摘要
基于FEM（Finite Element Methods）开发的理论模拟对研究铝合金材料铸造成形有重要意义。采用理论模拟研究ZL205A铝合金筒体铸件低压铸造、重力铸造工艺，根据对应工艺获得铸件的实际质量，确定适合产品的理想工艺。研究结果表明，采用浇注系统截面比1:4:5开放式重力浇注工艺，产品外观荧光检查、内部X光探伤检查均满足产品技术需求，且工艺出品率达到55%以上。
随着铝合金铸造行业的发展，中等壁厚铸件质量日趋上升，广泛应用于航空航天、船舶、新能源汽车等领域，对于薄壁和厚壁铸件应用研究日益迫切，其中厚壁铸件结构中筒体类结构件相对应用较多，目前该类铸件质量表现相对较差，主要缺陷类型为大面积疏松、浇注未成形等。本研究对象为厚壁筒体铸件，铸造方式选用低压铸造、重力铸造两种方式。在一定程度上，行业内普遍认为低压铸造方式铸件内部组织质量优于重力铸造方式。但铸造工艺的影响因素较多（如产品结构、设备设施、冷铁的设计、冒口的设计等），应综合考虑，从而设计满足产品需要的最佳铸造工艺。低压铸造其充型过程为自下而上充型，宏观凝固顺序主要为自上而下凝固（同时凝固应用相对较少）；重力铸造作为传统广泛应用的铸造方式，其充型过程为自上而下充型，宏观凝固顺序主要为自下而上凝固。本文主要探讨低压铸造和重力铸造工艺对于厚壁筒体铸件的适用性。1、铸造工艺
铸件材质为ZL205A铝合金，铸件重量132 kg。模拟显示该合金液相线650.5 ℃，固相线548.3 ℃。铸件技术要求：铸件质量符合HB 963―2005 Ⅱ类铸件要求；力学性能抗拉强度≥490 MPa，断后伸长率≥3%，布氏硬度HBS≥120；化学成分如表1所示。铸件结构如图1所示。
表1 铸件的化学成分 wB/%
图1 铸件示意图
1.1 浇注系统设计
采用基于FEM的Procast 2018软件进行理论模拟，设计低压铸造工艺、重力浇注工艺对应的最理想浇注方案，并开展对应工艺的产品试制。低压浇注工艺采用缝隙式浇注工艺，立缝厚度设计为铸件壁厚的0.8倍，立缝宽度设计为60 mm，立筒直径设计为立缝厚度的3.5倍，考虑铸件壁厚较厚，设想立筒有效补缩距离以约100 mm进行设计，铸件周长约1 110 mm，即需工艺设计6根立筒，升液管直径设计为150 mm，工艺设计图如图2。理论模拟面网格单元尺寸为3 mm×3 mm，面网格数约为272万个，体网格数约为1 264万个。浇注温度设置为680 ℃，浇注速度设置为40 mm/s。
图2 低压浇注工艺图
低压浇注工艺模拟结果显示，金属液充型平稳，升液管未见喷溅现象，凝固顺序为自上而下，先凝固铸件部分，后凝固立缝，最后依次为立筒及横浇道（图3），疏松结果显示铸件部分未见明显疏松区域（图4），无孤立凝固相。分析认为，理论上工艺可行。方案工艺出品率约为20%。
图3 低压浇注工艺凝固时间图
图4 低压浇注工艺疏松缺陷图
重力浇注工艺设计为中注开放式，浇注系统截面比为∑S直浇道∶∑S横浇道∶∑S内浇道=1∶4∶5，每个内浇道流量均匀为设计原则，工艺设计两处环形分横浇道。为了实现自下而上凝固顺序，铸件下方设置一块随形冷铁，冷铁厚度为对应铸件壁厚的1.2倍，铸件工艺上方设置一处随形冒口，冒口高度为200 mm，工艺图如图5。理论模拟面网格单元尺寸为3 mm×3 mm，面网格数约26万个，体网格数约161万个。此方案浇注温度设计为700 ℃，浇注速度设计为40 mm/s。
图5 重力浇注工艺图
重力浇注工艺模拟结果显示，金属液充型平稳，未见明显紊流等异常现象，凝固顺序较为理想，温度场梯度均匀，实现自下而上凝固顺序理念（图6），疏松结果显示铸件部分未见明显疏松区域（图7），无孤立凝固相。分析认为，理论上工艺可行。方案工艺出品率约为55%。
图6 重力浇注工艺凝固图
图7 重力浇注工艺疏松缺陷图
1.2 造型方式研究采用树脂砂造型方式，关键工序的工艺参数见表2。
表2 工艺参数
2、试验结果及分析2.1 低压浇注工艺浇注过程未见明显异常，浇注完毕后，铸型从JM-083低压铸造机移除时，发现铸型升液管上方部分趋于凝固，认为生产实际工艺参数与工艺设想相对一致。
铸件精清后，下箱法兰位置可见明显缩孔、疏松缺陷（图8）。分析认为，该位置产生缺陷的原因为铝液补缩不良。缺陷位置距离升液管较近，是铸件最后凝固的位置（较升液管上方部分凝固时间长），即升液管不能对该位置形成有效补缩。分析发现设施部分升液管直径150 mm（为生产现场最大尺寸的升液管）较立筒直径260 mm小，在有限的结晶增压时间内升液管不能对铸件有效增压、补缩。认为此浇注工艺有待优化。
图8 低压浇注工艺铸件情况
2.2 重力浇注工艺充型时间较理论模拟值延长5 s，手工浇包浇注速度可能与工艺参数有一定出入。铸件外观质量表现良好（图9a），表面精清后荧光检测未见异常（图9b），X光检查内部质量满足铸件技术要求，其中冒口根部铸件组织疏松2级（图9c）。
图9 重力浇注工艺铸件情况
3、结论
（1）该厚壁筒体铸件采用重力铸造工艺可以满足铸件技术要求。工艺设计浇注系统面积比∑S直浇道∶∑S横浇道∶∑S内浇道=1:4:5，采用中注的浇注方式，铸件顶冒口采用保温冒口设计，铸件底部设计厚度为铸件壁厚1.2倍的随形冷铁。工艺出品率为55%。（2）而采用低压铸造工艺浇注后铸件存在缩孔、疏松等缺陷，不能满足产品技术要求。主要原因为升液管直径设计不足，升液管直径以不低于260 mm为宜。工艺出品率仅为20%，综合考虑，此工艺设计不适合此产品的试制。
