아연 대 알루미늄 다이캐스팅: 종합 분석
아연과 알루미늄 중 하나를 선택하면 제조 공정에 혁신을 가져올 수 있다면 어떨까요? 다이캐스팅의 세계에서는 각 소재의 장단점을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 이...
자동차의 복잡한 부품이 어떻게 만들어지는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 자동차 주조의 매혹적인 세계를 소개하며 주요 부품을 만드는 첨단 기술과 방법을 자세히 설명합니다. 이러한 혁신이 어떻게 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 고품질의 효율적인 생산을 보장하는지 알아보세요.
주조는 복잡한 부품을 제조하는 데 가장 유연한 방법입니다.
첨단 주조 기술의 적용은 제조 산업에 새로운 활력을 불어넣었습니다.
수많은 소프트웨어 프로그램의 출현과 컴퓨터 기술의 급속한 발전으로 이제 형상, 크기 및 서비스 성능 측면에서 요구 사항을 충족하는 주물 생산에 정확하고 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수 있게 되었습니다.
약 151톤에서 201톤의 자동차 부품이 다양한 주조 방법을 사용하여 제조되며, 주로 전력 시스템의 주요 구성 요소와 중요한 구조 부품을 포함합니다.
현재 자동차 산업 선진국에서는 자동차 주조에 첨단 생산 기술을 도입하여 제품 품질과 생산 효율을 높이고 환경 오염을 최소화하고 있습니다.
주조에 사용되는 원재료와 부자재는 표준화되고 일련화되었으며, 전체 생산 공정이 기계화, 자동화, 지능화되었습니다.
자동차 기술이 급속도로 발전함에 따라 쾌속 성형 기술, CAE 기술, 3D 모델링, CNC 기술등 주물 생산 준비 기간을 단축하고 신제품 개발의 위험을 줄이기 위한 안정적인 지원을 제공하기 위해 다양한 기술을 채택하고 있습니다.
주조는 주로 모래 주조와 특수 주조를 포함합니다.
일반 샌드 몰드 주조
모래 주조는 모래를 주 주형 재료로 사용하는 다목적의 널리 사용되는 금속 성형 공정입니다. 이 방법에는 습식 모래 주형, 건식 모래 주형, 화학적 결합 모래 주형의 세 가지 주요 주형 유형이 포함됩니다. 각 유형은 특정 주조 용도에 따라 뚜렷한 이점을 제공합니다. 모든 모래가 주조에 적합한 것은 아니며, 파운드리에서는 일반적으로 특정 입자 크기 분포와 열적 특성을 가진 특수하게 준비된 실리카 모래 또는 기타 내화성 재료를 사용한다는 점을 강조하는 것이 중요합니다.
모래 주조의 가장 큰 장점은 금형에 사용된 모래를 재생하여 여러 번 재사용할 수 있어 재료비를 절감할 수 있다는 비용 효율성에 있습니다. 그러나 특히 복잡한 형상이나 높은 치수 정확도가 필요한 경우 금형 준비 과정에 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 영구 주형과 달리 모래 주형은 일회용이며 완성된 주물을 회수하기 위해 반드시 파기해야 하는데, 이를 "쉐이크아웃"이라고 합니다.
모래 주조를 사용하면 몇 온스 무게의 소형 부품부터 몇 톤 무게의 대형 주물까지 다양한 크기의 부품을 생산할 수 있습니다. 이 공정은 특히 소량에서 중간 규모의 생산량에 적합하며 철, 강철, 알루미늄, 구리, 황동 등 다양한 금속과 합금을 사용할 수 있습니다. 모래 주조는 다른 주조 방법의 미세한 표면 마감이나 엄격한 공차를 달성하지 못할 수도 있지만, 디자인에 있어 탁월한 유연성을 제공하며 대형 또는 복잡한 부품에 가장 경제적인 선택이 되는 경우가 많습니다.
최근 3D 프린팅 모래 주형, 컴퓨터 시뮬레이션 주형 충전 및 응고 등 모래 주조 기술의 발전으로 전통적인 제조 공정의 역량과 효율성이 더욱 향상되었습니다. 이러한 혁신을 통해 더 빠른 프로토타입 제작, 주조 품질 향상, 생산 리드 타임 단축이 가능해졌습니다.
스페셜 캐스팅
특수 주조 기술은 사용되는 성형 재료에 따라 크게 두 가지 범주로 분류됩니다. 이러한 고급 방법은 정밀도, 표면 마감 및 재료 특성 측면에서 고유한 이점을 제공하여 특정 산업 요구 사항을 충족합니다.
첫 번째 카테고리는 금형 제작에 천연 광물 기반 소재를 사용합니다:
두 번째 카테고리는 금형 제작에 금속 소재를 사용합니다:
그림 1 분류 캐스팅 프로세스
자동차 산업에서 주로 사용되는 주조 공정은 다음 두 가지 범주에 속합니다:
1.1 G레이비티 캐스팅(GDC)
중력 캐스팅중력 주조라고도 하는 주조는 용융 금속을 주형에 부어 지구 중력의 영향을 받아 캐비티를 채우는 공정을 말합니다.
최종 제품에 빈 공간이 필요한 경우, 금형 캐비티 내부에 모래 코어를 배치합니다.
