Development of a Contact Pour Ladle for Casting Automotive Cylinder Heads

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

Pontiac, MI, USA

一、前言

汽缸盖（Cylinder Hear）是由铸铁或铝合金铸造，是气门结构的安装机体，也是汽缸的密封盖。汽缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷，因此对于产品的质量要求相当高。

由于汽缸盖大多采用铸造工艺成型，因此铸件常见的缺陷也成了汽缸盖质量的评估重点。最常见的缺陷在于表面孔洞（subsurface pores）以及氧化夹渣（oxide film）。

图片1. 汽缸盖常见的铸造缺陷

二、倾转铸造（Tilt casting）工艺说明

倾转铸造是重力铸造的一种，浇注系统以浇盆连接到模具，并且两者都缓慢旋转，使得金属以很小的湍流进入型腔。目标是通过限制湍流来减少孔隙度和夹杂物。

倾转铸造的旋转速度如果为了不引起湍流而过慢，则金属液的前沿会开始凝固，导致浇不足；如果系统旋转过快，则会引起湍流，从而无法达到目的。

图片2. 传统倾转铸造制程

为了改善铸造缺陷，GM早在 2012年就取得美国专利 US 2012/0312493 A1，以修正后浇包的设计改善倾转铸造问题。为了取得更好的结果，GM决定采用FLOW-3D CAST针对该设计再进行优化，希望取得质量更好的铸件。

图片3. 倾转铸造专利

三、FLOW-3D CAST数值模拟

进行数值仿真之前，必须先建立相关的网格以及取得分析参数。

仿真模型采用 Siemens NX建立，并且进行简化及三维图调整。分析采用FLOW-3D CAST。

FLOW-3D CAST采用四个网格区块进行分析（网格尺寸 1.5-5mm）。为了取得流量及卷气、氧化夹渣的时间参数，在流道及浇口位置设置了 Baffle。模具表面粗度设定为 0.1-0.3mm。

图四为分析三维图，图五则是网格建立。图六为倾斜转造的旋转角速度设定。

图片4. 数值仿真采用的三维图

图片5. 根据实际模具导入的图

及FLOW-3D CAST网格建立

表格1. 材料库及浇注温度

表格2. 材料对流换热系数

图片6. Case1 浇盆旋转的角速度

在旋转过程中，原始设计在流道转弯处会因为湍流造成卷气现象，而这可能会导致铸件不良。

图片7. 旋转过程中的金属湍流造成卷气

根据数值模拟结果，整体填充时间约为14秒，通过浇口处的最大流量为1.56Kg/s。总卷气量为250cc（约占金属体积的3%）。卷气的发生时间大约持续了3.8秒。

四、设计变更

根据数值分析结果，得知在旋转过程中，金属液在流道内会因为湍流撞击而发生卷气现象，为了改善这个问题，最简单的方式就是进行流道造型修改以及变更旋转速度。

根据FLOW-3D CAST分析结果，进行了多组的流道设计变更以及调整了旋转速度，并且以FLOW-3D CAST进行模拟对比。

图八为新设计的模具旋转角速度设定

图片8. 新设计的模具旋转角速度

图九为改善后的流道设计的充填过程。

图片9. 新型流道设计的FLOW-3D CAST充填分析

图片10. 旋转过程中的金属能够

顺着新设计流道进入型腔

根据数值模拟结果，整体填充时间约为16秒，通过浇口处的最大流量为1.37Kg/s，充填时间增加了12%。总卷气量为55cc（约占金属体积的0.6%），减少了约 78%。在充填过程中没有发现任何的卷气现象。

五、结论

利用FLOW-3D CAST的数值模拟，完成了新的浇注系统设计。新的浇注系统减少了78%的卷气量，并且在开发实验中确认可大幅减少氧化夹渣缺陷。

目前这套新的设计方式已经广泛的使用于通用汽车的浇注工艺中。