應用於汽車汽缸蓋之接觸式澆包開發

Development of a Contact Pour Ladle for Casting Automotive Cylinder Heads

 

作者

David D. Goettsch, Ph.D., General Motors

Pontiac, MI, USA

一、 前言

  汽缸蓋(Cylinder Hear)是由鑄鐵或鋁合金鑄造,是氣門機構的安裝機體,也是汽缸的密封蓋。汽缸蓋承受氣體力和緊固氣缸蓋螺栓所造成的機械負荷,同時還由於與高溫燃氣接觸而承受很高的熱負荷,因此對於產品的質量要求相當高。

 

由於汽缸蓋大多採用鑄造製程成形,因此鑄件常見的缺陷也成了汽缸蓋質量的評估重點。最常見的缺陷在於表面孔隙(subsurface pores)以及氧化夾渣(oxide film)。

圖1 汽缸蓋常見之鑄造缺陷

二、傾斜鑄造(Tilt casting)製程說明

  傾斜鑄造是重力鑄造的一種,澆鑄系統以料斗連結到模具,並且兩者都緩慢旋轉,使得金屬以很小的湍流進入模腔。目標是通過限制湍流來減少孔隙度和夾雜物。

 

  傾斜鑄造的旋轉速度如果為了不引起湍流而過慢,則金屬融湯的前部會開始凝固,導致澆不足;如果系統旋轉過快,則會引起湍流,從而無法達到目的。

圖2 傳統傾斜鑄造製程

  為了改善鑄造缺陷,GM早在 2012年就取得美國專利 US 2012/0312493 A1,以修正後的澆包設計改善傾斜鑄造問題。為了取得更好的結果,GM決定採用FLOW-3D針對該設計再進行最佳化,希望取得品質更好的鑄造成品。

圖3 傾斜鑄造專利

三、 FLOW-3D數值模擬

  進行數值仿真之前,必須先建立相關的網格以及取得分析參數。仿真模型採用 Siemens NX建立,並且進行簡化及圖檔調整。分析採用FLOW-3D。

 

  FLOW-3D 採用四個網格區塊進行分析(網格尺寸 1.5-5mm)。為了取得流量及卷氣、氧化夾渣之時間參數,在流道及澆口位置設置了 Baffle。模具表面粗度設定為 0.1-0.3mm。

 

圖四為分析圖檔,圖五則是網格建立。圖六為傾斜鑄造渣包旋轉之角速度設定。

圖4 數值仿真採用之3D圖檔

圖5 根據實際模具轉入之圖檔及FLOW-3D 網格建立

表格1 材料庫及成形溫度

表格2 材料熱傳遞係數

圖6 Case1 渣包旋轉之角速度

  在旋轉過程中,原始設計在流道轉彎處會因為湍流造成金屬卷氣現象,而這可能會導致鑄件品質不良。

圖7 旋轉過程中的金屬湍流造成卷氣

  根據數值模擬結果,整體填充時間約為14秒,通過澆口處的最大流量為1.56Kg/sec。總卷氣量為250cc(約佔金屬體積的3%)。卷氣發生時間大約持續了3.8秒。

 

四、 設計變更

  根據數值分析結果,得知在旋轉過程中,金屬融湯在流道內會因為湍流撞擊而發生卷氣現象,為了改善這個問題,最簡單的方式就是進行流道造型修改以及變更旋轉速度。

 

  根據FLOW-3D分析結果,進行了多組的流道設計變更以及調整了旋轉速度,並且以FLOW-3D進行模擬比對。

 

      圖八為新設計之模具旋轉角速度設定

圖8 新設計之模具旋轉角速度

  圖九為改善後的流道設計之充填過程。

圖9 新型流道設計之FLOW-3D充填分析

圖10 旋轉過程中的金屬能夠順著新設計流道進入模穴

  根據數值模擬結果,整體填充時間約為16秒,通過澆口處的最大流量為1.37Kg/sec,充填時間增加了12%。總卷氣量為55cc(約佔金屬體積的0.6%),減少了約 78%。在充填過程中沒有發現任何的卷氣空孔現象。

 

五、 結論

  利用FLOW-3D的數值模擬,完成了新的澆鑄系統設計。新的澆鑄系統減少了78%的卷氣含量,並且在開發實驗中確認可大幅減少氧化夾渣缺陷。

 

      目前這套新的設計方式已經廣泛的使用於通用汽車之澆鑄製程中。

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