용융 금속의 적절한 흐름을 보장하기 위해 주입 장치를 기울일 수 있으며, 이를 "경사형 GDC"라고 합니다.
중력 주조에는 모래 주형 주조, 금속 주형 주조, 인베스트먼트 주조, 로스트 폼 주조, 진흙 주조 등 다양한 기술이 포함됩니다.
이러한 기술 중 샌드 몰드 주조는 자동차 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 기술입니다.
1.1.1 S및 캐스팅
현재 가장 일반적으로 사용되는 주철 자동차 부품은 습식 모래 성형, 특히 미리 압축된 공기 흐름을 이용한 정압 또는 공기 충격 성형을 사용하여 생산됩니다. 이 방법은 낮은 에너지 소비, 저소음, 공해 감소, 고효율, 안정적인 작동 등 다양한 장점이 있습니다.
외국 장비 제조업체들은 모래 주형의 경도를 보다 균일하게 하기 위해 공기 충격 다짐, 공기 유량을 증가시킨 공기 충격 플러스 다짐, 정압을 이용한 다짐, 능동 다중 접촉 다짐, 성형 압출 다짐 등 다양한 개선 방법을 도입하여 성형기를 지속적으로 개선하고 있습니다.
그림 2 모래 주조 공정
고전력 반도체 부품, 컴퓨터 및 마이크로 일렉트로닉스 기술의 발전으로 전기 서보 시스템이 다음을 대체하는 데 사용되고 있습니다. 유압 및 공압 드라이브를 성형 라인에 도입하여 생산 속도를 높이고 운영 안정성을 크게 향상시켰습니다.
동시에 유압 제어 시스템이 크게 간소화되어 유지보수 요구 사항이 줄어듭니다.
이중 배럴 모래 투하기를 사용하면 주물과 게이트를 동시에 사전 청소할 수 있습니다.
성형 라인의 주입 공정은 종종 전체 생산 속도를 제한할 수 있으므로 자동 주입 장비를 사용하는 것이 좋습니다.
일부 제조업체는 용철을 절약하고 품질을 유지하며 샌드 박스를 보호하기 위해 공기압 국자와 접촉 주입 기술을 활용합니다.
주입 공정에서는 일반적으로 유동 접종이 사용되며, 일부는 금형 내 접종과 여과를 함께 사용합니다.
주조 공정에서는 공장마다 모래 코어 생산에 다른 방법을 사용합니다. 조건에 따라 콜드 코어 박스, 핫 코어 박스 또는 쉘 코어를 사용할 수 있습니다.
크랭크케이스 샌드 코어, 실린더 배럴, 상단 샌드 코어, 전면 및 후면 끝면의 전면 샌드 코어와 같은 샌드 코어는 일반적으로 치수 정확도를 보장하고 에너지를 절약하기 위해 콜드 코어 박스로 제작됩니다.
콜드 코어 박스가 점점 인기를 얻고 있습니다.
콜드 코어는 주로 ISO 경화 트리에틸아민 경화 방식을 사용하여 생산되며, 미국에서 ISO Max라는 고급 방식이 개발되었습니다.
주물 내부 표면의 품질과 내부 공동의 청결도를 향상시키기 위해 알코올 기반 코팅 대신 수성 코팅을 사용하여 오염을 방지합니다.
코팅 후 마이크로파 건조는 매우 효율적이고 에너지 절약적인 방법이며, 생산된 모래 코어의 품질은 기존의 가스 또는 천연가스 건조를 통해 얻은 것보다 우수합니다.
2차 모래 충전 및 응고를 위해 샌드 코어에 공정 구멍을 뚫어 여러 개의 샌드 코어가 결합된 샌드 코어로 통합되는 KCY-CORE 공정이 사용됩니다. 그런 다음 결합된 샌드 코어를 코팅하고 건조하여 전체 치수 오차가 0.3mm 미만으로 주물의 치수 정확도를 크게 향상시킵니다.
성형 모래 시스템에는 오래된 모래 자기 분리 장비, 모래 블록 파쇄 장비, 선별 장비 및 오래된 모래 냉각 장비가 포함되어 재활용 된 오래된 모래의 품질을 보장합니다.
새로운 모래, 석탄 분말, 벤토나이트 및 기타 첨가 재료가 미리 정해진 비율에 따라 시스템에 정확하고 정량적으로 공급되며, 제어 데이터를 기반으로 물 첨가량을 실시간으로 조정하여 성형 모래 성능을 유지합니다.
또한 전체 시스템의 성형 모래 성능을 폐쇄 루프 방식으로 실시간 제어하거나 성형 모래 품질을 제어하기 위한 온라인 전문가 시스템도 있습니다.
성형 모래 시스템은 회전율이 크고 관성이 강하므로 성형 모래 품질의 안정성을 보장하기 위해 예측 가능한 조치를 취하여 성형 모래 성능의 조정은 추세에 따라 이루어져야합니다.
일반적인 캐스팅에는 다음이 포함됩니다: 엔진 블록, 실린더 헤드, 기어박스 하우징, 흡기 매니폴드 등
1.2 D즉, 캐스팅
필요한 주물의 단면이 복잡하거나 특정 영역의 벽이 얇은 경우(그림 3 참조), 중력만으로는 용융 금속이 금형 캐비티를 완전히 채우기에 충분하지 않을 수 있습니다.
