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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.5 pp.111-117
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.05.111

Manufacturing System of Centrifugal Cast Metal Bearing by Dehydrogenation

Jeung-Hun Kim*, Chung-Gu Kim**, Jea-Young Byen*, Eun-Suk Lee*, Ji-Yung Yang*, Won-Sik Choi*#
*Bio-Industrial Machinery Engineering, PUSAN NATIONAL UNIVERSITY
**Kumho Tech.
#Corresponding Author : choi@pusan.ac.kr Tel: +82-55-350-5425 , Fax: +82-55-350-5429
23/04/2020 04/05/2020 07/05/2020

Abstract


Centrifugal casting is suitable for producing hollow-products using centrifugal force. Bush type metal bearings are the key parts that facilitate the rotational movement of various machinery. Metal bearings produced by conventional centrifugal casting machines show rotational imbalance. Therefore, after injecting a large amount of material, the product’s precision is secured in the secondary processing. Rotational imbalance is caused by the force acting on the rotary disc plate. In order to minimize rotational imbalance, NASTRAN was used for the optimal design and structural analysis. It was concluded that the rotating plate of the conventional centrifugal casting machine should be prevented from tilting. For this purpose, the location & thickness of the stiffeners were obtained through the optimum design. In the conventional centrifugal casting machine, both ends of the product are lower in temperature than the center part, so internal stress occurs. This solves this problem by inserting a heating coil into the rotating plate.



탈수소 열처리 공정에 의한 원심주조 메탈베어링의 제조 시스템

김 정훈*, 김 충구**, 변 재영*, 이 은숙*, 양 지웅*, 최 원식*#
*부산대학교 바이오산업기계공학과
**금호테크

초록


    Korea Technology and Information Promotion Agency for SMEs

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    원심주조법는 회전하는 원통주형내에 용탕을 넣 고, 300~3,000 rpm 고속으로 회전시키면서 발생하 는 원심력에 의해 주형 내면에 용탄이 압착 및 응 고되도록 하는 기술로, Metal Bearing, Cylinder Liner, Piston Ring, Brake Ring 등과 같은 중공주물 을 얻는 주조법이다. 원심주조법은 속이 빈 원통형 주물 경우에도 코어가 필요 없고, 주물의 모양에 따라 다르지만 대체로 탕구 및 압탕이 불필요하다.

    용탕이 응고되는 도중에 수축을 억제하는 코어와 같은 매개체가 없어 잔류응력이 거의 발생하지 않 고, 큰 원심력의 작용 하에 응고되기 때문에 제품 의 조직이 치밀하고 강도가 크다.[1] 이러한 원심주 조법은 작업 시간이 짧고 대량생산에 적합한 주조 법이라 할 수 있다. 원심주조는 원심력을 이용하여 비중 차에 의해 불순물의 분리를 유도하는 주조방 식으로, 비교적 결함이 적어 신뢰할 수 있는 제품 을 생산할 수 있는 특수주조의 한 방법이다.

    메탈베어링은 각종 기계류에서 회전운동을 가능 하게 하는 필수 핵심부품으로, 자동차, 산업기계, 전동기계, 철도차량, 선박, 공작기계, 농기계 등 기 계 전반에 걸쳐 광범위하게 적용된다. 베어링은 해 당 기계의 품질, 성능, 내구성과 직접적인 관련이 있기 때문에 다양한 제작 설비와 다단계공정이 적 용되고, 제품의 품질기준이 높은 수준을 요구하고 있는 실정이다.[2]

    본 연구에서는 탈수소 열처리한 메탈베어링 제작 의 핵심적인 주조공정을 자동화 시스템에 의한 원 심주조시스템을 연구하여 메탈베어링 제작에 적용 함으로써 생산성 및 제품의 품질 향상은 물론, 작 업자의 안전성 확보를 실현시키고자 하였다.

    2. 실험재료 및 실험 방법

    2.1 메탈베어링의 자동화 원심주소시스템

    본 연구에서는 Fig. 1과 같이 기존 수작업으로 작업하는 주조공정을 자동화하기 위한 시스템으로 가압스핀들에 자동회전시스템을 도입하여 rpm과 가압력을 조절하면서 여러 종류의 크기를 가지는 메탈베어링을 손쉽게 원심주조 작업을 수행하기 위해 냉각수를 자동으로 나오게 하고, 용탕을 용 이하게 공급함으로써 용융 금속의 이동거리를 짧 게 하면서 작업자의 안전을 도모하도록 하였다.

