CopyrightⒸ2015 KSAE / 137-04 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.4.388 Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 4, pp.388-395 (2015)
가솔린 자동차 터보차져용 WGV Head의 금속 분말 사출성형 해석
박 보 규1)․박 시 우1)․박 대 규1)․김 상 윤1)․정 재 옥2)․장 종 관*3)
한국섬유기계연구원 구조설계팀1)․한국PIM 연구소2)․영남이공대학교 자동차계열3)
Metal Injection Molding Analysis of WGV Head in a Turbo Charger of Gasoline Automobile
Bo-Gyu Park1)․Si-Woo Park1)․Dae-Kyu Park1)․Sang-Yoon Kim1)․Jae-Ok Jeong2)․Jong-Kwan Jang*3)
1)Structure Design Team, Korea Textile Machinery Research Institute, 27 Sampung-ro, Gyeongsan-si, Gyeongbuk 712-210 Korea
2)Advanced Development Team, PIM Korea, 21 Iryeon-ro 115-gil, Jilyang-eup, Gyeongsan-si, Gyeongbuk 712-831, Korea
3)Department of Automotive Engineering, Yeungnam University College, 170 Hyeonchung-ro, Nam-gu, Daegu 705-703, Korea
(Received 31 October 2014 / Revised 20 March 2015 / Accepted 30 April 2015)
Abstract : The waste gate valve (WGV) for gasoline vehicles operate in a harsh high-temperature environment. Hence, WGVs are typically made of Inconel 713C, which is a type of Ni-based superalloy. Recently, the metal injection molding (MIM) process has attracted considerable attention for parts used under high-temperature conditions. In this study, an MIM analysis for the head and other parts of the WGV is conducted using a commercial CAE program Moldflow. Further, optimal manufacturing conditions are determined by analyzing flow characteristics at various injection times and locations. Moreover, to improve the accuracy of the analysis results, we compare the actual temperature of the mold during injection processing with that observed through the analysis. As the results, metal injection patterns of analysis are well in accord with these of short shot test. And the temperature variations of analysis is also very similar with those of feedstock when metal injection molding.
Key words : Metal injection molding(금속분말 사출성형), Waste gate valve(웨이스트게이트 벨브), Turbo charger(터보차져), Metal injection molding analysis(금속분말 사출성형해석)
Nomenclature1)
: viscosity
: shear transition stress
: viscosity coefficient
: feedstock’s density
: Feedstock’s specific heat Subscript x, y, z : x, y, z axis
*A part of this paper was presented at the KSAE 2014 Annual Conference and Exhibition
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
1. 서 론
날로 엄격해지는 대기환경규제에 대응하기 위하 여 내연기관의 열효율과 연비를 향상하고자 다운사 이징의 일환으로 세계적으로 터보차져의 개발이 활 발하다. 승용차량의 디젤기관에서는 이미 터보차져 에 관한 연구가 많이 이루어져 상용화되고 있으 며,1-5) 승용 소형급 가솔린엔진도 터보차져가 일부 장착되고 있으며, 특히 GDI엔진에서는 중대형급 엔 진까지 터보차져의 장착율이 점차 확대되고 있 다.6,7) 터보차져는 배기가스를 이용하여 터빈휠을 돌려 흡입공기를 압축하여 엔진으로 공급하는 역할
가솔린 자동차 터보차져용 WGV Head의 금속 분말 사출성형 해석
을 한다. 웨이스트 게이트 벨브(Waste Gate Valve:
WGV)는 과급압을 컨트롤하는 장치로, 배기압이 일 정 압력이 되면 작동하여 일정압력 이상 컴프레셔 가 가압되지 않도록 조절해주는 장치이다. 가솔린 터보차져용 WGV는 고온의 가혹한 환경에서 사용 되는 제품으로 초경도 합금인 Inconel 713C를 사용 한다. 그러나 Inconel 소재는 초내열 합금으로 정밀 주조 및 가공을 통한 정밀한 가공이 어려워 대량 생 산시 경제성이 떨어진다. 따라서 형상과 치수정밀 도 및 고온에서의 특성을 구현하면서 대량 생산시 경제성을 확보하는 방법으로 금속 분말 사출성형 (MIM: Metal Injection Molding)방법이 각광을 받고 있다.8)
MIM 공법은 플라스틱 사출성형 기술과 분말야 금의 소결기술의 이점을 융합시킨 공법이라 할 수 있다. MIM공법의 전체 공정은 금속분말과 유기결 합제(binder)를 혼합하여 feedstock을 제조하는 혼련 공정, feedstock을 용융된 상태에서 사출성형 하는 사출 공정, 제조된 사출체에서 유기결합체를 제거 하는 탈지공정 그리고 금속분말을 결합시켜 최종 물성을 부여하는 소결공정으로 구성되어 있다.