이러한 경우 금속 액체에 압력을 가하여 금형 캐비티를 완전히 채울 수 있습니다.
이는 고압을 통해 달성할 수 있습니다. 다이 캐스팅 (HPDC) 또는 저압 다이캐스팅(LPDC).
HPDC 공정을 통해 생산된 주물은 우수한 치수 일관성과 +/- 0.2mm 내외의 유사한 공차를 가지며, 이는 중력 주조(GDC) 또는 저압 다이 주조(LPDC)로는 달성할 수 없는 수준입니다.
자동차 기술의 급속한 발전으로 고압 다이캐스팅 기술은 자동차 주조의 핵심이 되었습니다.
그림 3 복잡한 얇은 벽 부품
1.2.1 고압 주조
고압 주조는 액체 또는 반액체 금속을 고압으로 금형에 빠르게 주입하여 압력 하에서 응고 및 결정화하여 주물을 형성하는 공정입니다.
고압 주조 공정은 금형 폐쇄, 사출, 사출의 세 단계로 나눌 수 있습니다.
그림 4 고압 주조 공정 흐름
다이캐스팅 공정에서 사출 파라미터는 다이캐스트 부품의 다공성에 큰 영향을 미치므로 적절하게 조정해야 합니다.
폐쇄형 사출 종료 시간 제어 시스템을 사용하면 플래시 없는 다이 캐스팅을 구현할 수 있습니다.
다이캐스팅의 품질은 X-레이 결함 감지 및 초음파 테스트를 통해 확인할 수 있습니다.
고압 주조 기술을 기반으로 하는 진공 주조 및 산소 충전 다이 주조는 다음을 제거하는 것을 목표로합니다. 주조 결함내부 품질을 개선하고 다이캐스팅 적용을 확대합니다.
스퀴즈 주조는 압력을 가해 용융물을 채우고 응고시키는 방식으로, 안정성, 금속 튀김 감소, 용융 금속의 산화 손실 최소화, 에너지 절약, 안전한 작동, 주조 구멍 결함 감소 등의 이점이 있습니다.
이 공정은 고성능 알루미늄의 개발 및 적용에 널리 사용되었습니다. 합금 주물알루미늄 합금 서브프레임과 같은 소재를 사용합니다.
진공 다이캐스팅
다이캐스팅 공정 중 가스와 용융 금속이 빠르게 혼합되어 발생하는 주물의 다공성을 최소화하거나 제거하기 위해 다이캐스팅 전에 금형의 진공 주조를 활용하는 것이 일반적입니다.
압력 챔버와 캐비티의 진공 정도에 따라 진공 다이캐스팅은 일반 진공 다이캐스팅과 고진공 다이캐스팅으로 나눌 수 있습니다.
그림 5 진공 다이캐스팅의 공정 흐름도
고진공 다이캐스팅의 핵심은 단시간에 높은 수준의 진공을 달성하는 것입니다.
그림 6은 흡입식 고진공 다이캐스팅 기계의 작동 원리 다이어그램입니다.
진공을 사용하여 금속 액체를 압력 챔버로 끌어들인 다음 빠르게 주입하여 다이캐스팅 공정에서 높은 수준의 진공을 달성합니다.
고진공 다이캐스팅의 원리는 다이캐스팅 전에 진공 튜브를 통해 전체 압력 챔버와 캐비티의 공기를 펌핑하는 것입니다.
진공 펌핑 공정은 가능한 한 빨리 완료되어 도가니의 금속 액체와 압력 챔버 사이에 큰 압력 차이를 만들어 금속 액체가 액체 라이저를 통해 압력 챔버로 흐르게 한 다음 압력 사출 펀치가 사출 압력을 가하기 시작해야 합니다.
그림 6 흡입식 고진공 다이캐스팅 기계
산소 충전 다이캐스팅
산소 충전 다이캐스팅은 압력 챔버와 다이캐스팅 금형 캐비티에 건조한 산소를 채워 공기 및 기타 가스를 대체하는 방식입니다.
산소 충전 다이 캐스팅의 과정은 그림 7에 나와 있습니다.
이 캐스팅 방법은 다음 경우에만 적용됩니다. 알루미늄 합금.
알루미늄 합금 액체가 압력 챔버와 다이캐스팅 금형 캐비티에 주입되면 산소와 반응하여 Al2O3를 사용하여 작고 균일하게 분포된 Al2O3 입자(직경 1um 미만)를 만들어 다공성을 줄이거나 없애고 주물의 콤팩트함을 개선합니다.
이러한 작은 입자는 주조물 전체에 분산되어 전체 질량의 약 0.1% ~ 0.2%를 차지하며 가공에 영향을 미치지 않습니다.
그림 7 산소 충전 다이캐스팅의 개략도
자동차 주조 산업에서 사용되는 장비는 빠른 속도와 효율성, 안정성을 갖추고 연속 작동을 처리할 수 있어야 합니다.
자동차 주조에 대한 엄격한 품질 기준을 고려할 때 이러한 주조 기계는 높은 정밀도를 갖춰야 합니다.
주요 주조 장비에는 성형기, 모래 혼합기, 코어 제작기, 성형 장비, 먼지 추출 장비, 제련로, 다이캐스팅 기계, 가공 공구, 샷 블라스팅 기계, 청소 기계, 테스트 장비 등이 있습니다.
