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。研究根据结果得出，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，大范围的应用于航空航天、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。在某些特定的程度上，行业内一致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）；重力铸造作为传统大范围的应用的铸造方式，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。

　　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 ℃，固相线 ℃。铸件技术方面的要求：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HBS120；化学成分如表1所示。铸件结构如图1所示。

　　采用基于FEM的Procat 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。

　　低压浇注工艺模拟结果为，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），疏松结果为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%。

　　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。

　　重力浇注工艺模拟结果为，金属液充型平稳，未见明显紊流等非正常现象，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），疏松结果为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%。

　　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。

　　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。铸件外观品质表现良好（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方面的要求，其中冒口根部铸件组织疏松2级（图9c）。

　　（1）该厚壁筒体铸件采用重力铸造工艺能够完全满足铸件技术方面的要求。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，不能够满足产品技术方面的要求。根本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%，考虑，此工艺设计不适合此产品的试制。