주조형 설계 방법 및 주조형

주조형 설계 방법 및 주조형 {MOLD DESIGNING METHOD, AND MOLD}

본 발명은 주조형의 캐비티 형상을 설계하는 주조형 설계 방법과 주조형에 관한 것이다.

주물을 주조하는 주조형에는 일반적으로 사형이 사용되고 있다. 복잡한 형상의 주물을 주조하는 경우 등에는, 주조형은 주형과 코어로 구성되는 경우도 있다. 사형을 형성하는 주물사에는 규사가 많이 사용되고, 통상, 조형성을 높이기 위해, 수지 등의 점결제가 혼련되어 있다.

주물 업계에서는, 주조 후의 주물의 가공 여유를 적게 하기 위해, 주입되는 주물 성품 형상을 최종 제품 형상에 근접시키는, 소위 니어 네트 셰이프(near net shape)화가 진행되고 있다. 이와 같은 니어 네트 셰이프 주조에서는, 주물자라고 불리는 주물의 열수축량을 예상하여 주조형의 캐비티 형상이 설계되어 있다. 예를 들어, 주물 재료가 회주철이나 구상화 흑연 주철인 경우에는, 0/1000∼15/1000 정도의 주물자가 예상되어 있다. 이와 같은 변동 폭으로 인해, 길이 치수나 외경 치수가 200㎜ 이상인 큰 주물을 주조할 때는, 가공 여유가 0∼3㎜ 이상의 범위에서 변화하게 된다. 그로 인해, 니어 네트 셰이프화의 하나의 목표로 되는 가공 여유 3㎜ 미만의 주물을 주조하는 것이 곤란하게 되어 있다.

이와 같은 니어 네트 셰이프 주조의 정밀도를 높이기 위해, 지금까지의 주물자를 사용하는 경험적인 주조형 설계 방법의 대체 방법이 제안되어 있다. 예를 들어, 주물의 응고·냉각 시에 있어서의 수축 및 열변형을, 수치 해석의 일 수법인 유한 요소법에 의해 계산하고, 그 계산 결과에 기초하여, 주조용 모형의 형상, 즉 주조형의 캐비티 형상을 결정하는 주조형 설계 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 유한 요소법에 의해 응고·냉각 시에 있어서의 주물 및 주조형의 온도 계산과, 그에 기초한 열응력·변형 계산을 실시함으로써 예측된 주물의 수축·열변형이, 주조형의 캐비티 형상의 설계에 피드백되어 있다. 또한, 주물의 열응력과 변형 해석에는, 주조형의 변형 저항 및 주물과 주조형 계면과의 역학적 경계 조건이 고려되어 있다.

또한, 주탕 시의 주조형에는, 주탕되는 용탕에 의해, 스웰이라고 불리는 정압이 내측으로부터 작용하고, 이 정압에 기인하는 변형이 발생하는 것이 알려져 있다. 이 정압에 의한 주조형의 변형을 억제하는 수단이 몇 가지 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 이들 수단은, 모두 주조형의 외면측을 구속하여 변형을 억제하는 것이며, 정압에 의한 주조형의 변형을 정량화하는 것은 아니다.

특허문헌 1에 기재된 주조형 설계 방법에서는, 응고·냉각 시에 있어서의 주물의 수축과 열변형이 고려된다. 그러나, 주조 공정에서는, 고온의 용탕에 의해 주탕으로부터 응고 개시까지의 사이에 주조형이 열변형되고, 이 열변형에 의해 응고 개시 시의 주조형의 캐비티 형상이 변화되는 것이 상정된다. 이로 인해, 주물의 수축과 열변형을 고려하는 것만으로는, 캐비티 형상의 설계 정밀도를 충분히 확보할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 용탕에 의한 주조형의 열변형에 의해 캐비티가 좁혀지는 것이 예상되므로, 주조 후의 주물 성품의 가공 여유가 마이너스로 되어, 치수 부족의 불량품이 발생할 우려도 있다.