특히 다이캐스팅 기계와 제련 용광로가 눈에 띕니다.
2.1 S용해로
제련로는 중주파 전원 공급 장치를 사용하여 중주파 자기장을 형성하여 강자성 물질 내에 와전류를 유도하고 열을 발생시켜 물질을 가열하는 목표를 달성합니다.
중주파 전기로는 유도 가열, 용융 및 온도 유지를 위해 200~2500Hz의 중주파 전원 공급 장치를 사용합니다.
이 제련로는 주로 탄소강, 합금강 및 특수강을 녹이는 데 사용되며 다음과 같은 비철 금속의 용융 및 온도 상승에 사용됩니다. 구리 및 알루미늄.
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이 장비는 작고 가벼우며 전력 소비가 적고 용융 및 가열 속도가 빠르며 온도 제어가 용이하고 생산 효율이 높습니다.
전체 제련로 장비 세트는 중간 주파수 전원 캐비닛, 보상 커패시터, 용광로 본체 2개, 수냉식 케이블 및 감속기로 구성됩니다.
퍼니스 본체는 퍼니스 케이스, 인덕션 코일, 퍼니스 라이닝, 틸팅 감소 기어의 네 부분으로 구성됩니다.
퍼니스 케이스는 비자성 재료로 만들어졌습니다.
유도 코일은 직사각형의 속이 빈 튜브로 구성된 나선형 실린더로, 제련 과정에서 냉각수가 순환합니다. 코일에서 뻗어 나온 구리 막대는 수냉식 케이블에 연결됩니다.
인덕션 코일 근처에 위치한 퍼니스 라이닝은 석영 모래로 만들어집니다.
퍼니스 본체의 틸팅은 틸팅 감소 기어의 직접 회전에 의해 이루어집니다.
이 기어는 2단계 터빈 속도 변경이 특징이며 뛰어난 자동 잠금 성능으로 안정적이고 안정적인 회전을 제공합니다. 정전이 발생하면 틸팅 메커니즘이 자동으로 정지하여 잠재적인 위험을 방지합니다.
두 퍼니스의 틸팅 감소 기어 모터는 퍼니스 선택 스위치를 통해 제어할 수 있으며, 스위치 박스와 4심 고무 와이어가 있어 작업자가 편리한 위치에 서서 퍼니스 본체의 틸팅 및 재설정을 제어할 수 있습니다.
현재 많은 파운드리 공장은 산업 2.0 상태에 머물러 있으며 환경 보호, 자동화, 지능, 안전과 관련하여 시급히 업그레이드가 필요합니다.
인더스트리 4.0의 도래로 모든 제련 파라미터는 초고온 환경에서 작동할 수 있는 센서를 통해 기록될 것입니다.
가열로의 충전 수준과 용융 풀의 오염도 등의 데이터는 네트워크화된 지능형 제련로를 구현하는 데 중요한 정보가 될 것입니다.
앞으로 제련로 공장에서는 청소 작업에 로봇을 활용할 수 있게 될 것입니다.
로봇은 모든 용광로 매개변수에 액세스할 수 있으며 오염이 위험 수준에 도달하기 전에 즉각적인 조치를 취할 수 있습니다.
2.2 D즉, 주조기
다이캐스팅 기계는 압력 주조를 활용하는 기계입니다. 열간 압축 챔버와 냉간 압축 챔버로 구성되며, 다시 직선형과 수평형의 두 가지 유형으로 나뉩니다.
다이캐스팅 기계의 압력으로 용융 금속이 유압으로 금형에 주입되어 냉각되고 응고됩니다.
금형을 개봉한 후 견고한 금속 주물을 회수할 수 있습니다.
다이캐스팅 기계는 다음과 같이 구성됩니다. 클램핑 메커니즘, 주입 메커니즘, 유압 시스템 및 전기 제어 시스템입니다.
또한 이 기계에는 다양한 구성 요소와 베이스, 보조 장치 및 기타 부품도 포함되어 있습니다.
그림 8 다이캐스팅 기계의 기본 구조
지난 30년 동안 다이캐스팅 기계는 크기, 자동화, 모듈화 및 유연성 측면에서 상당한 발전을 거듭해 왔습니다.
최근 자동차 다이캐스팅의 통합 및 경량화로 인해 차체 통합형 다이캐스팅 기계에 대한 새롭고 더 높은 요구 사항이 생겼습니다. 성형 기술 특히 화제가 되고 있습니다.
이로 인해 중장비 다이캐스팅 기계는 혁신의 최전선에 서게 되었습니다. 예를 들어, Tesla는 최근 이탈리아 회사 DRA로부터 8000톤 다이캐스팅 기계를 구입했는데, 이 기계는 Model Y에 사용된 6000톤 다이캐스팅 기계보다 30% 더 큰 기계입니다.
업계가 발전함에 따라 이 기록은 계속해서 경신될 것으로 예상합니다.
고강도 다이캐스팅 기계가 업계의 미래인 이유와 이 기계가 제공하는 이점을 살펴보겠습니다.
이점 1: 단일 스테이션 재료 성형 비용 이점
그림 9는 Tesla Model Y 프레임의 구조를 보여줍니다. 노란색 구성 요소는 리어 액슬 타워 상단에 있는 리어 바디와 휠 아치의 통합된 큰 부분을 나타냅니다.
