基于數(shù)值模擬的排氣管澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

默朋杰

（保定市滄龍精密鑄造有限公司，河北保定 071000）

基于數(shù)值模擬的排氣管澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

默朋杰

（保定市滄龍精密鑄造有限公司，河北保定 071000）

根據(jù)排氣管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和中硅鑄鐵的材料特性設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，使用鑄造模擬軟件Castsoft對(duì)其進(jìn)行精密鑄造的數(shù)值模擬。初始工藝參數(shù)為：澆注溫度1 580℃，模殼焙燒溫度1 050℃.通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，在排氣管的端口厚壁處及管道周圍易出現(xiàn)縮孔和縮松等缺陷，在相應(yīng)的部位繼續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化，最終使得端口處及圓周處鑄造缺陷完全消除。根據(jù)模擬工藝進(jìn)行實(shí)際澆注，得到合格的試件。

排氣管；澆注系統(tǒng)，鑄造模擬軟件；數(shù)值模擬；缺陷

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車零部件行業(yè)對(duì)于鑄造業(yè)的要求越來(lái)越高，相應(yīng)的對(duì)排氣管等重要環(huán)保零件提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管，主要使用普通球鐵和灰鐵材料[1-4]。但是其力學(xué)性能較差，達(dá)不到國(guó)外的使用標(biāo)準(zhǔn)，而中硅鑄鐵的強(qiáng)度和綜合性能較好，越來(lái)越成為排氣管的首選材料。但是中硅鑄鐵鑄件在鑄造過(guò)程中對(duì)鑄造工藝的要求特別高[5，6]。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管鑄件進(jìn)行兩種鑄造澆注系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)兩種工藝的數(shù)值運(yùn)算分析以及凝固過(guò)程的模擬，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每種工藝中縮孔及縮松產(chǎn)生的位置及大小，對(duì)比兩種工藝方案，最終得到最優(yōu)的鑄造工藝，在此工藝基礎(chǔ)之上進(jìn)行實(shí)際澆注，最終得到性能合格、無(wú)缺陷的排氣管。

1 零件分析

1.1 尺寸分析及鑄件要求

圖1所示為某中硅鑄鐵排氣管零件三維圖及尺寸。鑄件尺寸為490 m m×193 m m×174 m m，最大壁厚差為10 m m.

圖1 中硅鑄鐵排氣管零件三維圖

排氣管鑄件表面不得有縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷，排氣管薄壁處壁厚為6 m m，在排氣管端部厚度最大達(dá)到16 m m，在端部易產(chǎn)生縮孔，在圓管周圍易出現(xiàn)縮松及應(yīng)力集中。

1.2 材料分析

排氣管采用的材質(zhì)為中硅鑄鐵，其成分如表1所示。

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2、圖3所示為兩種不同的澆注系統(tǒng)方案。方案一將排氣管所有壁厚處都用內(nèi)澆道連接起來(lái)防止其在此處產(chǎn)生縮孔和縮松等缺陷，此過(guò)程考慮周全但是工件成品率低，材料浪費(fèi)嚴(yán)重；第二種方案將底部法蘭壁厚處用模殼沾水的方法降低此處的模殼溫度，從而使得工件達(dá)到順序凝固的效果，縮松和縮孔不易出現(xiàn)在工件上，而且此方法大大節(jié)省了原材料的使用和浪費(fèi)。

表1 中硅鑄鐵排氣管成分表

圖2 方案一

圖3 方案二

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 凝固過(guò)程分析

圖4、圖5所示分別為兩種方案不同凝固時(shí)間段的凝固過(guò)程。

鑄件在凝固過(guò)程中金屬液向鑄件及周圍環(huán)境中相互傳熱，凝固過(guò)程中的凝固順序不同，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的金屬的收縮、變形和應(yīng)力集中等鑄造缺陷。

方案一在凝固至50%時(shí)，在端口處產(chǎn)生孤立的凝固塊，因此在此處易產(chǎn)生縮孔缺陷，由于方案一底部補(bǔ)縮不足使得在管道中間部位易產(chǎn)生縮松缺陷。在方案二中明顯可以看出由于底部在澆注過(guò)程中沾水，因此底部澆注時(shí)瞬間凝固，在管道中間部位不會(huì)產(chǎn)生縮孔和縮松等缺陷，最后凝固部位在管道上端的內(nèi)澆口上，由此凝固過(guò)程可以看出方案二不會(huì)出現(xiàn)明顯的鑄造缺陷。

3.2 鑄造缺陷分析

鑄造缺陷是導(dǎo)致鑄件性能低下，使用壽命短、報(bào)廢和失效的重要原因，因此消除和減少鑄造缺陷是保證鑄件質(zhì)量的重要部分[7，8]。在排氣管的工藝數(shù)值模擬過(guò)程中，對(duì)鑄造缺陷的預(yù)測(cè)和分析是控制排氣管質(zhì)量的重要指標(biāo)，在此過(guò)程中的鑄造缺陷分析主要包括對(duì)縮孔和縮松的預(yù)測(cè)及分析。