WGV는 Fig. 1과 같이 3가지 부품으로 구성되어 있으며 각 부품은 MIM공정으로 제작 후 head와 washer를 용접하여 완성한다. 본 연구에서는 WGV 를 구성하는 부품 중 head에 대하여 분말 사출성형 을 적용하기 위하여 CAE를 통한 금형설계를 하고자 한다. 그러나 일반적인 플라스틱 사출성형 해석의 경우 다양한 상용 CAE 소프트웨어가 있으나 MIM 공정에 대해서는 아직까지 정확한 해석 방법이 알려 진 바가 없다. 본 논문에서는 상용 사출해석 프로그 램인 Moldflow를 이용하여 MIM공정을 해석하고 실 제 사출실험과 비교하여 정확성을 검증하였다.
Fig. 1 Waste Gate Valve (WGV) assembly
2. 사출 성형 해석 2.1 Feedstock 물성분석
본 연구에서 사용한 CAE해석 프로그램은 사출성 형 해석용 프로그램인 Moldflow를 사용하였다.
Moldflow에서 사용되는 연속방정식, 운동방정식, 에너지 방정식은 각각 다음과 같이 표현된다.
(1)
(2)
(3)
(4)
점성()는 7개의 재료상수를 갖는 modified Cross WLF model을 사용하였으며 식은 다음과 같다.
(5)
여기서 n은 지수, 는 전단 전이응력(transition stress), 는 전단력이 작용하지 않을 경우의 점성 계수로 다음과 같다.
exp
(6)
× , (7) 본 연구에서 사용된 Inconel 713C feedstock의 물 성치는 Autodesk사의 lab에 의뢰하여 측정하였으며 점성모델에 사용되는 상수는 Table 1에 나타내었다.
Fig. 2는 전단률 변화에 따른 Inconel 713C의 점도 특 성 변화와 압력, 온도, 부피와의 관계를 나타내는 pvT선도를 나타내었다.
2.2 Gate위치에 따른 유동해석
금형제작을 위해서 최적의 gate위치를 선정해야 한다. Fig. 3은 head금형 제작시 가능한 gate위치를
Bo-Gyu Park․Si-Woo Park․Dae-Kyu Park․Sang-Yoon Kim․Jae-Ok Jeong․Jong-Kwan Jang
Table 1 Parameters in cross WLF model Cross WLF viscosity model coefficients
n 0.4163
5.58892 e-007 [Pa]
6.78928e+022 [Pa]
373.15 [K]
0 [K/Pa]
22.368
51.6 [K]
(a) pvT
(b) Viscosity
Fig. 2 Rheological and pvT properties of Inconel 713C feedstock
나타내었다. Gate는 head의 상부 1, 2gate와 하부 1, 2gate 총 4가지 경우에 대하여 충진양상(filling pattern)과 사출시 압력변화를 비교하였다. Fig. 4는 해석에 사용된 유한요소 모델이다. 해석시 별도의 냉각유로는 설계하지 않고 이상적인 냉각이 진행된 다고 가정하였다. 금형의 표면 온도는 35도 녹는점 은 160도, 보압은 사출압(injection pressure)의 80%로
(a) Upper 1gate
(b) Upper 2gate
(c) Lower 1gate
(d) Lower 2gate Fig. 3 Gate location
Fig. 4 Finite element model
10초, 냉각은 20초 그리고 충진 시간(filling time)은 4 초로 설정하여 해석을 수행하였다.
Fig. 5는 gate의 위치에 따른 충진양상을 나타낸 것으로 충진양상은 gate의 숫자에 따라 유사한 양상 을 나타난다. 1gate를 사용한 경우 양쪽의 돌기 부분 이 늦게 충진되며, 2 gate의 경우 레버와 결합되는 중 앙의 원통 부분이 늦게 충진되는 양상을 보이며 중 앙부에서 weldline이 형성될 것으로 예상된다.