일반적으로 여러 개의 스테이션과 공정이 필요한 이 복잡한 부품을 대규모 다이캐스팅 기계의 도움으로 한 번의 작업으로 완성할 수 있습니다.
결과적으로 상당한 비용 이점을 제공합니다.
그림 9 모델 Y 프레임의 구조도
이점 2: 스탬핑과 용접의 통합 및 전체 생산 리듬의 최적화
테슬라는 새로운 에너지 산업의 도요타나 폭스바겐이 되는 것을 목표로 하고 있기 때문에 생산 리듬이 중요한 요소입니다.
8000톤 다이캐스팅 기계의 템포를 향상시키기 위해 주조 부품의 압력 밀봉 과정에서 양쪽 주조 하프 필름 사이에 캐비티를 만들고 캐비티에 온도 보호 기능이 있는 용융 금속을 주입하는 기술을 활용할 수 있습니다.
캐비티는 음압 상태이므로 주조 난류로 인해 발생하는 기포를 효과적으로 제거하여 다이캐스팅 중 재료 일관성과 주조 속도에 기여합니다.
Tesla의 데이터에 따르면 각 주조 작업에는 초당 10m의 속도로 약 80kg의 알루미늄 합금 액체를 콜드 챔버 금형에 주입하는 작업이 포함됩니다.
생산 사이클 시간은 약 85초, 생산 속도는 시간당 42개로 현재 사이클 시간보다 최적화되어 있습니다.
그러나 이러한 장점에는 운동 역학 및 금형 설계와 같은 몇 가지 과제가 수반되며, 업계에서 대규모 다이캐스팅 기계를 계속 개발함에 따라 해결해야 할 과제가 있습니다.
3.1 C일린더 블록
전통적으로 자동차 엔진 블록에 사용되는 소재는 주철이었으며, 이는 오늘날에도 여전히 업계에서 지배적인 위치를 차지하고 있습니다.
그러나 엔진 성능이 지속적으로 향상되고 경량화에 대한 요구가 높아지면서 엔진 블록 소재는 빠르게 혁신되고 있습니다.
개발에는 크게 세 가지 영역이 있습니다:
일반적으로 차량의 무게와 에너지 소비를 줄이기 위해 알루미늄 합금을 사용하는 것이 선호됩니다.
그러나 알루미늄 합금의 강도와 열 피로 성능의 한계로 인해 고출력 엔진 블록에 적용하기 어렵고 비용이 상대적으로 높습니다.
3.2 C일린더 헤드
엔진 실린더 헤드는 알루미늄 합금의 주요 응용 분야이며, 특히 알루미늄 합금 소재가 대부분을 차지하는 승용차 실린더 헤드 시장은 알루미늄 합금의 주요 응용 분야입니다.
트럭 시장에서 고출력 엔진 실린더 헤드에 주철을 사용하는 경우는 드물며, 버미큘러 철 실린더 헤드가 선호되는 옵션이되어 균열 문제를 해결할 수 있습니다. 회색 주철 실린더 헤드.
3.3 C순위축
엔진 슈퍼차징 기술의 적용은 에너지 효율과 배기가스 저감을 위한 자동차의 성능 향상에 있어 매우 중요한 과정입니다.
가솔린 엔진이든 디젤 엔진이든, 특히 트럭 시장에서 과거에 널리 사용되었던 펄라이트 구상 철 크랭크 샤프트의 사용은 엔진 폭발 압력 증가로 인해 요구 사항을 충족 할 수 없으며 다음과 같은 단조 강철 재료로 대체되었습니다. 40Cr.
그러나 펄라이트 구상철 크랭크샤프트의 필렛 압연 및 유도 경화와 같은 기술의 발전으로 승용차 및 중저마력 엔진 트럭 시장에서 구상철 크랭크샤프트는 계속해서 상당한 시장 점유율을 차지하고 있습니다.
또한 등온 담금질 연성 철로 만든 엔진 크랭크샤프트도 국내외에서 연구되고 있습니다.
3.4 O그
각종 브래킷, 디스크, 쉘, 스티어링 부품 등 엔진과 섀시의 지지 부품 및 구조 부품과 같은 기타 자동차 주물은 성능 요구 사항을 충족하기 위해 주철 소재로 만들어집니다.
자동차 환경 보호 요구 사항이 계속 진화함에 따라 회주철과 주강의 사용은 점차 감소하는 반면 고성능 연성 주철, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금 및 특수 주철 소재가 점점 더 널리 보급되고 있습니다.
3.5 D개발 트렌드
현재 주철은 자동차 주조에 사용되는 주요 소재입니다. 특히 연성 주철의 사용으로 많은 강철과 회색 주철이 대체되었습니다. 철 주물자동차 부품에서 연철의 사용은 감소하고 있습니다. 뛰어난 강도와 인성, 생산 용이성 덕분에 연철의 활용도가 높아졌습니다.
고강도 및 고인성 연성 철의 연구 및 개발은 업계에서 지속적으로 사용되기 위해 매우 중요할 것입니다. 또 다른 유망 소재인 등온 담금질 연성 철은 기계적 특성이 뛰어나며 특히 크랭크샤프트, 기어, 브래킷 및 구조 부품 생산에서 해외에서 빠르게 개발되어 성공적으로 적용되고 있습니다.
