某渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝設計

申會明

摘要：渦輪后排氣接管是汽車上連接增壓器與消聲器的連接管，本文主要探討在現(xiàn)有的砂型鑄造生產(chǎn)方式下渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝設計，主要對砂型鑄造的澆注系統(tǒng)、冒口及冷鐵、砂芯進行設計，并針對該零件選擇合適的砂芯材料及制芯機，該鑄造工藝設計通過試驗后生產(chǎn)出合格鑄件。

關鍵詞：渦輪后排氣接管;砂型鑄造;工藝設計

中圖分類號：TH164? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0106-03

1? 鑄造來源及研究意義

鑄造是人類較早掌握的一種金屬熱加工工藝，是應用最廣泛的金屬液態(tài)成型工藝。其原理就是將液態(tài)金屬倒入鑄型型腔里面，等冷卻凝固后，得到一定形狀的零件或者毛坯[1]。在現(xiàn)代機械制造業(yè)中，鑄造行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，其發(fā)展標志著一個國家的生產(chǎn)實力，不管是在發(fā)展中國家還是發(fā)達國家，鑄造業(yè)的地位都是不可代替的。

鑄造行業(yè)中，汽車工業(yè)是鑄件的最大用戶，也是推動鑄造業(yè)發(fā)展的主要動力。一輛汽車中，鑄件質(zhì)量一般占其自重的20%左右，僅次于鋼材用量，居第二位。在汽車工業(yè)中，汽車最主要的組成部分是發(fā)動機，汽車整車的壽命和使用性能都由發(fā)動機性能的好壞來決定，其中與汽車發(fā)動機相關的氣缸體、氣缸蓋、進氣歧管、排氣歧管、曲軸、排氣接管等基礎零部件和主要零部件都是鑄造生產(chǎn)得到的[2]。汽車工業(yè)的發(fā)展方向勢必影響到與之聯(lián)系密切的鑄造業(yè)前景，汽車工業(yè)也是推動鑄造業(yè)發(fā)展的主要動力。作為主要為汽車工業(yè)服務的鑄造業(yè)，面對汽車工業(yè)的發(fā)展和不斷提出的新要求，汽車鑄造業(yè)無論是鑄件材質(zhì)還是鑄造工藝都面臨著新的挑戰(zhàn)，同時正是在這樣一種背景下，完全體現(xiàn)了汽車零件鑄造生產(chǎn)的重要性[3]。

本課題研究對象來源于廣西桂冠機械有限公司生產(chǎn)的渦輪后排氣接管，渦輪后排氣接管是連接增壓器與消聲器的連接管，在汽車行駛過程中，渦輪后排氣接管需要承受汽油和空氣的混合氣在氣缸內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的廢氣，因此其必須具有抗震性、耐磨性、耐熱性和氣密性。該零件在生產(chǎn)中采用砂型鑄造進行生產(chǎn)。

2? 砂型鑄造簡介

砂型鑄造以型砂和砂芯為鑄造材料制成鑄型，是一種通過液態(tài)金屬在重力作用下充填鑄型來實現(xiàn)鑄件生產(chǎn)的鑄造方法。其所用鑄型通常是由砂型及型芯組合而成。對于砂型鑄造而言，在生產(chǎn)過程中最基本的原材料主要就是兩種——鑄造用砂和型砂粘結劑。砂型鑄造有很多優(yōu)點，比如造型材料價格低廉且容易獲得，鑄型的制造過程比較簡單方便，此外，砂型鑄造適應范圍非常廣，不僅能用于單件生產(chǎn)還能用于批量生產(chǎn)，是最傳統(tǒng)的鑄造方法，其適應性廣、成本低、生產(chǎn)周期短[4]。砂型鑄造的工藝流程如圖1所示。

