니다. 현재이기술은알루미늄합금일체형충격흡수타워, 도어내부패널및 승용차의차체레일제조에성공적으로적용되었습니다.
주물을위한정밀주조성형기술
일반적으로자동차주물의정밀주조라고하는것은주로로스트폼 및인베스트먼트주조기술을말합니다. 자동차주조성형기술의발전과함께주조정밀성형은주조성형방법의한 유형을말합니다. 이러한유형의성형방법으로생산된 주물은절단없이직접사용할수 있거나절단이적습니다. 주물의치수정확도에대한요구사항이증가함에따라정밀주조기술은최근몇 년동안빠르게발전했으며정밀모래주조, 손실폼 주조, 제어압력주조및 압력주조와같은일련의새로운주조방법이등장했습니다. 코스워스주조법은지르코늄모래코어조립과전자기펌프를사용하여주입을제어하는영국에서개발한방법입니다. 알루미늄합금실린더블록의대량생산에성공적으로사용되었으며펌프주입과같은전자기공정대신저압주입을사용하는등 많은공정변형이등장했습니다. 이유형의주조방법은현재정밀모래주조의대표적인공정인 3. 5 ~ 4. 0mm의벽 두께를가진알루미늄합금실린더를생산할수 있습니다.
로스트폼 주조공정은 1965 년에발명되었으며생산되는주요자동차주물은실린더블록, 실린더헤드, 흡기및 배기파이프및 기타제품이며대규모생산을형성했습니다. 1990 년대 20 세기에손실폼 주조기술이도입된 이래우리나라는형태를갖추기시작했으며전통적인파운드리산업을변화시키기위해가장널리사용되는첨단신기술로국가에의해추진되었습니다. 현재우리나라에는규산나트륨쉘, 복합쉘 및실리카졸 쉘의세 가지투자정밀주조공정이있습니다. 그중자동차제품용 실리카졸 쉘생산에사용되는주조의표면품질은 Ra 1. 6 μm에도달할 수있으며치수정확도는 CT4에도달할 수있습니다. 등급, 최소벽 두께는 0. 5 ~ 1. 5mm가될 수있습니다. 동풍모터정밀주조유한회사는실리카졸 + 물유리복합쉘 제조공정을채택하여복잡한구조의일체형주물을생산하여생산비용을크게절감합니다. 투자주조기술성형공정의개발추세는주물이최종제품에점점더 가까워지고제품의복잡성과품질이점점더 높아지고있다는것입니다. CAD, CAM 및 CAE의적용은제품개발의주요기술이되었으며전문적인협력이나타나기시작했습니다.
진공주조, 산소충전다이캐스팅, 반고체금속유변학또는요변성다이캐스팅및 고압주조공정을기반으로개발된 기타공정방법은주조결함을제거하고내부품질을개선하며다이캐스팅의적용범위를확장하도록설계되었습니다. 스퀴즈주조공정동안용융물은압력하에서채워지고응고되어부드러움, 금속튀김없음, 금속액체산화손실감소, 에너지절약, 안전한작동및 주조구멍및 기타결함감소의장점이있습니다. 알루미늄합금서브프레임등에사용됩니다. 고성능알루미늄합금주물의개발및 적용이널리사용되었습니다.
자동차생산량의지속적인증가는고품질, 우수한성능, 그물에가까운형상, 다양한품종, 저소비및 저비용의방향으로주조생산의발전을시급히요구합니다. 완성차부품의약 15~20%가주조품이기때문입니다. 이를위해주조산업은다양한신기술과신소재를지속적으로적용하여주조의전반적인수준을향상시켜야합니다. 주물의정밀주조성형기술은위에서언급한 자동차주물의요구사항을충족할 수있으며, 그적용은자동차주물의다양한주조생산공정에도적용됩니다.
Conclusion
갈수록엄격해지는환경보호규제에대응하기위해자동차는경량화방향으로발전하고있습니다. 차량중량이 10% 감소할때마다연료소비는 5. 5%, 연비는 3~5% 증가하며배기가스는약 10% 감소할수 있습니다. 알루미늄-마그네슘및 기타비철합금주물의적용, 대규모복합구조통합주물의개발및 주조정밀성형기술의광범위한적용은경량자동차주물을달성하는주요방법입니다. 따라서현대자동차산업의요구를충족시키기위해디지털기술의광범위한사용을기반으로고성능주조재료와자동화장비의광범위한적용을통해자동차주조의연구개발및 생산을실현해야합니다.