1948년에 발명된 버미큘러 흑연 주철은 생산 범위가 좁고 성능이 제한적이어서 그 사용이 제한적이었습니다. 그러나 생산 제어 기술이 발전함에 따라 버미큘러 흑연 주철은 복잡한 주물 생산에서 미래를 가질 수 있습니다. 인장 강도, 탄성 계수가 높고 피로 강도 을 주철이나 알루미늄보다 더 많이 함유하고 있어 엔진 실린더 블록과 헤드에 이상적인 소재입니다.
차량 경량화 추세로 인해 자동차 주조에 마그네슘과 알루미늄 합금이 사용되고 있습니다. 차량 중량이 10% 감소할 때마다 연료 소비량은 5.5% 감소하고 배기가스 배출량은 약 10% 감소합니다. 알루미늄 합금은 밀도가 철의 1/3로 가볍고 회주철과 동등한 강도를 가지고 있어 엔진 실린더 블록과 헤드 제조에 이상적입니다.
알루미늄 합금은 최근 몇 년 동안 급속한 성장세를 보이고 있습니다. 마그네슘 합금는 밀도가 가벼워 자동차 스티어링 휠, 시트 프레임, 계기판, 커버 등 다양한 부품에 적용되고 있으며, 연구와 적용이 계속 발전하고 있습니다.
자동차 주조 통합 설계
자동차 산업에서 에너지 효율성과 환경 보호에 대한 요구가 증가하고 생산 비용을 절감해야 할 필요성이 커지면서 주조 성형의 장점을 활용하여 최적화된 설계와 구조를 통해 부품의 통합을 달성하고 있습니다. 여기에는 스탬핑, 용접, 단조, 주조로 형성된 여러 부품을 결합하여 부품의 무게를 줄이고 가공 단계를 줄여 궁극적으로 더 가볍고 고성능의 부품을 만드는 것이 포함됩니다.
자동차 산업에서 주조를 통합하는 추세는 특히 비철 합금 주조에서 두드러집니다.
복잡한 구조 주물 생산에 주조 공정을 최대한 활용하기 위해 도어 내부 패널, 시트 프레임, 계기판 프레임, 프론트 엔드 프레임 및 방화벽과 같은 통합 설계 고압 주물의 사용이 증가하고 있습니다.
이러한 주물은 현재 생산되는 주물에 비해 크기가 훨씬 커서 생산에 4000-5000톤 이상의 다이캐스팅 기계가 필요합니다.
그림 10 테슬라 모델 Y 통합형 주조 차체
자동차 주물의 경량화
차량의 강도와 안전성을 유지하면서 동력 성능을 개선하고 연료 소비를 줄이며 배기가스 오염을 줄이려면 차량의 공차 중량을 최대한 최소화하는 것이 중요합니다.
차량 공차 중량이 100kg 감소할 때마다 100km당 연료 소비량은 0.3~0.6리터 감소할 수 있습니다.
차량 중량을 101톤 줄이면 연비가 61톤에서 81톤으로 증가합니다.
환경 보호와 에너지 절약에 대한 관심이 높아지면서 경량화는 전 세계 자동차 산업의 트렌드가 되었고, 자동차 주물 경량화는 중요한 개발 방향이 되었습니다.
경량화의 실현은 주로 다음 세 가지 사항을 통해 이루어집니다:
1) 가벼운 디자인
동일한 두께 설계의 주요 단점 중 하나는 구조적 성능을 충분히 활용하지 못하고 주조 중량이 증가한다는 점입니다.
부품 및 구성 요소의 설계를 최적화하기 위해 CAE 분석, 토폴로지 최적화 및 기타 방법을 사용하여 각 부품의 응력 값을 균등화하여 벽 두께가 일정하게 유지되도록 합니다. 응력이 낮은 부품의 재료 두께를 줄여 부품의 무게를 줄입니다.
주조 성형은 복잡한 구조의 주조와 다양한 불규칙한 단면을 제작할 수 있다는 장점이 있습니다. 설계 과정에서 CAE 또는 토폴로지 최적화를 사용하여 부품의 응력을 분석합니다.
힘 분포에 따라 부품의 모양과 특정 국부적 재료 두께가 결정됩니다. 보강, 구멍 파기, 단면 변경을 통해 부품의 무게를 크게 줄일 수 있습니다.
2) 경합금 소재 적용
알루미늄과 마그네슘과 같은 경합금 소재의 사용은 전 세계 자동차 제조업체들이 채택하고 있는 주요 경량화 조치입니다.
알루미늄은 밀도가 강철의 3분의 1에 불과하며 내식성과 연성이 뛰어납니다. 마그네슘은 밀도가 더 낮아 알루미늄의 3분의 2에 불과하며 고압 주조 조건에서 유동성이 뛰어납니다.
알루미늄과 마그네슘은 모두 비강도(질량 대비 강도의 비율)가 높아 차량의 무게를 줄이고 연비를 개선하는 데 중요한 역할을 합니다.
하지만 알루미늄과 마그네슘과 같은 경합금의 원자재 가격이 철강 소재에 비해 상당히 높기 때문에 자동차 산업에서 폭넓게 적용하는 데 한계가 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.