    Fig. 2는 자동형 원심주조기의 중요부분의 성능 을 표시한 것으로서 상부에 용탕 버켓을 설치하여 용탕을 제품에 이송이 쉽도록 하였고, 스핀들 부 위에 열선을 넣어서 초기에 메탈 베어링의 부싱의 온도를 보증할 수 있도록 고안하였다. 한편 스핀 들의 이송정밀도를 향상시키기 위해서 LM가이드 를 설치하였고 메탈베어링 주조 후 냉각을 조절하 기 위해서 냉각수 노즐을 측면에 설치하였다.

    다음 그림 Fig. 3은 메탈베어링원심주조기의 자 동제어장치 개념도로서 원판에 부착되어 있는 가 열코일의 온도조절장치, AC 모터 컨트롤러, 유압 컨트롤러, DC모터 컨트롤러, 냉각수 노즐 컨트롤 러, PLC 컨트롤러 및 자동화를 위한 전력공급장 치 등의 시스템으로 구성되었다.

    메탈베어링의 제작 프로세스는 Fig. 4와 같이 메탈이 입고가 되면 제품 검사를 하고나서 탈수소 열처리를 거처서 탈지조에서 화학약품을 사용하여 베어링에 부착된 이물질을 제거한다.

    탈지액의 성분은 알칼리 탈지제(HJ-203)를 사용 하였으며 90°C에서 30분 이상 장입하여 방청유, 니스, 유지 등을 완전히 제거 한다. 다음 공정은 Masking 작업으로서 베이스 메탈의 바깥 표면을 흰 페인트로 칠하는 공정으로 주석을 도금하기 전 에 불필요한 곳에는 도금이 되지 않도록 방지하는 역할을 한다.

    다음 공정은 수세공정으로서 염산을 이용하여 녹이나 먼지를 제거하는 공정이며, 다음은 물로 씻어주는 공정으로 도금하기 전에 최적이 상태를 유지하기 위해서 산세공정과 수세공정이 있다. 다 음 공정은 Tin bath furnace공정으로 베이스 메탈 을 용융된 주석탱크에 넣어서 베이스메탈의 안쪽 을 도금하는 과정이다. 공정시 주석 도금의 결함 을 견고히 하기 위해서 ZnCl2의 용액을 안쪽에 골 고루 뿌려준다. 다음공정이 원심주조 공정으로 베 이스메탈을 원심주조기의 양원판 사이에 물리고 회전을 하면서 용탕을 주입하고 시간이 경과 후에 냉각수를 뿌려서 식힌 후 주조기에서 분해하여 자 연 냉각시킨다.

    다음 Fig. 5는 Fig. 4에서 언급한 탈수소열처리 선 도를 나타낸 것으로 625°C에서 제품의 두께에 따른 유지시간은 다르지만 통상적으로 15 시간 정 도이지만 제품이 두께에 따라 Table 1과 같은 유 지시간이 필요하다. 탈수소열처리하는 목적은 베 어스메탈내의 미량의 수소를 제거하기 위해서 수 행한다.

    2.2 메탈베어링의 유동해석

    Fig. 6은 메탈베어링의 원심주조시 회전체의 축 대칭 흐름으로 나타나는 유동해석을 위한 모식도 를 나타낸 것이다.[3] Fig. 7은 메탈 베어링의 온도 분포를 나타낸 것으로 원심주조시 양쪽의 온도는 가운데에 비해서 낮게 나타남을 알 수 있었다.

    2.3 원심주조기 구조해석

    Fig. 8은 기존 재래식 원심주조기로 20년 전에 설치된 노후장비의 사진이다.

    재래식 장비의 문제점은 우선, 작업자의 안전을 위한 보호 장치가 전혀 없다. 두 번째는 최대 1.5 톤의 힘이 회전원판에 가해지게 되는 데 그 힘으 로 인해 회전판이 뒤로 밀리면서 회전 불균형으로 정밀도가 떨어지게 된다. 세 번째 재래식 방비는 소형으로 회전판의 크기가 작아 중대형 메탈베어 링 주조작업이 불가능하다는 것이다.