따라서, 본 발명의 과제는, 니어 네트 셰이프 주조의 정밀도를 보다 높이고, 또한, 주조 후의 주물 성품이 치수 부족으로 되지 않도록 주조형의 캐비티 형상을 설계하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 용탕을 주탕하여 주물을 주조하는 주조형의 캐비티 형상을 수치 해석에 기초하여 설계하는 주조형 설계 방법이며, 상기 용탕이 주탕되고 나서 응고 개시까지의 상기 주조형의 열에 의한 변형을 수치 해석하여, 주탕으로부터 응고 개시 시까지의 주조형 캐비티의 형상 변화량을 구하고, 상기 주물의 응고 개시부터 냉각 종료까지의 응고와 냉각에 의한 변형을 수치 해석하여, 응고 개시부터 냉각 종료까지의 주물의 형상 변화량을 구하고, 구해진 주조형 캐비티의 형상 변화량과 주물의 형상 변화량에 기초하여, 상기 주조형의 캐비티 형상을 설계한다.

즉, 본 발명에서는, 주물의 외각이 생기는 응고 개시 시부터 주물이 상온으로 되는 냉각 종료까지의 형상 변화량뿐만 아니라, 주탕으로부터 응고 개시 시까지의 주조형 캐비티의 형상 변화량도 수치 해석에 의해 구한다. 그리고, 이들 주조형 캐비티의 형상 변화량과 주물의 형상 변화량에 기초하여, 주조형의 캐비티 형상을 설계함으로써, 응고 개시 시에 있어서의 주조형 캐비티 형상을 주조형 설계에 반영시킬 수 있다. 이에 의해, 니어 네트 셰이프의 정밀도를 보다 높이고, 또한, 주조 후의 주물 성품이 치수 부족으로 되지 않도록 할 수 있다.

상기 주물의 길이 치수 또는 외경 치수가 200㎜ 이상인 경우에는, 주물 성품의 가공 여유를 보다 효과적으로 저감시킬 수 있어, 가공 여유를 3㎜ 미만으로 할 수 있다.

상기 주물이 축방향으로 대경부와 소경부를 갖는 것인 경우도, 주물 성품의 가공 여유를 보다 효과적으로 저감시킬 수 있고, 특히, 소경부에서 치수 부족이 발생하지 않도록 가공 여유를 저감시킬 수 있다. 이것은, 소경부를 형성하는 주조형의 부위는, 대경부를 형성하는 주조형의 부위보다도, 주조형의 열변형에 의한 캐비티의 좁아짐 정도가 커지기 때문이다.

상기 주조형의 열에 의한 변형의 수치 해석에 사용하는 주조형 재료의 물성값의 온도 의존성을 고려함으로써, 주조형의 열변형을 보다 고정밀도로 수치 해석할 수 있다. 또한, 이 주조형 재료의 물성값으로서는, 선팽창률, 영률 등을 들 수 있다.

상기 주조형에 주탕되는 용탕의 정압에 기인하는 주조형의 변형을 가미하여, 상기 주조형 캐비티의 형상 변화량을 구함으로써, 니어 네트 셰이프의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 용탕을 주탕하여 주물을 주조하는 주조형에 있어서, 상술한 어느 하나의 주조형 설계 방법으로 캐비티 형상을 설계한 구성도 채용된다.

본 발명에 따른 주조형 설계 방법에 의하면, 주물의 외각이 생기는 응고 개시 시부터 주물이 상온으로 되는 냉각 종료까지의 형상 변화량뿐만 아니라, 주탕으로부터 응고 개시 시까지의 주조형 캐비티의 형상 변화량도, 수치 해석에 의해 구해진다. 이들 주조형 캐비티의 형상 변화량과 주물의 형상 변화량에 기초하여, 캐비티 형상이 설계되므로, 니어 네트 셰이프의 정밀도를 보다 높일 수 있고, 또한, 주조 후의 주물 성품이 치수 부족으로 되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 제1 및 제2 실시 형태의 주조형 설계 방법을 적용한 주조형의 예를 도시하는 종단면도.
도 2는 도 1의 주조형에서 주조되는 주물 성품을 도시하는 정면도.
도 3은 제1 실시 형태의 주조형 설계 방법에 있어서의 수치 해석의 수순을 나타내는 흐름도.
도 4의 (a), (b)는 각각 제1 및 제2 실시 형태에서 사용한 주조형 재료와 주물 재료의 열팽창 선도.
도 5의 (a), (b)는 각각 제1 및 제2 실시 형태에서 사용한 주조형 재료와 주물 재료의 응력-변형 곡선.
도 6은 제1 실시 형태의 수치 해석에 의해 구해진 주조형과 주물의 반경 방향의 변형량을 나타내는 그래프.
도 7의 (a), (b)는 각각 도 6의 주조형과 주물의 변형량에 기초하여 설계한 주조형 캐비티의 단면 형상의 일부를 확대하여 나타내는 그래프.
도 8은 제2 실시 형태의 주조형 설계 방법에 있어서의 수치 해석의 수순을 나타내는 흐름도.
도 9는 도 1의 주조형에 작용하는 정압을 설명하는 종단면도.
도 10은 제2 실시 형태의 수치 해석에 의해 구해진 주조형과 주물의 반경 방향의 변형량을 나타내는 그래프.