높은 원자재 비용에도 불구하고 각 차량에 마그네슘과 알루미늄 주물의 사용량은 해마다 계속 증가하고 있습니다. 한편으로는 이러한 비용 증가가 기술 발전으로 상쇄되고, 다른 한편으로는 시장 경쟁으로 인해 자동차 제조업체가 마진을 줄이고 더 많은 경합금을 채택하도록 강요하고 있습니다.
그러나 첨단 성형 기술의 개발은 경합금 사용을 크게 늘리고 마그네슘 알루미늄 잉곳의 비용을 절감하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
3) 주조 재료의 고성능
소재의 성능을 개선하고 부품이 단위 중량당 더 높은 하중을 견딜 수 있도록 하는 것은 주물의 무게를 줄이는 효과적인 방법 중 하나입니다.
브래킷 구조 주물은 자동차 주물의 상당 부분을 차지하기 때문에 주물 개발이 핵심입니다.
열처리 및 기타 기술을 통해 소재의 미세 구조를 변경하여 부품의 강도, 강성 또는 인성을 개선하고 무게를 효과적으로 줄일 수 있습니다.
등온 담금질 연성 철은 일반 주강보다 강도가 높고 밀도가 낮습니다. 밀도는 7.1g/cm입니다.3반면 주강은 7.8g/cm입니다.3. 이 자료는 최근 몇 년 동안 널리 권장되고 있습니다.
등온 담금질 연성 주철을 채택함으로써 주물은 같은 크기의 강철 주물보다 10% 더 가벼워졌습니다.
표 1 등온 담금질 연성 철 소재 대체의 경량화 효과
| 예비 부품 | 등온 담금질 연성 철 무게(kg) | 캐스트 강철 무게 / kg | 무게 감소 비율 /% |
| 프론트 서스펜션 어퍼 크로스 | 10.25 | 25 | 59.00 |
| 프론트 서스펜션의 하부 크로스 암 | 32.46 | 64 | 49.28 |
| 프론트 서스펜션 상단 스프링 브래킷 | 21.28 | 34.6 | 38.50 |
| 리어 서스펜션 하부 스프링 브래킷 | 20.74 | 33.16 | 37.45 |
| 리어 서스펜션 하부 크로스 멤버 | 9.32 | 50.16 | 84.58 |
알루미늄 및 마그네슘 합금 주물의 경우, 고강도 및 고인성 소재도 대체재로 사용됩니다.
기존의 경량 합금으로 달성한 경량화를 기반으로 고성능 소재를 사용하여 무게를 더욱 줄였습니다.
예를 들어, 미국 제너럴 모터스에서는 기존 알루미늄 합금 대신 고성능 AE44 합금을 사용하고 고압 주조를 통해 프레임을 생산합니다. 그 결과 알루미늄 합금으로 무게를 줄인 것 외에 추가로 6kg의 무게를 줄일 수 있었습니다.
자동차 주조의 디지털 개발
자동차 주조 개발과 디지털 기술의 통합으로 주조 기술 수준이 크게 향상되고 제품 설계 및 프로토타입 생산 주기가 단축됩니다.
현재 디지털 제조 기술은 자동차 주조 개발에 널리 사용되고 있습니다.
주조 구조물 및 주조 공정의 설계 단계에서는 Pro/E, CATIA, UG와 같은 3D 설계 소프트웨어가 일반적으로 사용되며, 일부 선진 주조 회사에서는 페이퍼리스 설계를 구현하고 있습니다.
응고 공정, 미세 구조, 구성 요소 분리 및 시뮬레이션을 위해 Magma, ProCAST, Huazhu CAE와 같은 소프트웨어가 활용됩니다. 재료 속성 자동차 주조의 시뮬레이션을 제공합니다. 이러한 시뮬레이션에는 주조 공정의 속도 필드, 농도 필드, 온도 필드, 위상 필드 및 응력 필드도 포함되어 있어 대량 생산 전에 최적화된 공정 계획을 수립할 수 있습니다.
자동차 주조품 개발의 빠른 속도를 따라잡기 위해 CAD/CAE 설계 및 개발을 기반으로 자동차 주조품의 신속한 프로토타입 제작을 위해 래피드 프로토타이핑 기술(RP)이 널리 사용되고 있습니다.
원본 CAD/CAE 데이터는 본딩, 융착 또는 소결을 통해 층별 적층을 통해 주조 프로토타입 또는 금형 프로토타입을 만드는 데 사용됩니다. 전자는 인베스트먼트 주조 또는 석고 주조를 통해 프로토타입 주조 샘플에 사용할 수 있으며, 후자는 샌드 코어 제조 및 코어 조립 성형을 통한 주조 타설을 위한 금형으로 사용할 수 있습니다.
또한 분말 레이저 소결 방식(SLS)을 활용하여 주물 시험 생산을 위한 샌드 코어와 금형을 직접 제작할 수 있습니다.
비교적 단순한 구조의 외부 몰드의 경우 CNC 기계 툴을 가공 가능한 플라스틱으로 캠 가공에 사용하여 주조 시험 생산에 필요한 코어 박스와 패턴을 얻거나 샌드 블록을 직접 가공하여 외부 금형용 샌드 몰드를 제작할 수도 있습니다.
일반적으로 디지털 기술은 주물의 설계, 개발 및 시험 생산에 스며들어 주물 개발의 속도와 효율성을 크게 향상시킵니다.
