渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝數值模擬及優化

申會明，程艷，張秋杰

（廣西職業技術學院機械與汽車技術系，廣西南寧530226）

渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝數值模擬及優化

申會明，程艷，張秋杰

（廣西職業技術學院機械與汽車技術系，廣西南寧530226）

鑄造是現代裝備制造業的基礎技術，傳統的基于試錯法和經驗設計的鑄造工藝確定成本高、周期長、廢品率高。本文以廣西桂冠機械有限公司的E12J4-1008203A渦輪后排氣接管為研究對象，采用PRO/E三維建模軟件對渦輪后排氣接管進行實體建模及砂芯等的設計，利用ProCAST對渦輪后排氣接管砂型鑄造進行模擬仿真和工藝優化。本文的研究解決了渦輪后排氣接管鑄造生產成品率低、內部縮孔縮松缺陷過多等問題。

渦輪后排氣接管；數值模擬；砂型鑄造；工藝優化

隨著汽車工業的發展和近代科學在各個領域的突破，鑄造業一定要擺脫傳統經驗和技藝的束縛[1]。對鑄件通過計算機數值模擬，可以令產品的試制周期得到縮短提升效率，產品的缺陷同時也得到減少[2-4]。本文的研究對象是廣西桂冠機械有限公司生產的渦輪后排氣接管，通過對渦輪后排氣接管砂型鑄造進行數值模擬，可以預測鑄件存在的缺陷，比如縮松縮孔、裹氣、夾渣、冷隔個澆不足等各種缺陷的形成和其分布情況[5-6]。

1 渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝設計

1.1 渦輪后排氣接管實體造型

本課題鑄件三維實體尺寸由企業提供，根據鑄件實體結構結合企業提供的尺寸數據利用三維建模軟件PRO/E建立渦輪后排氣接管的實體模型。本課題所研究砂型鑄造為一箱兩件，裝配體如圖1所示。

圖1 渦輪后排氣接管與澆注系統裝配體

1.2 澆注系統設計

根據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，廣泛應用于小型灰鑄鐵件。

1.3 冒口及冷鐵設計

由于該鑄件是小型鑄件且材料又是灰鑄鐵（HT250），灰鑄鐵本身有良好的自補縮能力，針對本文研究對象首次模擬不對鑄件進行冒口及冷鐵的設計，根據后續數值模擬結果再考慮對其是否進行補縮設計。

1.4 砂芯設計

本文的研究對象渦輪后排氣接管為管類零件，在鑄造生產過程中首先需要制作砂芯來形成接管內腔，在此選用覆膜砂作為渦輪后排氣接管砂芯材料[7]。

1.5 渦輪后排氣接管數值模擬計算網格模型

完成渦輪后排氣接管鑄造系統結構模型構建后，對其進行有限元網格劃分。鑄件和澆道部分網格密度設置為2.5 mm，鑄型和型芯網格密度設置為15 mm來劃分面網格，接著對其進行體網格劃分。

1.6 渦輪后排氣接管砂型鑄造模擬參數及條件確定

根據企業提供的數據資料，針對該渦輪后排氣接管鑄件采用的材料的HT250，鑄型為鑄鐵件用濕型砂，型芯采用覆膜砂，采用砂型鑄造工藝生產。灰鑄鐵HT250的固相線溫度為1 100℃，設置澆注溫度為1 350℃，初始溫度25℃，鑄型與鑄件間的界面換熱系數為500（W/m2K），型芯與鑄件間的界面換熱系數為260（W/m2K），澆注速度0.25 m/s，冷卻條件為室溫下空冷。

2 渦輪后排氣接管砂型鑄造數值模擬及結果分析

2.1 鑄件充型過程數值模擬及結果分析

在充型過程中，流場和溫度場同時變化，通過數值模擬，可以得到充型過程中一系列的溫度變化情況，包括液態金屬和鑄型的溫度變化。圖2為鑄件砂型鑄造充型過程金屬液在型腔內的速度場分布圖。