本課題采用的型砂是由硅質(zhì)砂和粘土混合成的濕砂型，濕砂型以粘土和適量的水為型砂的主要粘結劑，制成砂型后直接在濕態(tài)下合型和澆注。

3? 渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝設計

3.1 澆注系統(tǒng)設計

澆注系統(tǒng)截面積的大小對鑄件質(zhì)量也有很大影響。截面積太小，澆注時間長，這樣可能會產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼等缺陷;截面積過大，澆注速度快，這樣又可能引起沖砂，使鑄件產(chǎn)生渣孔等缺陷，所以必須確定合理的澆注系統(tǒng)的面積，金屬液才會以適當?shù)乃俣瘸涮铊T型[5]。

3.1.1 澆注系統(tǒng)類型的選擇

根據(jù)本文研究對象渦輪后排氣接管的結構選擇半封閉式（中間注入式）澆注系統(tǒng)比較好，因為澆注中，流速較封閉式慢，有一定擋渣能力，充型較平穩(wěn)，廣泛應用于小型灰鑄鐵件。

3.1.2 澆注系統(tǒng)的設計與計算

澆注時間的長短表示澆注速度的快慢，其對鑄件質(zhì)量有重要的影響，任何鑄件都有某個澆注速度是最理想的，可以說是有一個合適的澆注時間。生產(chǎn)中常用經(jīng)驗公式確定合適的澆注時間。

重量小于450kg形狀復雜的薄壁類鑄鐵件，其澆注時間公式（1）如下：

式中，t—澆注時間，s;

GL——澆注的金屬液重量，kg，包括澆冒口在內(nèi)的鑄件質(zhì)量;

S1——系數(shù)，由鑄件壁厚決定，由表1查取。

本文研究對象屬于小型復雜薄壁鑄鐵件，查表可知S=1.63，代入式（1）得到澆注時間為：t=S1=1.63×4.2s。

平均靜壓力頭的確定：

根據(jù)鑄件結構及澆注系統(tǒng)設計原則，選擇的澆注方式為中間注入式，運用平均靜壓力頭高度計算公式：

其中：H0——澆口杯頂面到分型面的距離，hc——鑄件在鑄型中的總高度。

HP=H0-0.125hc=620-0.125×336=578mm。

運用灰鑄鐵澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道的最小截面積計算公式：

其中，GL、t、Hp由上述計算得知，？滋為澆注系統(tǒng)的流量損耗因數(shù)，對于鑄鐵件的？滋值一般從表2中選取。

代入式3：

對于半封閉式澆注系統(tǒng)，中、小型鑄件采用：

對于該鑄件屬于小型薄壁鑄件選取直澆道截面積為內(nèi)澆道的1.15倍，橫澆道截面積為內(nèi)澆道截面積的1.4倍，即，Ag=1.15×156=179.4mm2，Aru=1.4×156=218.4mm2。針對渦輪后排氣接管實體結構，內(nèi)澆道截面積設計為178mm2，橫澆道設計為375mm2，直澆道設計為314mm2。

3.2 冒口及冷鐵設計

為了增加金屬液的補縮，合理的設置冒口的位置及大小、合理的使用冷鐵對鑄件的質(zhì)量都起著至關重要的作用。渦輪后排氣接管漏氣現(xiàn)象主要是由于縮孔縮松缺陷的影響，斷裂是由于澆不足、縮孔縮松缺陷的影響。

3.2.1 冒口的設計

冒口是設置在鑄型內(nèi)貯存金屬液的結構，在鑄件澆注過程中用來提供補給，補償在鑄件形成過程中可能產(chǎn)生的收縮，可以有效的防止縮孔、縮松、排氣和集渣。冒口的形狀取決于鑄件缺陷的尺寸和形狀，運用計算機數(shù)值模擬之后，在出現(xiàn)或可能出現(xiàn)缺陷的部位添加冒口進行補縮，從而達到鑄件的質(zhì)量要求。冒口的形狀直接影響其補縮效果，在設計冒口時，應從體積相同的形體中，選用散熱面積最小的，這樣冒口的散熱較慢，凝固時間長，這樣的就會得到好的補縮效果。

