基于数值模拟的排气管浇注系统设计与优化

默朋杰

（保定市沧龙精密铸造有限公司，河北保定 071000）

基于数值模拟的排气管浇注系统设计与优化

默朋杰

（保定市沧龙精密铸造有限公司，河北保定 071000）

根据排气管的结构特点和中硅铸铁的材料特性设计浇注系统，使用铸造模拟软件Castsoft对其进行精密铸造的数值模拟。初始工艺参数为：浇注温度1 580℃，模壳焙烧温度1 050℃.通过数值模拟计算，在排气管的端口厚壁处及管道周围易出现缩孔和缩松等缺陷，在相应的部位继续进行工艺优化，最终使得端口处及圆周处铸造缺陷完全消除。根据模拟工艺进行实际浇注，得到合格的试件。

排气管；浇注系统，铸造模拟软件；数值模拟；缺陷

随着国内汽车行业的发展，汽车零部件行业对于铸造业的要求越来越高，相应的对排气管等重要环保零件提出了更高的要求。目前，国内汽车发动机排气管，主要使用普通球铁和灰铁材料[1-4]。但是其力学性能较差，达不到国外的使用标准，而中硅铸铁的强度和综合性能较好，越来越成为排气管的首选材料。但是中硅铸铁铸件在铸造过程中对铸造工艺的要求特别高[5，6]。针对这一问题，本文对某汽车发动机排气管铸件进行两种铸造浇注系统工艺设计，通过数值模拟软件对两种工艺的数值运算分析以及凝固过程的模拟，准确预测每种工艺中缩孔及缩松产生的位置及大小，对比两种工艺方案，最终得到最优的铸造工艺，在此工艺基础之上进行实际浇注，最终得到性能合格、无缺陷的排气管。

1 零件分析

1.1 尺寸分析及铸件要求

图1所示为某中硅铸铁排气管零件三维图及尺寸。铸件尺寸为490 m m×193 m m×174 m m，最大壁厚差为10 m m.

图1 中硅铸铁排气管零件三维图

排气管铸件表面不得有缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷，排气管薄壁处壁厚为6 m m，在排气管端部厚度最大达到16 m m，在端部易产生缩孔，在圆管周围易出现缩松及应力集中。

1.2 材料分析

排气管采用的材质为中硅铸铁，其成分如表1所示。

2 浇注系统设计

图2、图3所示为两种不同的浇注系统方案。方案一将排气管所有壁厚处都用内浇道连接起来防止其在此处产生缩孔和缩松等缺陷，此过程考虑周全但是工件成品率低，材料浪费严重；第二种方案将底部法兰壁厚处用模壳沾水的方法降低此处的模壳温度，从而使得工件达到顺序凝固的效果，缩松和缩孔不易出现在工件上，而且此方法大大节省了原材料的使用和浪费。

表1 中硅铸铁排气管成分表

图2 方案一

图3 方案二

3 模拟计算结果分析

3.1 凝固过程分析

图4、图5所示分别为两种方案不同凝固时间段的凝固过程。

铸件在凝固过程中金属液向铸件及周围环境中相互传热，凝固过程中的凝固顺序不同，会产生相应的金属的收缩、变形和应力集中等铸造缺陷。

方案一在凝固至50%时，在端口处产生孤立的凝固块，因此在此处易产生缩孔缺陷，由于方案一底部补缩不足使得在管道中间部位易产生缩松缺陷。在方案二中明显可以看出由于底部在浇注过程中沾水，因此底部浇注时瞬间凝固，在管道中间部位不会产生缩孔和缩松等缺陷，最后凝固部位在管道上端的内浇口上，由此凝固过程可以看出方案二不会出现明显的铸造缺陷。

3.2 铸造缺陷分析

铸造缺陷是导致铸件性能低下，使用寿命短、报废和失效的重要原因，因此消除和减少铸造缺陷是保证铸件质量的重要部分[7，8]。在排气管的工艺数值模拟过程中，对铸造缺陷的预测和分析是控制排气管质量的重要指标，在此过程中的铸造缺陷分析主要包括对缩孔和缩松的预测及分析。

3.2.1 缩孔分析

图6所示为不同浇注系统下缩孔缺陷预测情况。

图4 方案一数值模拟凝固过程

在铸件的凝固过程中由于热节过大或补缩不足而导致最后凝固部位产生的孔洞即为缩孔。利用数值模拟软件Cast sof t对铸件进行数值模拟，可以准确预测出铸件可能出现的缩孔位置和大小。由图6a）可以看出，方案一在法兰端口处及底部端口处产生了缩孔缺陷，此处产生的原因是在端口底部及上部内浇道有补缩不足的情况，这种现象同样发生在铸件底部；而方案二由于浇注系统设计合理，在铸件底部没有出现缩孔的现象。

3.2.2 缩松分析

图7所示为不同浇注系统下缩松缺陷情况。

图5 方案二数值模拟凝固过程

排气管在凝固的过程中，由于冷却速度的不同会造成一定的体积收缩，在最后凝固的部位会出现缩孔，而细小分散的缩孔即为缩松。由图7可以看出，方案一在法兰端口处及底部端口处产生了缩孔垂直管道的方向中间部位在外壁和内壁处出现缩松缺陷，此处产生的原因是底部内浇道太小无法足够补缩至管道中间部位，使得其在凝固过程中在管道内外壁处产生了分散的细小孔洞；而方案二在铸件底部浇注时沾水急速冷却，足以补缩至管道中间及以上部位，因此在管道中间没有产生缩松的缺陷。

图6 数值模拟缩孔图

图7 数值模拟缩松图

4 铸件试制

按照上述对比方案的结果，选择方案二的铸造工艺进行排气管的精密铸造。本文采用的精密铸造流程是：3D打印出PS粉的排气管、添加浇注系统组树、制壳及脱蜡、脱PS粉及模壳焙烧、熔炼及浇注、震壳打磨等后处理工序，浇注出的排气管如图8所示。

图8 铸件实物图

图8 表明铸件表面未出现缩孔和气孔等缺陷，说明了铸造工艺设计合理，能够满足铸造生产要求。

5 结论

本文利用有限元数值分析，采用中硅铸铁针对国内某款汽车的排气管开展熔模铸造的仿真研究。针对排气管设计了两种不同的浇注系统，利用模拟软件Cast sof t对两种不同浇注系统下排气管的凝固过程进行仿真，分析了两种浇注系统方案的凝固过程的合理性，模拟预测缩孔、缩松等铸造缺陷的部位和大小，对两种工艺分析研究，并进行浇注系统优化。

研究表明：在排气管法兰底部及管道周围易产生缩松、缩孔等缺陷，因此采用下部沾水急冷的方法使其进行顺序凝固，减少了材料的浪费，提高了排气管铸件的成品率。利用此工艺进行实际浇注验证试验，最终得到合格的排气管铸件。

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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，助理工程师。