圖2 渦輪后排氣接管鑄造型腔速度分布圖

2.2 鑄件凝固過程數值模擬及結果分析

進行模擬的目的預測鑄件的質量和控制鑄件的質量，下圖3為鑄件不同時刻的凝固狀態及凝固百分比。

圖3 凝固狀態及凝固百分比

2.3 缺陷預測

根據上述結果分析可以知道砂型鑄造在鑄件頂部和底部拐角處出現縮孔和澆不足缺陷，鑄件頂部平面部分由于沒有鑄件材料沒有得到補縮，澆口杯處由于最后金屬液的凝固收縮產生孔隙，但是澆注系統會在后面去除，故此處缺陷可以忽略。

3 工藝改進及結果分析

3.1 渦輪后排氣接管砂型鑄造工藝改進

根據渦輪后排氣接管砂型鑄造模擬分析結果可知，對于砂型鑄造生產的渦輪后排氣接管，根據其出現缺陷的位置以及大小可以考慮采取以下比較適合該鑄件的工藝措施加以改進：

（1）增加冒口[8]

冒口設置在補縮不足的區域，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，在此選取冒口的補縮距離為50 mm.

（2）增加冷鐵

根據上述砂型鑄件模擬結果可知，在接管下部有縮松現象，冷鐵的激冷速度比較快，因此在該部位增加冷鐵實現局部激冷，解決縮松缺陷。

3.2 工藝改進后的渦輪后排氣接管砂型鑄造數值模擬結果分析

改進后的渦輪后排氣接管砂型鑄造模擬結果分析得知，在鑄件本身不再出現澆不足、縮孔縮松等缺陷，僅在澆注系統部分出現澆不足和縮孔縮松現象，改進的鑄造工藝能夠生產出質量合格的渦輪后排氣接管。

4 結束語

運用鑄造數值模擬軟件平臺，改進后的渦輪后排氣接管在鑄件本身不再出現澆不足、縮孔縮松等缺陷，僅在澆注系統部分出現澆不足和縮孔縮松現象。由于澆注系統在后續加工中會去掉，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是合格鑄件。

[1]肖飛.汽車鋁合金變速箱低壓鑄造數值模擬及工藝優化[D].南昌:南昌大學，2014.

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[5]王家昆.鑄造過程的數值模擬分析[C]//2010全國機械裝備先進制造技術（廣州）高峰論壇論文匯編，2010.

[6]張紅松，張希俊，張方.鑄造過程計算機數值模擬的國內外研究概況[J].2003，28（2）：55-58.

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Numerical Simulation and Optimization of Sand Casting Process on Turbine Rear Exhaust Pipe

SHEN Hui-ming，CHENG Yang，ZHANG Qiu-jie
（Guangxi Vocational and Technical College，Nanning Guangxi 530226，China）

Casting is the basic technology of modern equipment manufacturing industry.Traditional casting forming method based on error theory and empirical design has defects of high cost，long production cycle and high reject rate.This paper takes the E12J4-1008203A turbine rear exhaust pipe of guangxi guiguan machinery ltd as the research object，the turbine rear exhaust pipe solid modeling and design of sand core，etc by using the Pro/E，simulation and process optimization by ProCAST.In this paper，we solved the problems such as the low yield of turbine rear exhaust pipe and excessive internal defects of shrinkage cavity and shrinkage porosity.

turbine rear exhaust pipe；numerical simulation；sand casting；process optimization

TG244.4

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0121-02

2017-02-16

單杠農用柴油機醇類燃油燃燒特性及排放性能試驗研究（KY2016YB611）

申會明（1989－），女，河南焦作人，碩士研究生，研究方向：汽車可靠性技術；程艷（1981－），女，重慶永川人，碩士研究生，副教授，研究方向：汽車新技術。