본 연구에서는 자동차 타이어 제조에 사용되는 타이어 몰드의 제작과정에서 각 각의 주조재인 AC7A와 AC4C의 열변형 특성을 수치해석 방법으로 예측해보고 금 형의 정밀도를 향상할 수 있는 제어방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해서 자동차 타이어 몰드 트레드 부분의 온도변화를 실험하여 도출한 결과와 비교․분석한 후, 변위와 응력분포를 수치해석적으로 계산하여 예측하면서 이를 제어하고자 하였다.
수치해석을 위해서 유한요소법(FEM)을 적용한 “COMSOL MULTIPHYSICS 3.3 VER"의 수치해석 프로그램을 이용하여 편미분 방정식(PDE)으로 구현된 물리현상 을 시뮬레이션 할 수 있도록 하였다. 본 수치해석에 사용한 상용코드는 열전달 (Heat Transfer), 구조역학(Structural Mechanics), MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), 전기역학(AC/DC), 음향해석(Acoustic), 화학공학(Chemical Engineering)등과 같은 다양한 분야에서 다중물리식을 이용하여 복합적으로 모델을 쉽게 구현할 수 있고, 다중물리현상을 적용하여 해석할 수 있는 특징을 가지고 있어 타이어 몰드의 주조과정에서 발생하는 열변형을 해석하기위해 열전달과 구조역학 모듈을 혼합한 열․구조 해석법을 적용하여 사용하였다.
Fig. 9는 수치해석을 위한 3차원 모델링 형상으로서 타이어 몰드용 금형, 금형주 조장치 그리고 코어로 구성되어 있다. 각각의 구성요소에 있어서 몰드는 AC7A와 AC4C Al합금, 금형주조장치는 스테인리스강, 그리고 코어는 석고로 구성되어 있다.
그리고 온도는 Fig. 5에서와 동일한 지점에서 측정하였다.
Fig. 9 3-dimensional analysis model of metal casting device
3.4 수치해석 방법
수치해석을 위한 모델링 형상으로서 Fig. 9와 같이 모델링 한 다음 각각의 부분 에 물성치 및 경계값을 적용하여 수치해석을 수행하였다.
우선 주조장치 부분의 예열온도를 약 200℃로 설정하고, 코어 부분의 예열온도를 80℃로 설정한다. 그런 다음 AC7A Al합금의 온도를 640℃로 설정하여 약 15분간 해석한다. 그런 다음 주조장치를 분리하여 나머지 몰드와 코어가 결합된 상태로 상 온상태에서 자연냉각과정을 거쳐 측정지점의 온도가 50℃이하가 될 때까지 해석을 수행한다.
그리고 AC4C Al합금의 경우 온도를 613℃로 하고 약 25분간 해석한 다음 AC7A 와 동일한 방법으로 주조장치에서 분리한 다음 50℃가 될 때까지 냉각시킨다. Al합 금의 초기 온도설정은 각 합금의 녹는점을 기준으로 설정하였고, 최종 완료 시점의 온도를 50℃이하로 설정한 것은 상온상태를 약 30℃로 가정했을 때, 금속재료의 종 류에 따라 각기 온도차에 의해 발생되는 열응력은 다소 차이가 있지만 일반적으로 냉각시간에 따른 온도차가 약 25℃이상 형성되었을 경우 열응력이 발생 된다[23, 24]는 점을 감안하여 주형틀 내부에서 타이어 몰드의 냉각이 완료되는 시점을 50℃
이하로 설정하였다. 또한, 각각의 경계부분에서는 전도 및 대류현상으로 설정하여 수치해석을 수행하였다.