Metal Injection Molding Analysis of WGV Head in a Turbo Charger of Gasoline Automobile
(a) Upper 1gate
(b) Upper 2gate
(c) Lower 1gate
(d) Lower 2gate Fig. 5 Distribution of fill pattern
최대 사출압력은 보압으로 전환되기 직전의 사출 압력으로 Table 2와 같이 보압전환시 사출압은 gate 의 숫자가 증가함에 따라 증가한다. 또한 gate가 상 부에 위치한 경우에 비하여 하부에 위치한 경우에 사출압이 낮음을 알 수 있다. Head 제품의 경우 배기 압을 받는 head의 아래쪽과 lever가 연결되는 중앙 의 원통 부분의 결함이 적어야 한다. Fig. 6과 같이
Table 2 Gate location and pressure during V/P switchover
Upper Lower
1gate 2gate 1gate 2gate Pressure at
V/P switchover 1.603
MPa
2.328 MPa
1.206 MPa
1.658 MPa
(a) Upper 1gate
(b) Upper 2gate
(c) Lower 1gate
(d) Lower 2gate
Fig. 6 Distribution of average volumetric shrinkage 성형후의 변형을 분석한 결과 전체 적으로 중앙의 원통 부분이 수축율이 높음을 알 수 있다. 그러나
박보규․박시우․박대규․김상윤․정재옥․장종관
2gate에 비하여 1gate를 사용하는 경우 중앙의 원통 부분에 국부적으로 수축률이 높아 성형 완료 후 탈 지나 소결공정에서 문제가 발생할 소지가 높다. 따 라서 WGV head의 사출은 2gate가 적당하며, gate의 위치는 하부에 위치하는 것이 더 바람직할 것으로 판단된다.
2.3 최적사출 조건 계산
선정된 gate의 위치를 바탕으로 최적사출조건 을 계산하기 위한 해석을 수행하였다. 해석시 사 출시간을 0.5 ~ 4초까지 0.5초간격으로 변화시켰 으며 사출온도는 160도 보압은 최대 사출압력의 80%로 10초 냉각은 자연냉각을 적용하였다. 해석 결과 Fig. 7과 같이 사출압력은 사출시간이 1.5 ~ 2.0초 사이에서 가장 낮은 값을 보인다. 사출해석 에서의 최적 사출조건은 사출압력이 최저인 시점 이므로 최적의 사출시간은 1.5 ~ 2.0초라고 할 수 있다.
Fig. 7 Injection pressure vs. Filling time
3. 사출성형해석 결과 검증
Moldflow는 일반적으로 플라스틱 사출성형 해석 에 사용되는 software로 MIM 공법에 적용하기 위한 연구가 다양하게 진행 중이다. 따라서 본 연구에서 는 상기의 해석결과를 바탕으로 실제의 금형을 설 계 및 제작하였다. Moldflow 해석결과를 검증하기 위하여 충진양상 및 충진시 금형 내부 온도변화를 측정하여 해석 결과와 비교하였다.
3.1 충진양상 분석
실제 충진 양상과 해석에서의 충진 양상을 비교 하기 위하여 feedstock의 수지 계량을 조정하여 미충 진실험(short shot test)를 수행하였다. Fig. 8은 미충 진 실험과 해석상의 충진 양상을 비교한 결과를 나 타내었다. 미충진 실험 결과와 해석상 충진 양상을
(a) Filling time 0.4 sec
(b) Filling time 1.22 sec
(c) Filling time 2.3 sec
(d) Filling time 3 sec
Fig. 8 Short shot experiment of WGV head vs. Filling analysis
가솔린 자동차 터보차져용 WGV Head의 금속 분말 사출성형 해석
(a) Experiment and analysis results by injection speed at injection temperature of 155°C
비교시 실제 head가 충진되는 양상을 잘 묘사하고 있음을 알 수 있다.
3.2 실제 사출시 금형 내부 온도 변화 분석 실제 사출시 금형 내부의 온도 변화를 측정하기 위하여 Fig. 9와 같이 측정을 위치를 선정하고 금형 에 열전대(thermocouple)를 삽입하여 측정하였다.
실제 WGV head는 사출온도 160°C 사출속도는 15mm/s로 생산이 된다. 이 조건을 사출시간으로 환 산하면 약 2초 정도로 전술한 최적 해석조건에 일치 하는 시간이다. 이 조건을 기준으로 금형 내부의 온 도 변화를 관찰하기 위하여 사출온도 및 사출속도 를 변화시켜 Table 3과 같이 측정 case를 설정하였다.
사출해석을 묘사하기 위하여 사출금형의 gate와 runner를 포함하여 Fig. 10과 같이 해석 모델링을 수
Fig. 9 WGV head mold and temperature measured point
정하여 해석을 수행하였다.
Fig. 11은 해석과 실험결과를 비교하여 나타낸 그 래프이다. Point 1의 경우 돌출된 형상으로 인하여 point 2에 비하여 급속히 냉각되는 경향을 보인다.
해석의 경우 point 1, point 2의 온도가 동일하게 계산 되나, 실제 실험의 경우 point 1이 point 2에 비하여 약 20°C 정도 낮은 온도로 측정이 되었다.
