【技術電子報】應用於汽車汽缸蓋之接觸式澆包開發

作者

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

Pontiac, MI, USA

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

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

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1.材料庫及成形溫度

表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。

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。

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。