이하, 도면에 기초하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 도 1은 제1 및 제2 실시 형태의 주조형 설계 방법을 적용한 주조형(1)을 도시한다. 도 2는 이 주조형(1)에서 주조되는 주물 성품으로서의 스크류 압축기용 로터(11)를 도시한다. 이 스크류 압축기용 로터(11)는 구상화 흑연 주철(JIS;FCD500)로 형성되어 있고, 축방향의 전체 길이가 860㎜이다. 축방향에서 대경부와 소경부를 갖는 스크류부(11a)는 길이 치수가 460㎜, 외경 치수가 240㎜이다.

상기 주조형(1)은 주형(1a)과, 스크류부(11a)를 주조하는 코어(1b)로 구성되고, 모든 주물사에, 점결제로서의 수지가 혼련된 규사가 사용되고 있다. 주조형(1)에는, 스크류 압축기용 로터(11)를 주조하는 캐비티(2)가 종방향으로 형성되어 있다. 캐비티(2)의 상방에 압탕부(3)가 설치됨과 함께, 용탕이 주탕되는 주탕부(4)와, 주탕된 용탕을 캐비티(2)에 유도하는 탕도(5)가 설치되어 있다.

도 3은 제1 실시 형태의 주조형 설계 방법에 있어서의 수치 해석의 수순을 나타낸다. 이 수치 해석용의 소프트웨어는, 용탕의 유동, 응고 계산과 계 전체의 전열 계산을 행하는 주조 해석 소프트웨어(21)와, 주조형의 변형 계산을 행하는 변형 해석 소프트웨어(22)와, 주물의 변형 계산을 행하는 변형 해석 소프트웨어(23)로 이루어진다. 여기서는, 주조 해석 소프트웨어(21)에는 유한 요소법의 계산 소프트웨어 「JSCAST[상품명;쿠오리카(QUALICA)사제]」가 사용되고, 각 변형 해석 소프트웨어(22, 23)에는 유한 요소법의 계산 소프트웨어 「ABAQUS[상품명;시뮬리아(SIMULIA)사제]」가 사용된다. 또한, 이들 계산 소프트웨어는, 유한 요소법의 것으로 한정되지 않고, 차분법 등의 계산 소프트웨어를 사용해도 된다.

우선, 상기 주조 해석 소프트웨어(21)에, 주조 방안(주조형 형상, 주물 형상, 주탕 온도, 주탕량, 주탕 속도), 주조형 재료의 열특성(밀도, 비열, 열전도율), 주물 재료의 열특성(밀도, 비열, 열전도율, 고상선 온도, 액상선 온도, 응고 잠열) 및 열경계 조건(주조형-주물간의 열전달률, 주조형-분위기간의 열전달률, 분위기 온도)이 입력 데이터로서 입력된다. 그리고, 주조 해석 소프트웨어(21)에 의해, 경과 각 시각에 있어서의 주조형과 주물의 온도 분포 및 주물의 고상율이 계산됨과 함께, 용탕의 응고 개시 시각 T _S 가 산출된다. 여기서는, 주물의 전체 표면 온도가 고상선 온도(1140℃) 이하로 되어 주물의 외각이 생기는 시각이, 응고 개시 시각 T _S 로 된다.

다음으로, 상기 변형 해석 소프트웨어(22)에, 주조 해석 소프트웨어(21)에 의해 계산된 시각 0∼T _S 에 있어서의 주조형의 온도 분포와, 별도로 구해진 주조형 재료의 물성값인 선팽창률 및 영률이 입력되고, 시각 0∼T _S 의 사이에 발생하는 주조형의 열에 의한 변형량이 산출된다. 이것과 병행하여, 변형 해석 소프트웨어(23)에, 주조 해석 소프트웨어(21)에 의해 계산된 시각 T _S ∼냉각 종료 시, 즉 주물이 상온으로 될 때까지의 주물의 온도 분포와, 별도로 구해진 주물 재료의 물성값인 선팽창률 및 영률이 입력된다. 그리고, 시각 T _S ∼냉각 종료 시까지의 사이에 발생하는 주물의 변형량이 산출된다. 마지막으로, 이들 산출된 주조형과 주물의 응고와 냉각에 의한 변형량이, 처음에 입력된 주조형의 캐비티 형상에 가산되고, 캐비티 형상이 설계된다.