3.2.1 縮孔分析

圖6所示為不同澆注系統(tǒng)下縮孔缺陷預(yù)測(cè)情況。

圖4 方案一數(shù)值模擬凝固過(guò)程

在鑄件的凝固過(guò)程中由于熱節(jié)過(guò)大或補(bǔ)縮不足而導(dǎo)致最后凝固部位產(chǎn)生的孔洞即為縮孔。利用數(shù)值模擬軟件Cast sof t對(duì)鑄件進(jìn)行數(shù)值模擬，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出鑄件可能出現(xiàn)的縮孔位置和大小。由圖6a）可以看出，方案一在法蘭端口處及底部端口處產(chǎn)生了縮孔缺陷，此處產(chǎn)生的原因是在端口底部及上部?jī)?nèi)澆道有補(bǔ)縮不足的情況，這種現(xiàn)象同樣發(fā)生在鑄件底部；而方案二由于澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，在鑄件底部沒(méi)有出現(xiàn)縮孔的現(xiàn)象。

3.2.2 縮松分析

圖7所示為不同澆注系統(tǒng)下縮松缺陷情況。

圖5 方案二數(shù)值模擬凝固過(guò)程

排氣管在凝固的過(guò)程中，由于冷卻速度的不同會(huì)造成一定的體積收縮，在最后凝固的部位會(huì)出現(xiàn)縮孔，而細(xì)小分散的縮孔即為縮松。由圖7可以看出，方案一在法蘭端口處及底部端口處產(chǎn)生了縮孔垂直管道的方向中間部位在外壁和內(nèi)壁處出現(xiàn)縮松缺陷，此處產(chǎn)生的原因是底部?jī)?nèi)澆道太小無(wú)法足夠補(bǔ)縮至管道中間部位，使得其在凝固過(guò)程中在管道內(nèi)外壁處產(chǎn)生了分散的細(xì)小孔洞；而方案二在鑄件底部澆注時(shí)沾水急速冷卻，足以補(bǔ)縮至管道中間及以上部位，因此在管道中間沒(méi)有產(chǎn)生縮松的缺陷。

圖6 數(shù)值模擬縮孔圖

圖7 數(shù)值模擬縮松圖

4 鑄件試制

按照上述對(duì)比方案的結(jié)果，選擇方案二的鑄造工藝進(jìn)行排氣管的精密鑄造。本文采用的精密鑄造流程是：3D打印出PS粉的排氣管、添加澆注系統(tǒng)組樹、制殼及脫蠟、脫P(yáng)S粉及模殼焙燒、熔煉及澆注、震殼打磨等后處理工序，澆注出的排氣管如圖8所示。

圖8 鑄件實(shí)物圖

圖8 表明鑄件表面未出現(xiàn)縮孔和氣孔等缺陷，說(shuō)明了鑄造工藝設(shè)計(jì)合理，能夠滿足鑄造生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

本文利用有限元數(shù)值分析，采用中硅鑄鐵針對(duì)國(guó)內(nèi)某款汽車的排氣管開展熔模鑄造的仿真研究。針對(duì)排氣管設(shè)計(jì)了兩種不同的澆注系統(tǒng)，利用模擬軟件Cast sof t對(duì)兩種不同澆注系統(tǒng)下排氣管的凝固過(guò)程進(jìn)行仿真，分析了兩種澆注系統(tǒng)方案的凝固過(guò)程的合理性，模擬預(yù)測(cè)縮孔、縮松等鑄造缺陷的部位和大小，對(duì)兩種工藝分析研究，并進(jìn)行澆注系統(tǒng)優(yōu)化。

研究表明：在排氣管法蘭底部及管道周圍易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷，因此采用下部沾水急冷的方法使其進(jìn)行順序凝固，減少了材料的浪費(fèi)，提高了排氣管鑄件的成品率。利用此工藝進(jìn)行實(shí)際澆注驗(yàn)證試驗(yàn)，最終得到合格的排氣管鑄件。

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［2］李曉琴，焦正音，夏蘭廷.高硅鋁球鐵―美國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的首選材料［J］.山西機(jī)械，2001，108（9）：41-45.

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Optimization and Design of Exhaust Pipe Gating System Based on Numerical Simulation

MO Peng-jie
（Baoding Canglong Precision Casting CO.，LTD.，Baoding Hebei 071000，China)

The gating system of exhaust pipe was designed according to its structure characteristics and material properties.The precision casting process was simulated using the casting simulation software Castsoft.The results showed defects such as shrinkage cavity and porosity appeared at the thick part of end and around the pipe.The process was optimized in the corresponding position to remove these defects.Eventually，the qualified specimens were obtained after casting according to the simulation process.

exhaust pipe，gating system，the casting simulation software，numerical simulation，defect

TG249.5

A

1674-6694（2017）04-0008-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.004

2017-05-05

默朋杰（1986-)，女，助理工程師。