현재 가장 큰 문제는 설계, 분석, 신속한 제조를 위한 디지털 기술이 분리되어 있다는 점입니다. 한 단계에서 다른 단계로 데이터를 변환하려면 여전히 많은 지루한 작업이 필요합니다.
향후 주조 개발의 각 단계에 적용되는 디지털 기술에 대한 통합 데이터 인터페이스 플랫폼을 개발하고 표준화된 데이터 변환 표준을 확립하며 서로 다른 소프트웨어 간의 원활한 데이터 변환을 통해 주조 개발 속도를 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.
박벽 복합 구조 주조 생산 기술
자동차 산업이 발전하고 에너지 효율과 배기가스 저감에 대한 필요성이 커지면서 자동차 부품의 경량화가 점점 더 진행되고 있습니다.
얇은 벽면 설계를 통해 경량화를 달성하는 것은 엔진 블록의 중요한 개발 방향입니다.
실린더 블록의 3mm 얇은 벽 설계는 코어 조립 및 수직 주조 공정에서 코어 제작 및 코어 조립에 대한 엄격한 요구 사항을 부과합니다.
핵심 제작 센터는 핵심 생산에서 높은 지능과 자동화를 달성할 수 있습니다.
원사 및 수지 첨가부터 모래 혼합, 코어 제작, 코어 수리, 조립, 코팅, 건조, 성형, 코어 조립 및 하강에 이르는 전 공정을 고도로 자동화하여 안정적인 코어 제작 품질, 조립 품질, 치수 정확도 및 코팅 건조 품질을 보장함으로써 인적 요인으로 인한 품질 및 치수 위험을 방지하고 대규모 실린더 코어 생산의 요구를 충족시킬 수 있습니다.
이를 통해 대량 생산 시 불안정하고 높은 낭비율 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
또한 샌드 코어의 치수 정확도가 향상되어 세척 작업량과 비용이 크게 감소하여 3mm 벽 두께 요건을 효과적으로 충족합니다.
대형 알루미늄 마그네슘 합금 구조 부품 제조 기술
알루미늄 마그네슘 합금의 대규모 구조 주조는 에너지 효율, 환경 보호 및 부품 비용 절감에 대한 수요 증가에 대응하여 중요한 트렌드가 되었습니다. 제조 기술 또한 현재 개발의 초점이 되고 있습니다.
현재 알루미늄 마그네슘 합금 대형 구조 부품의 주요 생산 방법에는 고압 주조, 스퀴즈 주조 및 저압 주조가 있습니다.
고압 주조는 높은 효율성과 우수한 제품 품질로 인해 지배적인 생산 공정입니다.
알루미늄 마그네슘 합금 대형 구조 부품의 제조 기술을 개선하기 위한 노력은 주로 고압 주조 시 공기 유입을 줄이고, 에어 포켓 형성을 최소화하며, 열처리 문제를 해결하는 데 중점을 두고 있습니다.
공기 포획 문제에 대한 한 가지 해결책은 고진공 다이캐스팅으로, 에어 포켓이 형성되는 것을 효과적으로 방지할 수 있습니다.
이 진공 다이캐스팅 기술은 자동차 구조용 주물 대량 생산에 성공적으로 적용되어 고품질 경합금 주물 생산을 위한 첨단 성형 기술과 공정을 제공합니다.
주물을 위한 정밀 주조 기술
자동차 주조 기술이 발전함에 따라 정밀 성형 주조는 널리 사용되는 주조 방법이 되었습니다. 이 방법을 통해 생산된 주물은 절삭을 많이 하지 않거나 아예 절삭하지 않고도 사용할 수 있습니다.
최근 주물의 치수 정확도가 향상됨에 따라 주조 정밀 성형 기술의 발전이 빠르게 이루어지고 있습니다. 정밀 모래 주조, 손실 폼 주조, 제어 가능한 압력 주조, 압력 주조 등 여러 가지 주조 성형 방법이 등장했습니다.
주조 결함을 제거하고 내부 품질을 개선하며 다이캐스팅 적용을 확대하기 위해 진공 주조, 산소 충전 다이캐스팅, 반고체 금속 유변학 또는 요변성 다이캐스팅과 같은 고압 주조 기술을 기반으로 다양한 공정 방법이 개발되었습니다.
압력을 가해 용융물을 채우고 응고시키는 스퀴즈 주조는 알루미늄 합금 서브프레임과 같은 고성능 알루미늄 합금 주조품 생산에 널리 사용됩니다. 스퀴즈 주조는 안정성, 금속 튀김 없음, 용융 금속의 산화 손실 감소, 에너지 효율, 안전한 작동, 주조 구멍 결함 감소 등의 장점이 있습니다.
자동차 생산에 대한 수요가 증가함에 따라 주물은 고품질, 우수한 성능, 그물에 가까운 형상, 다양한 종류, 낮은 소비량, 저비용이 요구되고 있습니다. 주물은 완성차에서 약 151톤에서 201톤을 차지하므로 파운드리 업계는 주물의 전반적인 수준을 향상시키기 위해 새로운 기술과 재료를 지속적으로 도입해야 합니다.
주조 정밀 주조 기술은 자동차 주조의 요구 사항을 충족하며 그 적용 범위는 다양합니다. 캐스팅 제작 자동차 주조 공정.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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