【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~3,平均每个叶片的缩孔体积约5.13 cm~3。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,总缩孔体积由原来的61.4cm~3降为2.02cm~3,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。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~3,相较于工艺参数改进前的2.04cm~3,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射线检测无明显缩孔缩松缺陷,无气孔及夹渣缺陷,叶片尖角前端无浇不足缺陷产生,轮盘底部荧光检测无显著针孔、缩孔缺陷。