도 4의 (a), (b)는 각각, 상기 주조형 재료로서의 수지가 혼련된 규사와, 주물 재료로서의 FCD500에 대한 기지의 열팽창 선도이다. 표 1의 (a), (b)는 각각 도 4의 (a), (b)의 열팽창 선도로부터 구한 대표적인 각 온도에 있어서의 수지 혼련 규사와 FCD500의 선팽창률이며, 각 변형 해석 소프트웨어(22, 23)의 입력 데이터로서 사용된다.

도 5의 (a), (b)는 각각, 각 시험 온도에 있어서의 압축 시험에서 구한 주조형 재료의 응력-변형 곡선과, 인장 시험에서 구한 주물 재료의 응력-변형 곡선이다. 표 2의 (a), (b)는 각각 도 5의 (a), (b)의 응력-변형 곡선으로부터 구한 대표적인 각 온도에 있어서의 수지 혼련 규사와 FCD500의 영률이며, 각 변형 해석 소프트(22, 23)의 입력 데이터로서 사용된다.

도 6은 제1 실시 형태의 수치 해석에 의해 구해진 각 축방향 좌표에서의 주조형과 주물의 직경 방향의 변형량(반경분)을 나타낸다. 도 6은 주조형과 주물의 변형량을 가산한 값도 나타내고, 주물 성품 형상도 함께 나타낸다. 또한, 이 주물 성품 형상에서는, 가공 여유가 2㎜ 예상되고 있다. 이 수치 해석 결과에 의하면, 주조형의 변형량은, 캐비티를 좁히는 마이너스의 값으로 되고, 주물의 스크류부를 주조하는 부위에서는, 스크류의 산부(대경부)보다도 스크류의 골부(소경부)에서 좁아지는 양이 커진다. 또한, 주물의 변형량도, 직경이 축소하는 마이너스의 값으로 되고, 스크류부에서는 골부(소경부)보다도 산부(대경부)에서 직경 축소량이 커진다. 이 결과, 주조형과 주물의 변형량을 가산한 값은, 스크류 상당부에서는, 반경분에서 약 3㎜, 직경분에서 6㎜의 대략 일정한 마이너스의 값(수축값)으로 되어 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 본 수치 해석에서는, 주조형과 주물의 3차원의 변형량이 구해지고, 이들 축방향의 변형량도 마이너스의 값으로 된다.

실시예

도 7의 (a), (b)는 도 6의 주조형과 주물의 변형량을 가산한 값에 기초하여 주조형을 설계한 실시예의 캐비티 단면 형상을, 각각 스크류부의 산부와 골부에 대해 확대하여 나타낸다. 각 도면 중에는, 비교예로서, 응고 개시 시부터 냉각 종료까지의 주물의 변형량만을 고려하여 설계한 캐비티 단면 형상도 나타내어져 있다. 주탕으로부터 응고 개시 시까지의 주조형의 변형량이 고려되어 있지 않은 비교예에서는, 도 7의 (b)에 나타내는 스크류부의 골부에서의 수축량이 작게 예상되고, 골부에서의 캐비티 직경이 실시예보다도 작게 설계되어 있다. 이로 인해, 스크류부의 골부에서 2㎜의 가공 여유가 떨어져, 주물 성품이 치수 부족의 불량품으로 될 우려가 있다. 이에 대해, 주탕으로부터 응고 개시 시까지의 주조형의 변형량이 고려된 실시예에서는, 스크류부의 수축량이 산부에서도 골부에서도 대략 일정하게 예상되어 있다. 그로 인해, 주물 성품이 골부에서 치수 부족의 불량품으로 될 우려는 없고, 가공 여유를 작게 하여, 니어 네트 셰이프의 정밀도를 높일 수 있다.