Table 3 Case of Actual injection molding process Injection speed
(mm/s)
Melt temperature
155 160 165
10 Case 1-1 Case 2-1 Case 3-1
15 Case 1-2 Case 2-2 Case 3-2
25 Case 1-3 Case 2-3 Case 3-3
Fig. 10 Finite element model
Bo-Gyu Park․Si-Woo Park․Dae-Kyu Park․Sang-Yoon Kim․Jae-Ok Jeong․Jong-Kwan Jang
(b) Experiment and analysis results by injection speed at injection temperature of 160°C
(c) Experiment and analysis results by injection speed at injection temperature of 165°C Fig. 11 Temperature change during injection
실제 사출성형에서는 수지의 온도보다 수지의 고 화 속도가 더 중요하다. 수지의 온도는 금형의 온도, 공정 간격, 주위 온도 등 다른 변수의 영향을 많이 받기 때문에 해석과 일치하는 값을 얻기 힘들 부분 으로 중요한 변수가 아니다. 그러나 온도 변화 경향 은 재료의 미충진 및 결함의 발생과도 연관이 되어
있어 중요한 변수 중 하나이다. 해석결과와 실험결 과를 비교했을 때 전체적으로 실제 온도 변화에 대 한 경향을 비교적 잘 예측하고 있다고 판단하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 가솔린자동차 turbo charger용 WGV
Metal Injection Molding Analysis of WGV Head in a Turbo Charger of Gasoline Automobile
head의 금속분말사출 성형해석을 수행하였다. 이를 통해 실제 사출성형에서 발생할 수 있는 문제점을 파악하여 금형 설계에 반영하였고, 실제 제작된 금 형을 이용하여 실제 사출실험을 통해 CAE 해석의 정확성을 검증하였다.
1) WGV head 사출은 2gate로 head의 후면에서 사출 하는 것이 사출압력 및 소결시 변형부분에서 유 리함을 검증하여 실제 금형 제작에 반영하였다.
2) 최적사출 시간은 사출압력이 최소가 되는 시간 (1.5 ~ 2.0초)으로 결정하였다.
3) Short shot test를 통해 실제 사출시 충진양상과 해 석에서의 충진양상과 비교하였으며, 충진양상 이 잘 일치함을 확인하였다.
4) 실제 사출시 feedstock의 온도 변화를 측정하였 고, 온도 변화 경향이 해석결과와 비교적 잘 일치 함을 확인하였다.
후 기
본 과제는 한국산업기술평가관리원에서 주관하 는 우수제조기술연구센터사업의 지원으로 진행되 었으며, 이에 관계자 여러분께 감사를 드립니다.
References
1) M. D. Eom, M. S. Kim and D. S. Baik, “A Study on Performance, Characteristics in Diesel Engine When Applied Ball Bearing Type Turbocharger,” Transactions of KSAE, Vol.18, No.4, pp.74-78, 2010.
2) Y. H. Kang and D. H. Choi, “Simulation-based Optimum Allocation of a Resonator for Redu- cing the Blow Noise of a Turbocharger in a Diesel Engine,” Transactions of KSAE, Vol.18,
No.2, pp.129-134, 2010.
3) D. J. Park, C. H. Kim and Y. B. Lee, “A Study on the Characteristics of the Oil-free Turbo- charger for Diesel Engine Vehicles,” Transac- tions of KSAE, Vol.16, No.4, pp.47-55, 2008.
4) C. H. Hyun, K. H. Jung, C. S. Jung, B. M. Doo and Y. G. Koo, “Comparison of WGT and VGT Turbocharger for EGR System of Heavy-duty Diesel Engine for Meeting EURO-V,” KSAE Spring Conference Proceedings, pp.269-274, 2008.
5) J. Y. Huh, J. E. Chung, Y. W. Jin, W. Kang and J. W. Chung, “Coordinated Control of EGR and VGT in the Diesel Engine,” Transactions of KSAE, Vol.16, No.4, pp.159-164, 2008.
6) N. H. Cho, H. C. Park and M. R. Kim, “Effect of Boosted Intake Pressure on Stratified Com- bustion of a Gasoline Direct Injection Engine,”
Transactions of KSAE, Vol.11, No.2, pp.48-55, 2003.
7) J. D. Ryu, Y. W. Yoon and C. S. Lee, “The Study of Engine Output and Emission Cha- racteristics according to Air Fuel Ratio for a Supercharged LPLi Engine,” Transactions of KSAE, Vol.10, No.4, pp.77-84, 2002.
8) D. F. Heaney, Handbook of Metal Injection Molding, Woodhead Publishing in Materials, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, pp.1-25, 2012.
9) B. G. Park, D. K. Park, S. W. Park, S. Y. Kim, J. O. Jeong and J. K. Jang, “Metal Injection Molding Analysis of WGV Head in a Turbo Charger of Gasoline Automobile,” KSAE Annual Conference Proceedings, pp.1141-1146, 2014.
