Effizientes Entgrats- und Schleifverfahren für Aluminiumguss- und Automobilbauteile
2025-03-19
Fertigungsfallstudie des gesamten HXC-Drohnen-Systems
2025-03-20GM setzt FLOW-3D ein: Entwicklung von Kontaktgießpfannen für Automotiv-Zylinderköpfe
Der Zylinderkopf wird aus Gusseisen oder Aluminiumlegierung gefertigt. Er ist das Tragkörper für die Ventilstruktur und die Dichtabdeckung für den Zylinder. Der Zylinderkopf unterhält mechanische Belastungen, die durch Gasdruck und die Verriegelung der Zylinderkopfbolzen verursacht werden. Darüber hinaus wird er durch den Kontakt mit der hitzigen Verbrennungsgasmasse hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, weshalb die Qualitätsanforderungen an das Produkt 相当 hoch sind.
Da die meisten Zylinderköpfe durch Gießen geformt werden, sind die gängigen Gussfehler auch zum Schwerpunkt der Qualitätsbeurteilung von Zylinderköpfen geworden. Die häufigsten Defekte sind unterflächige Poren und Oxidschichten.
Bild 1. Gängige Gussfehler an Zylinderköpfen
Beschreibung des Kippgießverfahrens
Bild 2. Traditionelles Kippgießverfahren
Bild 3. Kippgieß-Patent
FLOW-3D CAST numerische Simulation
Vor der numerischen Simulation müssen relevante Muster erstellt und Analyseparameter gewonnen werden.
Das Simulationsmodell wurde mit Siemens NX erstellt, vereinfacht und 3D-Grafiken angepasst. Zur Analyse wurde FLOW-3D CAST verwendet.
FLOW-3D CAST verwendet vier Maschenblöcke für die Analyse (Maschengröße 1,5–5 mm). Um die Strömungsgeschwindigkeit und Zeitparameter für Luftansaugung und Oxidationseinschlüsse zu erhalten, werden Schlitze an den Positionen von Laufflächen und Gießschlitzen angeordnet. Die Rauheit der Formoberfläche ist auf 0,1–0,3 mm eingestellt.
Abbildung 4 zeigt die 3D-Grafik der Analyse, Abbildung 5 die Maschenerstellung. Abbildung 6 stellt die Einstellung der Rotationswinkelgeschwindigkeit für das Kippen dar.
Abbildung 4. Drei-dimensionale Darstellung für die numerische Simulation
Bild 5. Aus der realen Form importierte Abbildung
und FLOW-3D CAST-Gittererstellung
Tabelle 1. Materialbibliothek und Gießtemperatur
Tabelle 2. Materialabhängige Wärmeübertragungskoeffizienten durch Konvektion
Abbildung 6. Fall 1: Winkelgeschwindigkeit der Gießschale-Drehung
Während des Rotationsprozesses verursachte das ursprüngliche Design aufgrund von Turbulenzen an den Biegepunkten des Strömungskanals Luftansaugung, was zu mangelhaften Gußteilen führen konnte.
Abbildung 7. Metallturbulenz bei der Rotation verursacht Luftansaugung
Laut den Ergebnissen der numerischen Simulation beträgt die gesamte Füllzeit etwa 14 Sekunden, die maximale Durchflussgeschwindigkeit durch den Gießschlitz 1,56 Kg/s. Die Gesamtmenge an eingeschluckter Gasmenge beträgt 250 cc (ungefähr 3 % des Metallvolumens). Die Gasansaugung dauert etwa 3,8 Sekunden.
Designänderungen
Laut den Ergebnissen der numerischen Analyse verursacht die flüssige Metallschmelze während des Rotationsvorgangs in der Lauffläche Luftansaugung durch turbulente Stöße. Um dieses Problem zu verbessern, ist die einfachste Methode, die Form der Lauffläche zu modifizieren und die Rotationsgeschwindigkeit anzupassen.
Gemäß den Analyseergebnissen von FLOW-3D CAST wurden mehrere Änderungen am Anschnittdesign und Anpassungen der Drehgeschwindigkeit vorgenommen, wobei FLOW-3D CAST für Simulationsvergleiche eingesetzt wurde.
Abbildung 8 zeigt die Einstellung der Rotationswinkelgeschwindigkeit der neu gestalteten Form.
Abbildung 8. Rotationswinkelgeschwindigkeit der neuen Form
Abbildung 9 zeigt den Füllvorgang nach der verbesserten Laufflächen-Designung.
Bild 9. FLOW-3D CAST-Füllanalyse des neuen Laufflächendesigns
Bild 10. Verwendbare Metalle während der Rotation
Eintreten in die Formhöhle entlang des neuen Laufflächendesigns
Laut den Ergebnissen der numerischen Simulation beträgt die gesamte Füllzeit etwa 16 Sekunden, die maximale Durchflussmenge durch den Gießschlitz 1,37 Kg/s. Die Füllzeit ist um 12 % gestiegen. Die Gesamtgasmenge, die eingeschlossen wurde, betrug 55 cc (ungefähr 0,6 % des Metallvolumens), was einer Abnahme von etwa 78 % entspricht. Während des Füllvorgangs wurde kein Luft-einschließendes Phänomen beobachtet.
Zusammenfassung
Das neue Gießsystem-Design wurde mithilfe der numerischen Simulation FLOW-3D CAST erstellt. Das neue Gießsystem reduziert die Luftansaugung um 78 %, und in den Entwicklungsexperimenten wurde bestätigt, dass es Oxidationsschlacken-Mängel signifikant vermindern kann.
Derzeit wird diese neue Gestaltungsmethode in der Gießprozedur von General Motors weit verbreitet angewendet.