인베스트먼트주조의치수정확도를지속적으로개선하고크기초과로인한폐기물을줄이는것은국내외인베스트먼트주조작업자들이항상추구하는주요목표중 하나였습니다.
1. 인베스트먼트주조의치수안정성
1. 왁스모델의치수안정성과그 영향요인
대부분의경우주물의크기가변동하면왁스몰드의크기도크게변동하며, 몇가지예외가있습니다. 전반적으로왁스몰드의크기변동은주물크기변동의 10~70%를차지합니다.
성형공정파라미터는왁스몰드의치수안정성에결정적인영향을미칩니다. 주요요인은다음과같습니다:
(1) 왁스압착온도
성형재료마다왁스압착온도의영향으로인해성능이다릅니다. 왁스기반성형재료를사용하는경우왁스프레스온도는왁스몰드치수안정성의영향에매우민감한반면, 수지기반성형재료는그 영향이적습니다.
(2) 사출압력
압력이작은경우압력이증가하면왁스몰드의수축률이크게감소합니다. 그러나압력이어느정도(≥1. 6MPa) 증가하면압력이왁스몰드의크기에거의영향을미치지않습니다. 외국의테스트결과에서 "압력은왁스몰드의크기와관련이없다"고결론을내리는경우가많지만국내의많은업체들의생각은완전히같지않다는것은당연합니다.
(3) 유량
몰드재료의유속은다음두 가지방법으로변경할수 있지만왁스몰드의크기에미치는영향은동일하지않습니다:
-왁스프레스의유속설정을변경하는이 방법은왁스몰드의수축에거의영향을미치지않습니다. 그러나복잡한모양의얇은벽 부품이나코어가있는왁스몰드의충진및 표면품질에는중요한영향을미칩니다.
-이방법은왁스주입포트의단면을변경하여큰 영향을미칩니다. 왁스주입포트의단면을늘리면왁스압착온도를낮출수있을뿐만아니라왁스주입포트에서금형재료의응고시간을연장하여왁스금형압축을증가시켜수축및 표면수축정도가감소하기때문입니다.
(4) 주입시간
여기서소위사출시간에는충전, 압축및 유지의세 가지기간이포함됩니다. 충진시간은몰딩재료가몰딩캐비티를채우는시간을, 압축은몰딩을채운후 왁스주입노즐을닫을때까지의시간을, 유지는왁스주입노즐을닫은후 몰드를배출할때까지의시간을말합니다.
사출시간은왁스몰드의수축률에큰 영향을미칩니다. 사출시간을늘리면더 많은몰드재료가캐비티에압착될수 있고왁스몰드가더 압축되어수축률이감소하기때문입니다. 압축시간이길어지면왁스모형의무게가증가합니다. 압축시간은적절해야합니다. 압축시간이너무길면왁스주입포트의금형재료가완전히굳어압축이작동하지않습니다. 또한그림 4에서주입시간이짧으면 (15-25 초) 왁스압착온도가상승하고수축률이증가하지만주입시간을 25-35 초로연장하면 (충전시간이일정하다는전제하에실제압축시간을연장하는것입니다) 왁스압착온도의영향이작아지고주입시간이 35 초이상으로증가하면반대상황, 즉왁스압착온도가상승하면왁스몰드수축률이대신감소하는것을볼 수있습니다. 이현상은금형재료온도를높이고압축시간을연장하면왁스금형압축정도를높이는것과동일한효과가있기때문으로설명할수 있습니다.
(5) 성형온도및 왁스압착장비
성형온도가높고왁스몰드가천천히냉각되며수축률이증가합니다. 이는금형이배출되기전에왁스몰드가여전히압축성형중이고수축이제한되어있지만금형이배출된 후에는수축이자유로워지기때문입니다. 따라서금형이방출될 때왁스금형온도가높으면최종수축률이커지고그 반대의경우수축률이작아집니다.
마찬가지로왁스프레스의냉각시스템은왁스몰드크기에약 0.3%의영향을미칠수 있습니다.
마지막으로왁스기반몰드재료를사용할때 왁스페이스트는고체, 액체및 기체의 3상공존시스템이라는점을강조할필요가있습니다. 세단계사이의부피비율은왁스몰드의크기에큰 영향을미칩니다. 이세 가지사이의비례관계는실제생산에서제어할 수없으며, 이는왁스기반성형재료를사용하는왁스몰드의치수안정성이떨어지는중요한이유이기도합니다.
2. 쉘재료및 쉘제작공정이주물의치수안정성에미치는영향
주물의크기에대한금형쉘의영향은주로소성중 금형쉘의열팽창및 열변형 (고온크리프)과주물의냉각수축에대한금형쉘의제한 (장애물)으로인해발생합니다.