도 8은 제2 실시 형태의 주조형 설계 방법에 있어서의 수치 해석의 수순을 나타낸다. 이 수치 해석의 기본적인 수순은, 제1 실시 형태의 것과 대략 동일하다. 그러나, 제2 실시 형태는, 도 1에 도시한 주조형(1)의 변형 계산을 행하는 변형 해석 소프트웨어(22)에, 주탕되는 용탕의 정압에 기인하는 주조형(1)의 변형이 가미되는 점에서, 제1 실시 형태와 상이하다. 제2 실시 형태의 그 외의 구성은 제1 실시 형태와 동일하고, 도 2에 도시한 주물 성품으로서의 스크류 압축기용 로터(11)는 FCD500에서 형성되고, 주물사로는 수지가 혼련된 규사가 사용된다.

즉, 제2 실시 형태에서는, 도 9에 도시한 바와 같이, 캐비티(2)의 각 부위에서 주조형(1)에 내측으로부터 작용하는 정압 p에 의한 변형이 가미된다. 탕면 A로부터의 깊이를 z, 용탕의 밀도를 ρ, 중력 가속도를 g로 하면, 깊이 z의 위치에 있어서의 정압 p(z)는 수학식 1로 나타내어진다.

[수학식 1]

p(z)=ρ·g·z

수학식 1로 구해지는 각 부위의 정압 p(z)는 변형 해석 소프트웨어(22)에 사용되는 유한 요소법 모델의 캐비티면의 각 접점에, 수직으로 부가된다.

도 10은, 제2 실시 형태의 수치 해석에 의해 구해진 각 축방향 좌표에서의 주조형과 주물의 직경 방향의 변형량(반경분)과, 이들 주조형과 주물의 변형량을 가산한 값을 나타낸다. 도 10은, 가공 여유가 2㎜ 예상된 주물 성품 형상도 함께 나타낸다. 또한, 축방향 좌표는, 주조형 내에 있어서의 주물 성품의 최고 깊이 위치를 원점으로 하고 있고, 축방향 좌표가 커질수록, 탕면으로부터의 깊이 z는 얕아진다. 또한, 도 10에 있어서의 주조형과 주물의 변형량 및 이들 가산값은, 제1 실시 형태의 수치 해석 결과를 나타낸 도 6보다도, 스케일을 확대하여 나타내고 있다.

정압 p에 의한 주조형의 변형이 가미된 제2 실시 형태의 수치 해석 결과를 나타내는 도 10에서는, 제1 실시 형태의 수치 해석 결과를 나타내는 도 6에 비해, 주조형의 변형량이 플러스측으로 시프트하고 있다. 이 시프트량은, 탕면으로부터의 깊이 z가 깊어지는 영역, 즉 축방향 좌표가 작은 영역일수록 커지고 있다. 이로 인해, 주조형의 변형량은, 도 6에서는 스크류부를 주조하는 거의 모든 부위에서 캐비티를 좁히는 마이너스의 값으로 되어 있었던 것에 대해, 도 10에서는 스크류의 각 산부(대경부)에서, 캐비티를 넓히는 플러스의 값으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 주물의 변형량은 제1 실시 형태의 것과 동일하다. 이 결과, 스크류 상당부에서의 주조형과 주물의 변형량을 가산한 값은, 마이너스의 값(수축값)의 절대값이 도 6보다도 작게 되어 있어, 수축값을 보다 엄밀하게 어림잡아, 니어 네트 셰이프의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.

상술한 실시 형태에서는, 주조되는 주물 성품은, 구상화 흑연 주철의 스크류 압축기용 로터이다. 그러나, 본 발명에 따른 주조형 설계 방법과 주조형은, 구상화 흑연 주철의 주물의 주조용으로 한정되지 않고, 회주철이나 강의 주조에 사용할 수도 있고, 알루미늄 등의 비철 금속의 주조에도 사용할 수 있다. 또한, 주물 성품도 스크류 압축기용 로터로 한정되지 않고, 특히, 길이 치수나 외경 치수가 200㎜ 이상인 대치수의 주물 성품이나, 축방향에서 대경부와 소경부를 갖는 주물 성품의 주조에 적합하다.

이상, 본 발명의 각 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위에 기재한 한 다양하게 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 본 출원은 2011년 9월 27일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-211108) 및 2012년 7월 24일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2012-163293)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

1 : 주조형
1a : 주형
1b : 코어
2 : 캐비티
3 : 압탕부
4 : 주탕부
5 : 탕도
11 : 스크류 압축기용 로터
11a : 스크류부
21 : 주조 해석 소프트웨어
22, 23 : 변형 해석 소프트웨어