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，本文主要探討在現有的砂型鑄造生產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、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成型工藝。其原理就是將液態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]。在現代機械制造業中，鑄造行業是制造業的重要組成部分，其發展標志著一個國家的生產實力，不管是在發展中國家還是發達國家，鑄造業的地位都是不可代替的。

鑄造行業中，汽車工業是鑄件的最大用戶，也是推動鑄造業發展的主要動力。一輛汽車中，鑄件質量一般占其自重的20%左右，僅次于鋼材用量，居第二位。在汽車工業中，汽車最主要的組成部分是發動機，汽車整車的壽命和使用性能都由發動機性能的好壞來決定，其中與汽車發動機相關的氣缸體、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得到的[2]。汽車工業的發展方向勢必影響到與之聯系密切的鑄造業前景，汽車工業也是推動鑄造業發展的主要動力。作為主要為汽車工業服務的鑄造業，面對汽車工業的發展和不斷提出的新要求，汽車鑄造業無論是鑄件材質還是鑄造工藝都面臨著新的挑戰，同時正是在這樣一種背景下，完全體現了汽車零件鑄造生產的重要性[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燃燒后產生的廢氣，因此其必須具有抗震性、耐磨性、耐熱性和氣密性。該零件在生產中采用砂型鑄造進行生產。

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，是一種通過液態金屬在重力作用下充填鑄型來實現鑄件生產的鑄造方法。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還能用于批量生產，是最傳統的鑄造方法，其適應性廣、成本低、生產周期短[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 澆注系統設計

澆注系統截面積的大小對鑄件質量也有很大影響。截面積太小，澆注時間長，這樣可能會產生澆不足、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，使鑄件產生渣孔等缺陷，所以必須確定合理的澆注系統的面積，金屬液才會以適當的速度充填鑄型[5]。

3.1.1 澆注系統類型的選擇

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。

3.1.2 澆注系統的設計與計算

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。生產中常用經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，包括澆冒口在內的鑄件質量;

S1——系數，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：

根據鑄件結構及澆注系統設計原則，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內澆道的最小截面積計算公式：

其中，GL、t、Hp由上述計算得知，？滋為澆注系統的流量損耗因數，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，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澆道的1.15倍，橫澆道截面積為內澆道截面積的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量都起著至關重要的作用。渦輪后排氣接管漏氣現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，運用計算機數值模擬之后，在出現或可能出現缺陷的部位添加冒口進行補縮，從而達到鑄件的質量要求。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;根據模擬結果中出現缺陷的部位，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，根據鑄件產生缺陷的位置，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，從而保證鑄件質量。根據以往砂型鑄件常出現的缺陷可知，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。

3.3 砂芯設計

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

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濟效益也是可觀的。鑄造行業中應用樹脂芯砂之后，其發展速度在鑄造生產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。在室溫下，覆膜砂大部分呈干態分散的自然顆粒狀，不管是干態還是濕態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

根據實際生產需要，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系的，必須按次序進行。整個系統采用PLC控制，溫控裝置采用數顯溫度儀，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出褐色，有的甚至呈現出黑色，而發生硬化不足時，砂芯中心呈現白色，外表呈現黃色。

4? 總結

砂型鑄造是該企業常用的鑄造生產方法，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;后續將設計好的砂型鑄造模型用鑄造數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量都起著至關重要的作用。渦輪后排氣接管漏氣現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，通過鑄造數值模擬確定了缺陷產生的部位及大小，通過對其進行工藝改進之后鑄件本身不再出現缺陷，進而解決了鑄件的漏氣、斷裂問題。對于鑄件底部出現縮松現象的砂型鑄造，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出質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，證明了工藝設計的有效性，為企業生產渦輪后排氣接管鑄造生產提供依據。

參考文獻：

[1]李榮德，米國發.鑄造工藝學[M].北京：機械工業出版社， 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，2014，40（6）：57-62.

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[4]林勃.砂型鑄造工藝學[M].機械工業出版社，1992.

[5]李弘英，趙成志.鑄造工藝設計[M].機械工業出版社，2005.

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

[7]李遠才.覆膜砂及制型（芯）技術[M].機械工業出版社， 2008.

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