长期以来，铸造行业对于零件铸造工艺的改进和更新主要依赖于经验试错法，导致铸件生产成本高昂。此外，现阶段的制造工艺越来越复杂，对于产品性能和尺寸精度的要求越来越高，产品的生产周期要求越来越短，这对于保证产品的可靠性又提出了新的挑战。大尺寸非对称薄壁铸件是铸造行业中的一种典型铸件，因其尺寸大、结构复杂等特点，导致铸造工艺设计难度大，试错成本高，亟待引进模拟仿真软件，提高铸造工艺设计的准确性，降低生产成本，提高效率。

现阶段，模拟仿真技术的发展日新月异，模拟仿真可以在很大程度上反应和预测产品在设计、制造以及服役过程中可能产生的各种问题。目前，有限元的相关理论已经较为成熟了，ESI集团的ProCAST基于其强大的数据库和求解器，能够很好的满足铸造行业的需求。一方面，通过ProCAST可以缩短产品制造周期，降低制造成本，提高效率;另一方面，可以规避一些铸造缺陷，提高产品质量，为企业的发展创造效益。

1  铸件描述及工艺设计

某产品重要铸件(如图1，材料为ZL101A,其成分见表1。质量约为130kg,铸件为回转体结构，铸件高度为731mm，大端外径为948mm，小端外径为476mmm，壁厚为7mm，内腔一侧有8个大平板和3条竖筋，大平板最深处有220mm，另一侧只有竖筋和环筋各一条，属于大尺寸非对称薄壁铝合金铸件，内腔大端处均匀分布16块肋板，厚度均为20mm。零件技术要求表面不允许有冷隔、裂纹、缩孔和穿透性疏松，内部质量检验采用X射线探伤，探伤等级不超过4级，抗拉强度≥275MPa,硬度≥ 80HB,延伸率≥ 2%。

壳体毛坯为圆锥形结构，尺寸大，性能要求高，采用砂型铸造低压浇注工艺成型。低压铸造金属液自下而上通过浇道进入型腔直至充满铸型，充型速度可以根据实际情况进行控制，以利于金属液平稳充型，既保证型腔中的气体排出，也避免冷隔、氧化夹渣等缺陷的发生。金属液在压力下充型、结晶凝固，可以得到充分的补缩，铸件组织致密、力学性能高，适合浇注复杂的薄壁铸件。

浇注系统选用横浇道+直浇道+缝隙式内浇道的形式，保证铝液上升到型顶以后依然有较好的流动性，根据铸件尺寸计算及壳体结构分析，直浇道和内浇道数量确定为8个，直浇道直径75mm，内浇道对准壳体内腔竖筋位置进行充型。铸件上下法兰、竖筋等厚大部位和外皮设置冷铁，加强激冷效果，实现顺序凝固，防止内部出现缩松、缩孔等缺陷。浇注系统的具体结构及冷铁布置见图2。

2  有限元仿真前处理

2.1 网格划分

将模型导入ProCAST中的Mest Cast模块进行网格划分。考虑到不同部位网格划分疏密对最后计算结果的影响程度大小，铸件和浇注系统的网格单元尺寸设置为5，砂型和砂芯的网格单元尺寸设置为15。划分好面网格后，对其进行检查修复，最后在面网格基础上进行体网格的划分，最后生成372878个面网格和9420138个体网格，如图3所示。

2.2 材料选择和工艺参数的确定

铸件材质为ZL101A合金，可直接选取Pro-cast材料库中的该材料并引用其属性。通过查阅铸造手册以及相关文献得到该材料的固相线温度为577°C，液相线温度为610°C。砂型和砂芯材质为树脂砂。

2.3 边界条件和其他参数设置

根据传统实践经验，设置初始工艺参数:浇注温度为710°C，砂型和冷铁初始温度都为室温 25C。采用低压浇注，将重力设为x轴负方向，砂型条件设置为自然空冷。界面传热系数类别选择COINC类型，其中冷铁与铸件传热系数设置为1000,冷铁与砂型传热系数设置为750，铸件与砂型传热系数设置为800。压力参数根据工程经验设置如图4所示。

3  仿真结果分析

3.1 充型凝固过程温度场模拟结果分析

通过Viewcast模块，观察铸件三维温度场的分布结果，浇注系统的充型凝固过程仿真结果见图5。由图5可以看出，浇注后，金属液由内浇口平缓地流入铸型型腔，缓慢上升，充型过程较为平稳，最终完全充满型腔。在充型过程中热节部分的冷铁可以起到激冷作用，且整个型腔温度变化不大，整个过程没有出现明显的孤立液相区。

3.2 铸件缺陷预测分析

根据该铸件技术要求，铸件内部可允许少量微小疏松缩孔。在后处理的Total ShrinkagePorosity界面，可查看缩孔预测结果见图6。从图中可以看到，铸件内部疏松很少，且皆为微小疏松，缺陷主要集中在浇道部位，经仿真分析可以预测，该工艺浇注的铸件基本能够符合交付要求。

4  生产验证及性能测试

按照上述工艺参数进行生产验证，对铸件进行射线探伤检测，发现铸件的探伤为3级，满足铸。件技术要求，探伤结果见图7。对同炉试片进行取样，利用金相显微镜进行观察，得到金相组织(见图8，经观察，该铸件组织致密，晶粒分布均匀，满足要求。对铸件试片进行拉伸试样取样，力学性能结果如表2所示，可见，铸件试片抗拉强度均在275 MPa 以上，硬度均在 90HB以上，延伸率均在2%以上，满足要求。

5  结论

(1)仿真结果表明，在此浇注工艺下，金属液充型平稳，热节部分的冷铁可以起到激冷作用，且整个型腔温度变化不大，整个过程没有出现明显的孤立液相区，实现了顺序凝固。

(2对试生产得到的铸件进行X射线探伤、金相组织观察以及力学试验，铸件探伤等级为2级，致密度良好，晶粒分布均匀，力学性能符合要求。(3对浇注过程进行仿真模拟，说明了Pro-CAST软件在铝合金件铸造工艺优化仿真的实用性，利用ProCAST软件能够有效地预判生产中可能会出现的问题，大大缩短产品的研发周期，节省人力、物力和财力。