冒口設置在補縮不足的區(qū)域，這樣凝固時間得到延長，順序凝固梯度容易建立，進而鑄件的補縮效果也得到保證。根據(jù)冒口設計的基本原則、鑄件的基本結構及常見的冒口形狀，在此選用圓柱形冒口;根據(jù)模擬結果中出現(xiàn)缺陷的部位，我們可以確定冒口安放的位置及大小。在砂型鑄造渦輪后排氣接管中，根據(jù)鑄件產(chǎn)生缺陷的位置，將冒口設置在鑄件最高最厚且有利于機加工的頂部平面部分。

渦輪后排氣接管為灰鑄鐵件，冒口的補縮距離一般為鑄件壁厚或熱節(jié)圓直徑的10～17倍，鑄件壁厚為5mm，在此選取冒口的補縮距離為50mm。

3.2.2 冷鐵的設計

固體金屬吸收熱量的性能比干砂快很多，因此在鑄件的轉(zhuǎn)角或者斷面部位放置冷鐵，可以增加鑄件局部冷卻速度，從而保證鑄件質(zhì)量。根據(jù)以往砂型鑄件常出現(xiàn)的缺陷可知，在接管下部有縮松現(xiàn)象，冷鐵的激冷速度比較快，因此在該部位增加冷鐵實現(xiàn)局部激冷，解決縮松缺陷。

3.3 砂芯設計

在生產(chǎn)復雜、空腔鑄件的砂型鑄造過程中，制芯是重要環(huán)節(jié)之一，砂芯通常用于形成鑄件的內(nèi)腔或孔洞[6]。本課題的研究對象渦輪后排氣接管為管類零件，在鑄造生產(chǎn)過程中首先需要制作砂芯來形成接管內(nèi)腔。

3.3.1 砂芯材料的選擇

在鑄造過程中，當從澆道口澆入高溫金屬液時，支撐部位很小的砂芯會迅速被高溫金屬液包圍，因此砂芯會受產(chǎn)生比較大的應力，為保證鑄造精度，需做到砂芯在常溫干強度和高溫度強度方面要比鑄型高。在一定條件下，使用樹脂砂其本身的綜合經(jīng)濟效益也是可觀的。鑄造行業(yè)中應用樹脂芯砂之后，其發(fā)展速度在鑄造生產(chǎn)中遠遠超過了任何芯砂。其中，覆膜砂就是一種用于鑄造砂芯的樹脂砂，它是指包覆著一層樹脂膜砂粒的簡稱。

我國覆膜砂行業(yè)廣泛應用于汽車缸體缸蓋、進氣歧管、排氣歧管、各類管件以及泵體等各種復雜鑄件的生產(chǎn)。在室溫下，覆膜砂大部分呈干態(tài)分散的自然顆粒狀，不管是干態(tài)還是濕態(tài)都可較長時間地存放[7]，在此選用覆膜砂作為渦輪后排氣接管砂芯材料。

3.3.2 制芯機的選擇

根據(jù)實際生產(chǎn)需要，針對本文研究對象渦輪后排氣接管，目前所使用的覆膜砂制芯設備是覆膜砂射芯機（圖2）。該企業(yè)使用的覆膜砂射芯機是本人在實習時參與研究制作的，射砂機構是該射芯機的主要工作機構，其中還包括供砂機構、工作臺、將射砂機構與工作臺連接成一個整體的立柱、機座等部分以及控制系統(tǒng)等輔助機構[8]。

覆膜砂射芯機對渦輪后排氣接管進行砂芯制作，整個制芯過程為：

①砂閘板開啟，向射砂筒加砂;

②停止加砂，砂閘板關閉;

③砂閘板充氣密封;

④從水平方向夾緊芯盒;

⑤射砂筒下降，使芯盒緊貼射砂板;

⑥關閉排氣閥;

⑦開啟射砂閥進行射砂;

⑧關閉射砂閥，射砂結束;

⑨開啟排氣閥;

