陈文博，贺洋洋，车 前，刘 静，屈 闯，丁介然

（陕西万方汽车零部件有限公司，陕西 西安 710200）

引言

铸造排气管是将发动机内产生的废气排出车外的汽车零部件。随着发动机排出气体温度的提高，铸造排气管所承受的温度也随之上升。铸造排气管常处于往复的高温环境，反复承受热应力的作用，容易产生热疲劳，对铸造排气管造成一定破坏。

文章通过 ProCAST软件对某汽车铸造排气管的凝固过程及缩松缺陷进行数值模拟分析，并进行铸造工艺方案的优化，提升铸造排气管的质量，缩短试制周期，降低生产成本。

1 铸造方案的确定

1.1 产品结构特点

铸造排气管管壁厚度 5 mm，两端分别为法兰端与接管端，厚度为5 mm～10 mm，如图1所示。

图1 铸造排气管

1.2 铸造工艺设计

铸造排气管管壁较薄，结构不规则，密闭性要求高，初步选用顶注式覆膜砂铸造工艺制作。对砂型添加明冒口，增强铸件补缩能力，同时消除铸造中由于排气不畅而导致的缺陷。

考虑到生产效益，在保证铸造排气管质量的前提下，尽可能提高铸件工艺出品率，所以选用一模两件的的方式进行浇注。

制作铸造排气管毛坯时，对产品机加孔进行封堵，根据预设浇注位置及分型面，增加加工面的机械加工余量、拔模斜度，如图2所示。

图2 铸件浇注方案

金属液经浇注系统从铸件顶部进行充型，在金属液充型过程中，型腔内的气体可经过明冒口排出型腔。

2 ProCAST数值模拟分析

2.1 顶注式方案数值分析

2.1.1 模拟分析

将铸件浇注方案的CATIA文件保存为STL格式，导入ProCAST软件Mesh模块，包裹虚拟砂箱，进行面网格及体网格的划分。

将网格划分后的文件导入Cast模块，分别对铸件及砂箱进行材料赋值，设定界面条件、边界条件、初始条件及模拟参数。通过Data CAST检查参数设定完成的文件，无误后分析处理好的铸件模型。

分析完成后，通过View CAST显示结果[3]。

2.1.2 结果判定

（1）凝固过程判定：铸造排气管本体凝固顺序如图3，从壁厚较薄的管壁向两端进行，不利于补缩距浇冒口较远的接管端。

图3 ProCAST模拟凝固过程

（2）铸件缩松判定：经数值模拟分析如图4，铸件排气管接管端两管壁交汇位置，局部厚大，铸件出现缩松缺陷，但无浇不足、冷隔、气孔等缺陷出现。

图4 18 ms时刻

图4 ProCAST模拟缩松结果

铸造排气管接管端为产品机加区域，为保证机加后产品的合格率，应对铸造方案进行优化。

2.2 铸造工艺优化

2.2.1 浇注方式优化

根据ProCAST数值模拟结果，铸造排气管接管端相对厚大，金属液凝固缓慢，管壁较薄先于接管端凝固，阻隔了补缩通道，使浇冒口无法对接管端起到补缩作用。优化浇注系统如图5所示，采用阶梯浇注方式，此方式对型、芯冲击小，充型平稳，有利于补缩和渣、气上浮，温度均匀，可避免局部过热[4]。当接管端凝固时可通过浇注系统对接管端进行补缩，达到消除铸造缺陷的目的。

图5 铸件浇注优化方案

2.2.2 优化结果判定

（1）凝固过程判定：优化后，铸造排气管本体凝固顺序如图 6，从壁厚较薄的管壁向两端进行，同时浇注系统对接管端进行补缩作用。

图6 ProCAST模拟凝固过程

（2）铸造缩松判定：铸件缩松位置如图7所示，均出现在浇冒口中，对铸件本体质量无影响。

图7 ProCAST模拟缩松结果

3 结论

（1）铸造排气管管壁较薄，热节出现在管壁与法兰端、接管端连接位置，通过浇注系统及冒口的合理设计，对金属液凝固时的补缩起到明显作用，使铸造排气管达到质量提升的目的。

（2）根据Procast数值模拟结果可知，铸造排气管凝固顺序由铸件本体向浇冒口位置推移，有效避免了铸件本体产生缩松缺陷，验证了铸造工艺方案及工艺参数的可行性。