Development of a Contact Pour Ladle for Casting Automotive Cylinder Heads

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，是氣門結(jié)構(gòu)的安裝機(jī)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(jī)械負(fù)荷，同時還由于與高溫燃?xì)饨佑|而承受很高的熱負(fù)荷，因此對于產(chǎn)品的質(zhì)量要求相當(dāng)高。

由于汽缸蓋大多采用鑄造工藝成型，因此鑄件常見的缺陷也成了汽缸蓋質(zhì)量的評估重點。最常見的缺陷在于表面孔洞（subsurface pores）以及氧化夾渣（oxide film）。

圖片1. 汽缸蓋常見的鑄造缺陷

二、傾轉(zhuǎn)鑄造（Tilt casting）工藝說明

傾轉(zhuǎn)鑄造是重力鑄造的一種，澆注系統(tǒng)以澆盆連接到模具，并且兩者都緩慢旋轉(zhuǎn)，使得金屬以很小的湍流進(jìn)入型腔。目標(biāo)是通過限制湍流來減少孔隙度和夾雜物。

傾轉(zhuǎn)鑄造的旋轉(zhuǎn)速度如果為了不引起湍流而過慢，則金屬液的前沿會開始凝固，導(dǎo)致澆不足；如果系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過快，則會引起湍流，從而無法達(dá)到目的。

圖片2. 傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)鑄造制程

為了改善鑄造缺陷，GM早在 2012年就取得美國專利 US 2012/0312493 A1，以修正后澆包的設(shè)計改善傾轉(zhuǎn)鑄造問題。為了取得更好的結(jié)果，GM決定采用FLOW-3D CAST針對該設(shè)計再進(jìn)行優(yōu)化，希望取得質(zhì)量更好的鑄件。

圖片3. 傾轉(zhuǎn)鑄造專利

三、FLOW-3D CAST數(shù)值模擬

進(jìn)行數(shù)值仿真之前，必須先建立相關(guān)的網(wǎng)格以及取得分析參數(shù)。

仿真模型采用 Siemens NX建立，并且進(jìn)行簡化及三維圖調(diào)整。分析采用FLOW-3D CAST。

FLOW-3D CAST采用四個網(wǎng)格區(qū)塊進(jìn)行分析（網(wǎng)格尺寸 1.5-5mm）。為了取得流量及卷氣、氧化夾渣的時間參數(shù)，在流道及澆口位置設(shè)置了 Baffle。模具表面粗度設(shè)定為 0.1-0.3mm。

圖四為分析三維圖，圖五則是網(wǎng)格建立。圖六為傾斜轉(zhuǎn)造的旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)定。

圖片4. 數(shù)值仿真采用的三維圖

圖片5. 根據(jù)實際模具導(dǎo)入的圖

及FLOW-3D CAST網(wǎng)格建立

表格1. 材料庫及澆注溫度

表格2. 材料對流換熱系數(shù)

圖片6. Case1 澆盆旋轉(zhuǎn)的角速度

在旋轉(zhuǎn)過程中，原始設(shè)計在流道轉(zhuǎn)彎處會因為湍流造成卷氣現(xiàn)象，而這可能會導(dǎo)致鑄件不良。

圖片7. 旋轉(zhuǎn)過程中的金屬湍流造成卷氣

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，整體填充時間約為14秒，通過澆口處的最大流量為1.56Kg/s。總卷氣量為250cc（約占金屬體積的3%）。卷氣的發(fā)生時間大約持續(xù)了3.8秒。

四、設(shè)計變更

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，得知在旋轉(zhuǎn)過程中，金屬液在流道內(nèi)會因為湍流撞擊而發(fā)生卷氣現(xiàn)象，為了改善這個問題，最簡單的方式就是進(jìn)行流道造型修改以及變更旋轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)FLOW-3D CAST分析結(jié)果，進(jìn)行了多組的流道設(shè)計變更以及調(diào)整了旋轉(zhuǎn)速度，并且以FLOW-3D CAST進(jìn)行模擬對比。

圖八為新設(shè)計的模具旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)定

圖片8. 新設(shè)計的模具旋轉(zhuǎn)角速度

圖九為改善后的流道設(shè)計的充填過程。

圖片9. 新型流道設(shè)計的FLOW-3D CAST充填分析

圖片10. 旋轉(zhuǎn)過程中的金屬能夠

順著新設(shè)計流道進(jìn)入型腔

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，整體填充時間約為16秒，通過澆口處的最大流量為1.37Kg/s，充填時間增加了12%。總卷氣量為55cc（約占金屬體積的0.6%），減少了約 78%。在充填過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何的卷氣現(xiàn)象。

五、結(jié)論

利用FLOW-3D CAST的數(shù)值模擬，完成了新的澆注系統(tǒng)設(shè)計。新的澆注系統(tǒng)減少了78%的卷氣量，并且在開發(fā)實驗中確認(rèn)可大幅減少氧化夾渣缺陷。

目前這套新的設(shè)計方式已經(jīng)廣泛的使用于通用汽車的澆注工藝中。