山东建筑大学硕士学位论文
摘 要
本文以某轨道车牵引电机通风机上的铝合金叶轮铸件为研究对象，对该叶轮铸件
实际生产过程中存在的铸造缺陷进行分析，利用铸造模拟软件ProCAST 对叶轮铸件充
型和凝固过程进行了模拟分析，结合铸件采用现行工艺出现的主要铸造缺陷，提出了
相应的改进方案。通过四因素四水平的正交试验，研究了浇注温度、充型压力、模具
预热温度、金属型壁厚对叶轮铸件充型和凝固过程的影响，得到了一组最优工艺参数。
利用三维造型软件 UG10.0 设计了该叶轮铸件的低压铸造模具。
该叶轮铸件采用现行工艺，在实际生产中出现的主要铸造缺陷有：叶片厚壁部位
存在直径约 1~2mm 的缩孔，此类缩孔缺陷是叶轮铸件报废的主要原因，约占废品的
80%左右；部分铸件叶片尖角处存在浇不足缺陷；叶片薄壁尖角与轮盖相接处有时会出
现氧化夹渣。
本文首先对叶轮铸件采用现行低压铸造工艺的充型和凝固过程进行了模拟计算分
析。充型过程模拟分析结果显示：叶片薄壁尖角处产生浇不足缺陷的风险较高；叶片
尖角和轮盖上部在充型过程中金属液与空气接触时间较长，产生氧化夹渣的倾向大。
凝固过程分析结果显示：凝固过程中砂芯温度较高，叶片厚大部位凝固时间长，凝固
后期形成孤立液相区，浇口处的金属液不能通过轮盘对其进行有效补缩。收缩缺陷模
拟提取结果显示：叶轮轮盘、叶片之间的轮盖部位存在着不同程度的缩松缺陷，叶轮
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轮盘向上约 40mm 的叶片最大壁厚处有缩孔产生，总的缩孔体积为 61.4cm ，平均每个
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叶片的缩孔体积约 5.13 cm 。组织性能模拟结果显示：叶轮铸件主要部位的二次枝晶臂
间距 SDAS 在 21.6 um~39.5um，主要部位的拉伸强度均在286MPa 以上。模拟分析结
果与实际生产中存在的问题基本一致。
根据模拟分析结果，针对叶片厚壁部位的缩孔缺陷，提出了三种工艺系统改进方
案，根据实际生产实施情况，选择了对模具改进较小但效果较好的方案二：增加叶片
厚壁处补缩通道轮盘的厚度，调整凝固顺序，并对排气系统和冷铁结构进行改进，模
拟分析结果显示，充型过程中的卷气程度得到明显改善，叶片尖角处浇不足缺陷风险
降低，叶片厚壁中心部位缩孔缺陷消失，下部存在小的缩孔缺陷，总缩孔体积由原来
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的 61.4cm 降为 2.02cm ，叶轮轮盘及叶片部位的缩松缺陷明显减轻，两叶片间的轮盖
部位缩松缺陷未见减轻。试生产结果显示，叶片厚壁部位基本无缩孔缺陷，说明此方
案可行。
I
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利用正交试验对影响叶轮铸件低压充型和凝固过程的四个重要参数浇注温度、充
型压力、模具预热温度、金属型壁厚进行模拟优化，确定了三个考核指标：一是孔隙
体积，二是卷气氧化夹渣评级，三是二次枝晶臂间距 SDAS。结果显示：
（1）对叶轮铸件孔隙体积影响最大的工艺参数为模具预热温度，剩余依次是金属
型壁厚、浇注温度、充型压力；
（2 ）对叶轮铸件卷气氧化夹渣评级影响最大的工艺参数为充型压力， 剩余依次
是模具预热温度、浇注温度、金属型壁厚；
（3 ）对叶轮铸件二次枝晶臂影响最大的是浇注温度，剩余依次是模具预热温度、
充型压力、金属型壁厚；
（4 ）优化选出的一组工艺参数为：浇注温度 700℃、充型压力 0.025MPa、左右半
型预热温度 200 ℃、底型预热温度 240 ℃、金属型壁厚 35mm 。
采用优化的工艺参数对叶轮铸件的充型和凝固过程进行模拟分析，结果显示：叶
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片厚壁部位无缩孔缺陷，下部还有小的缩孔缺陷，总体积为 0.55cm ，相较于工艺参数
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改进前的 2.04cm ，减少了 90.69%，铸件缩松程度明显减轻；轮盘部位的卷气得到一
定程度上的减轻。根据优化后的方案进行实际生产，叶片部位 X 射线检测无明显缩
