5.4 주물품질에서 본 제품설계

5.4.1 주조결함

주물의 이점은 대형에서 소형까지 복잡한 형상도 제조할 수 있는데
①재료의 성상이 액체⇒고정으로 변태한다.
②조형 및 조재취출시 빼기구배를 요한다.
③형맞춤부에 이바리가 발생한다.
등의 점을 고려해 주조결함이 없고 생산성이 좋은 주물을 만들어야 한다. 여기서는 주조결함의 발생을 방지하는데 있어서의 제품설계 예를 소개하겠다.

(1) 일반두께

주형 내에 용탕을 충분히 충전하는데 필요한 두께를 일반두께라한다. 충전시키는 힘은 용탕온도, 형온, 주물의 두께에 지배되며얇은 것은 제품이 크면 충전할 수 없다.
또 주물의 강도를 만족시키기 위해 단순히 두께를 증가시켜도 알루미늄합금은 응고수축이 커지므로 내부결함이 발생하기 쉽다.

(2) 두께 변화

급격한 두께 변화 없이 가능한 한 매끄럽고 일정한 두께를 유지하며 수축캐비티, 수축균열을 방지한다.

(3) 패딩

주물의 지향성 응고, 주형의 언더커트 및 강도를 고려하고 제품의 기능을 잃지 않도록 형상의 단순화를 꾀한다.

(4) 돌기형상

일반 형상부에 돌기한 리브나 축두를 설치할 때 그 형상의 볼륨이나 높이에 따라 주조결함이 발생한다. 두께에 비해 리브나 축두가 너무 작으면 균열이 생기기 쉬우며 돌기가 너무 높으면 형상의 끝에 용탕 흐름 불량이 발생한다.

(5) 빼기구배

주조품은 조형시 또는 조재취출시 주형에서 이형하기 위해 빼기구배를 해야 한다. 공법에 따라 빼기구배의 크기는 달라지는데 주물표면을 체결자리에 사용할 때는 가능한한 작은 쪽이 유리하지만 조형시 주형이 부서지거나 제품이 긁히거나 균열이 잘 발생하게 된다.

(6) 주형빼기 구멍의 지름과 깊이

일반적으로는 Φ4mm이상이 타당하다. 단 품질대책에서 주형빼기구멍을 만들 수 없는 경우는 Φ3mm까지 가능하게 되어 있다. 한계치수는 핀의 굽힘, 꺾임의 조건이 나쁘게 되지만 생산가능한 치수를 나타낸다.

(7) 변형방지

주조공법상에서 이형을 할 때 주물에 변형을 발생시키지 않는 수단을 마련하지만 제품형상에 있어서도 이형성을 고려한 형상으로해야한다.

(8) 가공대

기계가공면에 나타나는 결함은 수축캐비티, 가스결함 등이 주요 결함이다. 고압주조법에 있어서 가공값 소멸은 가공표면에 결함을 발생시키지 않는데 효과적인 방법이다.
일반적으로 칠층은 0.2mm~1.0mm정도이며 칠층의 범위 내에 가공대를 설정하는 것이 바람직하다. 유압회로 등 완전한 주물표면화에 의해 기름유출로인한 수리공정수가 감소한다.

5.4.2 주조다듬질

주조품의 공정수 내역을 보면 용탕주입:4, 다듬질:6의 비율이다.그래서 다듬질 공정수의 저감이 원가상 유리하며 다듬질성을 고려한 제품설계가 중요하다. 또 주조다듬질 자국은 외관품질을 좌우한다.

(1) 주형분할면의 간소화

금형분할면이 증가하면 주조핀의 제거길이가 증가하고 다듬질 공정수가 증가한다.

(2) 이바리 다듬질성을 고려한 제품형상

이바리제거작업을 단시간 안에 확실하게 하는 제품형상으로 하는것은 기계 또는 수작업에서의 이바리 제거에 있어 중요하다.제품형상에 따라 형분할면의 이바리는 형상이 복잡하기 때문에 용이하게 제거할 수 없는데 직선상의 리브추가에 의해 작업이 단축되고 기계에 의한 경우도 다듬질 정도가 향상하게 된다.

5.4.3 기계가공과의 관계

조재치수의 정도나 가공량, 완성두께보증을 위해 결정해야 하는 사항은 주조품을 만드는 데에도 중요하다.

(1) 기계가공기준

주조품의 치수정도를 보증할 때의 기준과 차 공정 기계가공의 기준은 같아야 한다. 기준면은 X.Y기준과 Z기준이 있는데 그 기준면은 주물표면이 사용되므로 결함이 적은면, 기계가공 후 남는 면 등에 유의해서 기준면을 설정한다.

5.5 품질공학에의 적용

5.5.1 품질공학이란?

주조는 관리해야 하는 여러 조건이 많은데 주조품질과 여러 조건과의 관계가 명확하게 되어 있지 않은 경우가 많기 때문에 여러조건이 관리하에 있어도 품질상 결함이 생긴다.
종래 품질대책은 경험에 근거한 것이 대부분으로 부작용을 염두에 두지 않고 주먹구구식으로 문제를 해결했기 때문에 품질이 좋다 하더라도 원가상승은 피할 수 없다는 문제가 있었다.
한편 품질공학은 기능을 불규칙하게 만드는 요인을 무조건 없애는 것이 아니라 오차가 있더라도 기능에 영향을 미치지 않는 방법(파라메타설계)으로 품질과 원가를 양립시키는 방법이며 이것은 중력주조부품에서 만성불량이었던 수축캐비티를 품질공학의 망대특성(부하없이 일정값으로 크면 클수록 좋은 특성)으로 대책을 마련한 사례를 소개하겠다.

5.5.2 품질공학을 이용한 중력주조부품의 품질향상대책

중력주조부품에서 가공면은 수축캐비티 불량이 문제가 되지만 수축캐비티의 품질문제를 해결하기 위해 망대특성을 적용해서 주조품질을 향상시킬 수 있다.
그절차는 다음과 같다.

(1) 현상조사

QC절차를 이용해 불량가감을 정량화한다.(특성요인도,팔렛도 외)

(2) 요인연구

수축캐비티 발생의 메카니즘을 요인계통도로 나타내고 고유기술에서 중요한 인자를 밝혀낸다.

(3) 계측치 선택

수축캐비티의 대용특성으로서 비중 선택

(4) Lⁿ(n=18)실험

밝혀낸 7인자(용탕온도, 더빌각속도, 더빌변속점, 금형온도, 도형재 종류, 탕구크기, 수소가스량)를 제어인자로 하고 보스R을 오차인자로 해서 Lⁿ직교표로 나누어 실험한다.
의 불규칙성을 적게 하기 위해 SN비 요인효과도의 이득이 높은 수준을 비중을 올리는 데는 감도요인효과도의 이득이 높은 수준을 선택한다. 양자가 상반하는 경우는 고유기술판단으로 선택한다.

(5) 데이터해석

망대특성에서 SN비, 감도를 향상시키는 수준을 선택하고 확인실험을 한다.

(6) 대량생산의 효과 및 대량생산 대책효과를 확인해 수축캐비티에 의한 불량을 대폭적으로 감소했다.

(남선알미늄 알루미늄기술편람 발췌)