1. 시작하며
닛산 자동차(주) 요코하마 공장은, 가나가와현 가나가와구와 쓰루미구에 걸친 약 54만m2의 부지에서(그림 1참조), 3 지구로 나뉘어 엔진, 모터 및 서스펜션 부품 등 자동차 파워 트레인의 핵심 부품을 생산하고 있다.
그림 1. 요코하마 공장
그 중에서도 본 과는 알루미늄 주조 공장에서 하이 프레셔 다이캐스팅 공법으로 생산되는 실린더 블록의 생산 기술 업무를 담당하고 있다. 실린더 블록은 엔진을 구성하는 부품이며 특히 실린더와 크랭크 케이스가 일체화된 구조 부품으로, 자동차 성능에 크게 관여하는 주요 부품 중 하나이다. 엔진의 기능을 보장하기 위해 실린더 블록 부품에는 고품질이 요구되며, 생산 비용 절감을 위해 생산 공정에서 발생하는 주물 불량의 저감 활동을 실시하고 있다. 이번에는 불량 감소 활동 차원에서 실시한 탕계 불량 대책에 대해 소개하겠다.
2. 테마 선정 이유
다이캐스팅에서의 탕계 불량이란, 탕구부로부터 유입된 용탕의 선단과 다른 방향으로부터 합류한 용탕이 완전히 융화되지 않고 경계선이 보이는 주조 결함을 말한다. 완전히 융화되지 않았기 때문에 결함이 있는 부분에 물이나 기름이 통과하면 엔진 외부로 누설될 우려가 있어, 생산 공정에서는 차압식 리크 테스터로 누설 전수 확인을 실시한다. 이 테마를 선정한 이유는, 당사 생산라인에서 이 탕계으로 인한 누설 불량률이 증가해 품질, 비용 및 가동률 관점에서 불량률 감소가 시급했기 때문이다.
3. 현상 파악 및 목표 설정
우선, 불량이 발생한 누설 NG 제품의 조사를 실시했다. 그림 2와 같이 누설 부위에 탕계가 확인됐다. 누설 불량률의 추이를 조사해보니 그림 3과 같이 어느 날을 경계로 급증하고 있는 것을 알 수 있었다. 활동 목표는 “탕계 발생율 0”으로 설정했다.
그림 2. 탕계 불량으로 인한 누설 NG제품
그림 3. 설 NG 불량률 추이
다음으로 불량이 발생하는 조건에 대해 현상을 정리했다. 그림 4 와 같이 불량이 발생하는 조건과 발생하지 않는 조건에 대해 정리해본 바, 특정 주조기에서, 그리고 진공도 파형에 이상이 발생한 제품에서 불량 발생이 확인되었다. 그림 5는 플런저의 사출 파형을 나타낸다. 실선은 정상시의 진공 상태를 나타내고 파선은 결함 발생시의 진공 상태를 나타낸다. 그림의 파선에 나타나듯이, 저속도 영역에서의 진공도 이상이 확인되었다. 그림 6은 진공도 이상 발생시의 플런저 스트로크 값과 불량률과의 관계를 나타낸 것이다. 플런저 스트로크 값이 보다 앞쪽에서 진공도 이상이 발생한 제품일수록 불량률 발생이 높은 경향이 있어, 진공도 이상의 발생과 불량 발생에 상관 관계가 있다고 짐작했다.
그림 4. 누설 NG 불량 현상 조사
그림 5. 플런저 사출 파형
그림 6. 진공도 이상 발생시의 사출 스트로크값과 불량률의 관계
4. 원인 분석
진공도 이상이 발생한 원인에 대해 고찰해 보았다. 그림 7은 다이캐스트 주조기의 사출 기구 및 금형 구조의 개략도를 해당 제품의 금형은 탕구부에 용탕 센서가 배치되어 있어 용탕 센서가 용탕을 감지하면 진공 밸브가 닫히는 구조이다. 슬리브 안에 용탕을 급탕하면 플런저가 전진해 슬리브의 용탕 급탕구를 막은 후 진공 흡인을 개시하고, 플런저를 통해 용탕이 금형 안으로 주입되어 탕구부에 설치된 용탕 센서가 용탕을 감지하면 진공 밸브가 닫혀 금형 내 진공 흡인이 정지된다. 진공 도달도는 진공 밸브보다 앞에 있는 진공 필터 탱크 이후에 위치한 센서로 측정된다. 이 구조와 이상시 진공 파형에 대해 고찰해 보면, 본래 용탕이 도달한다고 상정되는 고속 전환점보다 빠르게 저속도 영역에서 알루미늄 용탕이 탕구부까지 유입된 결과, 용탕 센서가 알루미늄 용탕을 감지하고 진공 밸브가 닫혀 진공 파형에 이상이 발생한다고 추측된다. 진공도 이상이 발생하는 원인은 저속도 영역에서의 금형 내 높은 진공과 플런저 팁 및 슬리브의 마모 등으로 인해 진공 흡인시 외부 공기의 흡인에 의한 복합적 요인으로 인해 발생하는 것으로 추측된다.
그림 7. 주조기의 사출기구 및 금형 구조의 개략도
5. 대책 수립 및 실시
그림 8에 탕계 불량에 대한 대책 수립과 평가를 나타낸 것인다. 평가 결과를 통해, 발생원 대책으로서 플런저의 저속도 영역에서의 고진공화 억제를 목적으로, 저속의 상승 및 진공 흡인을 개시하는 플런저 스트로크 위치를 보다 안쪽으로 설정했다. 이로 인해 저속 영역에서의 금형 내 진공 도달도가 악화되지만, 알루미늄 용탕이 저속 영역에서 금형 내에 조기 유입되는 것을 억제했다. 유출원 대책으로는 용탕 센서 감지시 플런저 스트로크 값을 주조기로 전량 자동 계측하고 이상 발생시에는 경보를 울려 불량품으로서 배출시켜, 이상을 조기에 검출할 수 있는 구조로 했다.
그림 8. 대책 수립 및 평가
6. 효과 확인
상기 대책의 결과, 그림 9와 같이 상기 대책을 실시함으로써 탕계 불량 발생률은 0이 되었다. 또한 고진공화 억제로 인한 기타 품질에 대한 영향도 확인되지 않았다. 나아가서는 용탕 센서를 통해 용탕 감지시 사출 스트로크 값을 전량 계측할 수 있게 됨으로써, 탕계 불량으로 이어지는 저속 영역에서의 알루미늄 용탕 유입을 확인할 수 있게 되었다.
그림 9. 해당 부위의 누설 불량률 추이
7. 정리
이번 불량 저감 활동을 통해 플런저 사출의 거동이 약간 불안정 하거나 변화가 원인이 되어 금형 내에 선탕 유입이 발생하고 주조 결함으로 이어지는 것을 알 수 있었다. 또한 이번 개선을 통해 설비의 불안정한 거동을 자동으로 이상 검출하고, 이상 발생시에는 설비를 정지시킬 수 있게 하였고, 불량품을 만들지 않는 구조를 확립할 수 있었다. 이러한 지견을 신부품 생산 시 활용하여 테스트 단계에서부터 선탕 발생의 위험 평가를 실시하고, 양산 이행 후에 결함이 발생하지 않는 주조 조건을 조기 확립해 나가고자 한다.