(1) 쉘의열팽창
주로쉘 재질에따라다릅니다. 내화재료마다팽창속도가다릅니다. 일반적으로사용되는내화물중 용융실리카는팽창률이가장작고규산알루미늄이그 뒤를잇고실리카는가장크고고르지않습니다. 테스트후 규산알루미늄쉘을실온에서 1000 ℃로가열하면쉘이약 0. 25 % 팽창할 수있으며이는주조크기의전체수축의작은비율을차지합니다. 따라서이러한내화물을사용하면쉘 용융실리카와같은치수안정성이의심할 여지없이더 좋습니다. 그러나실리카를사용하면쉘의크기가크게변동합니다.
(2) 열변형(고온크리프)
예를들어, 물유리를바인더로사용하는쉘은실리카졸 및에틸규산염쉘보다 1000°C 이상의고온에서크리프정도가훨씬더 큽니다. 용융커런덤자체는내화도가높지만산화나트륨과같은불순물이존재하기때문에쉘 소성온도가 1000℃ 이상이면크리프가발생하여치수안정성이저하될수 있습니다.
(3) 주물의수축에대한금형쉘의구속-금형쉘의후퇴및 접힘성 이것은또한주로금형쉘의재질에따라달라집니다.
요약하면, 내화재료는주물의크기변동에대한쉘의영향에중요한역할을하지만바인더의역할은무시할수 없습니다. 반대로쉘 제작공정의영향은적습니다.
3. 주물의고르지않은냉각으로인한응력이치수안정성에미치는영향
주물의각 부분(게이팅시스템포함)의냉각속도가다르기때문에열 응력이발생하고주물이변형되어치수안정성에영향을미칩니다. 이는실제생산에서자주발생하는문제입니다. 주물의냉각속도를낮추고러너의조합을개선하는것이효과적인예방조치입니다.
2. 정확도개선의핵심 - 금형수축률을올바르게지정하는것
위에서언급한 \"치수안정성\"은 \"치수정확도\" 및 \"정밀도(정밀도)\"와는다릅니다. 치수안정성(즉, 정밀도)은치수변동또는분산정도를반영하는치수일관성과동의어로, 일반적으로표준편차 σ로측정됩니다. 치수불안정성의주요원인은느슨한프로세스제어이며, 이는무작위오류입니다. 정확도는여러측정값의산술평균이주물의특정크기에대해공칭크기에서벗어나는정도, 즉평균편차의크기를나타냅니다. 인베스트먼트주조의경우치수정확도가떨어지는주된이유는프로파일링설계중에수축률을부적절하게할당했기때문이며, 이는일반적으로금형을반복적으로수리하여조정하는체계적인오류입니다. 치수정확도(정밀도)는위 두가지의조합입니다. 따라서주물의치수정확도를향상시키고제품크기공차문제를해결하려면치수변동을줄이기위해공정을엄격하게제어해야할뿐만아니라프로파일설계시주물의각 치수의수축률을올바르게할당해야합니다.
정밀주조의최종총 수축은왁스몰드, 합금수축및 소량의쉘 팽창의조합이라는것은잘 알려져있습니다. 쉘은약 0. 25 % 팽창하며그 효과는제한적입니다. 합금의선형수축률은종종왁스몰드보다크지만 왁스프레스공정으로인한치수변동이더 큰영향을미칩니다. 금형수리비용을줄이고주조크기의변동을줄이려면왁스금형의수축률을제어하는것이매우중요합니다.
1. 왁스몰드수축
왁스몰드의수축은왁스몰드의크기가완전히안정된후에측정해야합니다. 이는몰드가배출된후에도왁스몰드의수축이완전히멈추지않기때문입니다. 왁스몰드의크기는몰드가배출된후 며칠후에야안정화되는경우가있습니다. 그러나대부분의금형재료의수축은기본적으로금형이배출된 후 1 ~ 몇시간내에완료됩니다. 왁스몰드수축률에는주로다음과같은영향요인이있습니다:
(1) 몰드재료유형;
(2) 왁스모델의단면크기입니다;
왁스몰드의단면크기가수축률에큰 영향을미친다는점을강조할필요가있습니다. 예를들어, 두께가다른왁스몰드를압착할때 일반적인비충진몰드재료의수축률입니다. 왁스몰드섹션의두께는일반적으로 13mm를초과하지않아야합니다. 두께가 13mm보다큰 경우콜드왁스블록또는금속코어를사용하여수축을줄이는목적을달성하기위해벽 두께를줄일수 있으며, 이는비 충진금형재료에특히중요합니다.
참고: 1. 수용성몰드재료의수축률은약 0. 25%입니다;
2. 용해성코어, 세라믹코어또는석영유리튜브를사용하는경우코어와접촉하는왁스몰드의선형수축이발생하지않습니다;
(3) 핵심유형
왁스몰드의캐비티크기는의심할여지없이코어의모양과일치합니다. 따라서코어를사용하는것은왁스몰드캐비티의치수정확도를향상시키는방법이되었습니다.
2. 합금수축
합금수축은주로다음요인에따라달라집니다:
- 주조합금유형및 화학성분;
- 지오메트리캐스팅(컨스트레인트상태및 섹션크기포함);
- 주입온도, 쉘온도, 주조냉각속도등과같은주조매개변수;
- 세라믹코어, 석영유리튜브등을사용합니다.