⑩射砂筒上升;

{11}松開水平加緊裝置;

{12}砂閘板密封排氣松開;

{13}取出砂芯。

上述動作大部分是互相聯(lián)系的，必須按次序進行。整個系統(tǒng)采用PLC控制，溫控裝置采用數(shù)顯溫度儀，保證模具溫度均衡。

制成的砂芯能否直接用于砂型鑄造，必須還要進行進一步的驗證，驗證的方面也是多種多樣，不僅要考慮到砂芯的外表幾何形狀是否符合基本要求、尺寸精度等級夠不夠高、表面質(zhì)量包括表面粗糙度等是否達到要求，還要細致地觀察砂芯的顏色，因為砂芯固化情況的好壞可以通過顏色來檢查。燒制比較好的正常的砂芯中心是淡黃色的，而外表面是黃褐色的，并且顏色比較均勻，如圖3所示，過燒的砂芯外表一般呈現(xiàn)出褐色，有的甚至呈現(xiàn)出黑色，而發(fā)生硬化不足時，砂芯中心呈現(xiàn)白色，外表呈現(xiàn)黃色。

4? 總結

砂型鑄造是該企業(yè)常用的鑄造生產(chǎn)方法，砂型鑄造鑄型制造簡單，造型材料簡單易得，一直是鑄造生產(chǎn)中的基本工藝，本文主要介紹了渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝簡介，對砂型鑄造所需的主要鑄造工藝進行設計;后續(xù)將設計好的砂型鑄造模型用鑄造數(shù)值模擬軟件進行充型過程及凝固過程模擬結果分析，砂型鑄造模擬結果分析得知，為了增加金屬液的補縮，合理的設置冒口的位置及大小、合理的使用冷鐵對鑄件的質(zhì)量都起著至關重要的作用。渦輪后排氣接管漏氣現(xiàn)象主要是由于縮孔縮松缺陷的影響，斷裂是由于澆不足、縮孔縮松缺陷的影響，通過鑄造數(shù)值模擬確定了缺陷產(chǎn)生的部位及大小，通過對其進行工藝改進之后鑄件本身不再出現(xiàn)缺陷，進而解決了鑄件的漏氣、斷裂問題。對于鑄件底部出現(xiàn)縮松現(xiàn)象的砂型鑄造，將冒口和冷鐵配合使用，改善鑄件的凝固順序，在同樣的澆注條件下，改進的鑄造工藝能夠生產(chǎn)出質(zhì)量合格的渦輪后排氣接管。

采用此工藝進行砂型鑄造加工的渦輪后排氣接管，在鑄件本身沒有出現(xiàn)澆不足、縮孔縮松等缺陷，僅在澆注系統(tǒng)部分出現(xiàn)澆不足和縮孔縮松現(xiàn)象。由于澆注系統(tǒng)在后續(xù)加工中會去掉，不屬于鑄件本身，并不影響渦輪后排氣接管的使用，因此對于鑄件本身來說已經(jīng)是合格鑄件，證明了工藝設計的有效性，為企業(yè)生產(chǎn)渦輪后排氣接管鑄造生產(chǎn)提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]李榮德，米國發(fā).鑄造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2013.

[2]白朝中，龔偉，雷振.進氣管砂型鑄造工藝與模具設計[J]. 模具工業(yè)，2014，40（6）：57-62.

[3]王懷林.汽車典型零部件的鑄造工藝[M].北京：北京理工大學出版社，2003.

[4]林勃.砂型鑄造工藝學[M].機械工業(yè)出版社，1992.

[5]李弘英，趙成志.鑄造工藝設計[M].機械工業(yè)出版社，2005.

[6]李魁盛，馬順龍，王懷林.典型鑄件工藝設計實例[M].機械工業(yè)出版社，2008.

[7]李遠才.覆膜砂及制型（芯）技術[M].機械工業(yè)出版社， 2008.

[8]王錄才，宋延沛.鑄造設備及其自動化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.