    Fig. 9는 재래식 장비의 문제점과 작업자의 요 구사항을 토대로 원심주조기를 설계한 시제품 도 면이다.

    Fig. 9의 설계도면으로 원심주조기를 제작 한 후 테스트 과정에서 회전 불균형이 발생하여 그 원인을 조사하기 위하여 구조해석을 수행하였다.

    CATIA V5를 이용하여 3차원 솔리드 모델링을 수행하였으며, 구조해석은 NX10의 NASTRAN을 이용하였다.

    회전판에 작용하는 가압력은 최대치인 1.2톤 보 다 30 %의 여유를 주어 1.5 톤을 기준으로 구조 해석을 수행하였다.

    회전판은 고정측과 가동측 2곳에 장착되어 있으 므로 각각의 회전판에 1.5 톤의 반값인 7,500 N이 작용하는 것으로 보았다. 원심주조기 구조해석에 대한 경계조건은 다음 그림 Fig. 10과 같다.

    구조해석에 사용된 재질은 SM45C로 기계적 물 성치는 Table 2와 같다.[4]

    3. 실험결과 및 고찰

    Fig. 11은 초기경계조건과 기계적 물성치를 입 력하여 구조해석을 수행하여 얻은 변위량을 나타 낸 그림으로 그 변위량은 0.12 ㎜로 나타났다. 이 는 가동측에서 미는 힘으로 생긴 변위량으로 최대 한 그 값을 줄여 주어야 한다.

    실제 시제품에서 그 변위량을 여러 번 측정한 결과 그 평균값은 0.2 ㎜로 나타났다. 한편, 기존 재래식 장비에서 똑같은 방법으로 측정한 결과는 2 ㎜로 측정되었다.

    Fig. 12는 von-mises stress를 나타낸 그림으로 회 전판 뒷부분에 응력이 집중되는 것을 볼 수 있다.

    가동측에서 1.5 톤의 미는 힘이 작용할 때 회전판의 뒤로 밀리는 것을 최대한 방지하기 위해서 여러 가지 보강재를 이용하는 방법으로 설계변경과 구조해석을 시도하여 변위량이 최소가 되는 구조를 최적설계를 통해 Fig. 13과 같이 구하였다.[5] Fig. 14와 최적설계를 통해 설계 변경한 결과 변위량이 0.019 ㎜인 것을 나타낸 그림이다.

    Fig. 15는 최대 von-mises stress를 나타낸 그림이 다. Fig. 16은 설계변경을 통해 시제품으로 제작된 메탈베어링용 원심주조기이다.

    재래식 기존 장비의 안전성과 정밀도를 높이기 위해 시제품을 설계하고 제작하였다. 시제품의 시 운전 결과 회전 불균형이 발생하였고, 이를 방지 하고 작업자의 안전성 확보를 위해 NASTRAN을 통해 적합한 구조의 회전판을 최적설계를 이용하 여 최종 설계도면을 완성하였다.

    이 세 가지의 원신주조기에 1.5 톤의 하중이 가 해 질 때 변위량을 실제 측정한 값과 구조해석을 통해 나온 값들을 정리하면 다음 Table 3과 같다.

    시제품에서 항복강도가 370 MPa이고, 구조해석 결과 von-mises stress가 32 MPa로 안전율이 10 이 상으로 구조적으로는 안전상 문제가 없다. 그러나 실제적으로 장비를 시운전하는 과정에서 회전 불 균형이 발생하였다.

    고정측 회전판에 가동측 회전판에서 1.5 톤의 힘이 작용하였을 때 고정측 회전판의 맨 윗부분의 정점이 원래 위치에서 0.2 ㎜ 변위가 생기는 것이 그 원인으로 판단하였다.