주입온도, 쉘온도, 주조냉각속도및 기타공정매개변수는일반적으로생산공정중에표준공정카드에의해엄격하게제어되므로이로인한크기변동은다른생산배치간에크지않습니다. 주입온도가공정사양에서요구하는범위를초과하더라도주조크기의변동은일반적으로크지않습니다. 왁스몰드와마찬가지로주물의단면크기와몰드쉘의제약조건이합금의수축에영향을미치는주요요인입니다. 경험에따르면완전히제한된크기의수축률은자유수축률의 85 % ~ 89 %이고반 제한크기는 94 % ~ 95 %입니다.
3. 측정을위한첫 번째샘플배치의최소개수
위에나열된수축률은실제수축률이아닌과거경험을바탕으로한 경험적데이터입니다. 이러한데이터에따라금형을설계하고제조하면수리가불가피합니다. 수리의정확도와성공률을높이고수리횟수를줄이려면충분한수의시험주조샘플의크기를신중하게확인하는것이핵심입니다. 우리가생산하는주물의크기는정확히같을수 없기때문에측정된샘플의수가충분히많아야만얻은평균값이실제산술평균에가까워질수 있습니다. 이를통해최소측정샘플수가제품크기일관성을제어하는생산공정의공정능력(공정능력)과직접적인관련이있음을어렵지않게알 수있습니다. 주물의크기가완전히동일한경우하나의샘플만테스트하면되고, 반대로주물크기가크게변동하는경우에는하나의샘플만테스트하면됩니다,
보다정확한수축데이터를얻으려면많은샘플을측정해야합니다. 앞서언급했듯이생산공정의크기제어능력은이 공정에서생산되는주조크기의 6σ로나타낼수 있습니다. 현재대부분의투자파운드리의기술수준에서볼 때 Hp는대부분 0. 5 이상이므로첫 번째측정샘플배치에는일반적으로최소 11개의샘플이필요합니다.
3. 측정시스템분석
제품크기문제를분석하고해결할때는사용되는측정시스템의정확성과신뢰성에주의를기울여야합니다. 측정기기및 장비자체를자주교정하는것 외에도측정오류를최소화하는것도중요합니다. 측정시스템(조작자및 조작방법포함)에큰 오차가있는경우불합격품이합격품으로판정될뿐만아니라많은합격품이불합격품으로잘못판정될수 있으며, 둘다 대형사고나불필요한경제적손실을초래할수 있습니다. 측정시스템이특정측정작업에적합한지여부를판단하는가장쉬운방법은재현성및 반복성적격성테스트를수행하는것입니다. 소위반복성이란동일한검사자가동일한기기(또는장비)와방법을사용하여동일한부품을검사하고결과의일관성을확보하는것을의미합니다. 재현성이란서로다른작업자가서로다른기기를사용하여동일한부품을검사하여얻은결과의일관성을의미합니다. 미국자동차산업행동그룹 (자동차산업행동그룹)은측정된 주조크기변동의표준편차에서반복성및 재현성 RandR의통합표준편차의비율을측정시스템이요구사항을충족하기위한표준으로 ≤30 %로규정하고있습니다 [5]. 일부대형및 복잡한형상의주물을측정할때 모든측정시스템이이 요구사항을충족할수 있는것은아닙니다. 금형측정시 허용되는측정오차는일반적으로 1/3보다작아야합니다. 4. 금형구조및 가공수준
금형구조와가공품질이왁스금형의크기와형상에중요한영향을미친다는것은잘 알려져있습니다. 예를들어, 포지셔닝및 클램핑메커니즘이정확하고신뢰할수 있는지, 가동부품 (예 : 가동블록, 볼트등)의일치하는간격이적절한지 여부, 드로잉방법이주물의치수정확도를보장하는데 도움이되는지여부등이있습니다. 말할필요도없이상당수의국내투자주조공장의경우금형설계및 제조수준을시급히개선해야합니다.
다섯. 결론적으로
위의분석을통해인베스트먼트주조의치수정확도개선은인베스트먼트주조생산공정의모든측면을포함하는체계적인프로젝트라는것을어렵지않게알 수있습니다. 주요요점은다음과같이요약할수 있습니다:
1) 성형공정파라미터, 특히주물의크기에큰 영향을미치는파라미터를엄격하게제어합니다.
2) 적절한셸 재질을선택합니다.
3) 통계원칙에부합하는올바른방법으로수축과관련된데이터를수집, 집계및 분석하여수축할당정확도를높입니다.
4) 측정시스템(장비, 검사인력및 기술포함)을자주모니터링하여반복성및 재현성오류가지정된요구사항을충족하는지확인합니다.
5) 금형설계및 제조수준을지속적으로개선합니다.
6) 주조보정및 안정화열처리와같은조치는여전히많은경우에필수불가결합니다.