    그 변위량을 최소화하기 위한 방법으로 리브를 보강재로 설치하고 그 두께를 최적설계를 통해 조 절하면서 설계변경을 실시하였다. 설계변경과 구 조해석을 수행한 통해 그 변위가 0.02 ㎜ 이하가 되는 구조를 최적설계를 통해 구할 수 있었다. 0.02 ㎜의 변위로 인하여 회전판이 회전할 때 발 생하는 회전불균형을 완벽하게 바로 잡을 수는 없 었다. 현재는 제품에 요구되는 오차범위를 만족하 고 있지만 장비의 지속적 사용과 중대형 메탈베어 링 주조작업으로 인한 부하가 발생되어 용접부, 볼트 체결부 및 재료 자체의 변형을 발생시킬 수 있다. 이러한 결함을 줄이고 안정적인 작업을 위 해서 고정측을 주물제품으로 제작하는 것이 필요 할 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    재래식 원심주조기의 안전과 정밀도를 위해 최적 설계 방법으로 최종설계, 제작 및 시운전을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 원심주조시 메탈 베어링의 온도 분포를 보면 회전에 맞닿는 양쪽의 온도는 가운데에 비해 서 낮게 나타나는데, 이는 회전판 양쪽의 히팅 코일로 제품 전체에 고르게 온도 분포가 되도 록 하여 응고속도에 따른 내부응력을 최소화 하였다.

    2. 재래식 장비의 문제점인 작업자의 안전을 위한 보호 장치가 설치되었다.

    3. 회전판의 불균형을 최소화하여 재래식 장비에서 2차 후가공 공정에서 발생되는 재료 낭비가 줄 어 경제적인 생산공정을 실현하였다.

    4. 회전 불균형에 따른 결함을 줄이고 안정적인 작 업을 위해서 고정측을 주물제품으로 제작하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

    후 기

    “이 논문은 2019년도 201900720001 창업성장기술 개발연구비 지원에 의하여 연구되었음.”

    Figure

    KSMPE-19-5-111_F1.gif
    Layout drawing of centrifugal casting machine for metal bearing
    KSMPE-19-5-111_F2.gif
    Main parts of centrifugal casting machine for metal bearing
    KSMPE-19-5-111_F3.gif
    Concept drawing of centrifugal casting machine for metal bearing
    KSMPE-19-5-111_F4.gif
    Centrifugal casting process for metal bearing
    KSMPE-19-5-111_F5.gif
    Diagram of dehydrogenation heat-treatment
    KSMPE-19-5-111_F6.gif
    Schematic drawing of flow analysis for metal bearing in centrifugal casting process
    KSMPE-19-5-111_F7.gif
    Temperature distribution of flow analysis for metal bearing in centrifugal casting process
    KSMPE-19-5-111_F8.gif
    Conventional centrifugal casting machine
    KSMPE-19-5-111_F9.gif
    Drafting of centrifugal casting machine
    KSMPE-19-5-111_F10.gif
    Initial boundary conditions
    KSMPE-19-5-111_F11.gif
    Displacement of rotary disc part
    KSMPE-19-5-111_F12.gif
    von-mises stress of rotary disc part
    KSMPE-19-5-111_F13.gif
    The change of design through optimum design
    KSMPE-19-5-111_F14.gif
    Maximum displacement through optimum design
    KSMPE-19-5-111_F15.gif
    Maximum von-mises stress through optimum design
    KSMPE-19-5-111_F16.gif
    Centrifugal casting machine through optimum design

    Table

    Retention time in dehydrogenation heat-treatment by thickness time
    Mechanical properties of steel(SM45C)
    Actual measured and analytic displacement

    Reference

    1. Kang, K. J., Mechanical Technology, Books Hill Pub, p. 69, 2008.
    2. Kim, S. G., Choi, J. H., An, D. W., “Feature Extraction for Bearing Prognostics based on Frequency Energy”, The Journal of the Korea Institute of Intelligent Transport Systems, Vol. 16, No. 2, pp. 128-139, 2017.
    3. ANSYS, ANSYS Fluent User's Guide, ANSYS Inc., pp. 591-602, 2013.
    4. Keith, J. M., Michael, W. B., Multiaxial Fatigue, ASTM, p. 559, 1985.
    5. Koh, J. C., Siemens NX 8.5 Nastran, Onsia Pub., pp. 190-202, 2017.
    6. Choi, S. M., Shin, M. J., Byun, J. Y., Jung, K. D., Kim, C. K., Choi. W. S,. “The Development of Bushing Type Metal Bearing using Centrifugal Casting”, The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, p. 15, 2013.
    7. Choi, W. S., Sin, M. J., Choi, S. M., Lee, C. J., Kim, M. K. “Studies on the metal bearing adhesion by changing centrifugal casting conditions”, The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, p. 149, 2014.