熔模铸造为近净成型工艺技术，多用于复杂或特殊形状零件的铸造[1-3]。传统熔模铸造浇注系统设计都是根据经验来确定[4-6]，根据浇注铸件的冶金质量对铸造工艺进行反复的修改，以获得合格的铸件，但这样的试错方法会导致较长的开发周期、较高的铸造成本，难以获得高质量的合格铸件[7-9]。为了降低熔模铸造铸件的成本，缩短研发周期[10-13]，采用计算机数值模拟技术对浇注工艺及参数是否可行进行预测，而ProCAST 是铸造模拟中常使用的软件，可以模拟铸造凝固及流动过程，准确预测铸件的疏松、缩孔等缺陷[14-17]。
本文所研究壳体为铝合金铸件，其对管路部分气密性要求极其严格，因此对铸件的冶金质量有很高要求。为了获得高质量的合格铸件，并缩短研发周期，采用ProCAST 软件对该铸件的组合工艺进行了数值模拟，分析铸件凝固过程中固相率的变化以及疏松缺陷分布。随后根据缺陷情况进行工艺优化，并对优化前和优化后的工艺进行了实验，验证了数值模拟结果的准确性。
1 铸件工艺分析
铸件所用材料为ZL101A，属于复杂的型腔壳体类铸件，质量约为2.0 kg，尺寸大小约为215 mm×155 mm×180 mm，铸件形状如图1 所示。而且零件结构壁厚不均匀，最薄壁厚为3 mm，最大壁厚约为22 mm，存在多处局部热节，不利于实现顺序凝固，因此铸件极易产生疏松缺陷。
图1 三维图：(a)正视图；(b)剖视图
Fig.1 Three-dimensional view：(a)front view;(b)cutaway view
2 初始工艺设计及模拟结果分析
2.1 初始方案及模型设置
结合铸件结构特点及冶金成型难点，根据熔模铸造特点采用传统经验法对该铸件进行了初版组合工艺设计。该初版工艺的设计原则是在铸件厚大的部分放置冒口，以保证铸件能够得到足够的补缩。初版工艺设置的组合图如图2 所示，且铸件的管路及型腔采用传统的浆料进行涂制并无采用陶瓷型芯，因此后期模拟时设置无需单独考虑管路的换热系数。采用UG 三维软件对铸件的组合工艺进行实体建模，然后将组合工艺实体导入ProCAST 软件进行数值模拟，将模型进行网格划分，设置面网格大小为5 mm，生成的模壳网格厚度为6 mm，然后再进行数值模拟参数的设置，模拟参数的设置主要包括浇注温度、浇注速度以及界面换热系数等 [18-21]，该模型的数值模拟参数的设置情况如表1 所示。
表1 数值模拟参数
Tab.1 Parameter settings for the numerical simulation
?
图2 初始浇注系统设计方案及型壳网格划分：(a)浇注系统方案；(b)网格划分
Fig.2 Designing scheme of the initial gating system and grid division of the shell：(a)pouring system scheme;(b)grid division
2.2 数值模拟结果分析
2.2.1 凝固过程分析
固相率是指溶液中固体物质的比例，随着温度的降低，溶液中的固体物质会越来越多，固相率也就越高。通过对固相率的分析可以清晰观察到铸件的整个凝固过程，如果铸件在凝固过程中有孤立液相产生，这说明铸件在凝固过程无法形成顺序凝固，会导致铸件产生疏松缺陷。如图3 所示，透明部分表示铸件已经凝固，而深色部分则表示铸件金属处于液态或半凝固状态。从图3 可以看出，当t 为30 s 时，铸件从薄壁处开始凝固，并逐渐向壁厚处进行；t 为100 s 时，铸件有1 处区域因补缩通道断开，产生1处孤立液相区域；t 为330 s 时，同样因冒口补缩不到位，导致铸件产生孤立液相区域，这2 处区域可能就会产生缩松、缩孔缺陷。
图3 凝固过程固相分布：(a)30 s;(b)100 s;(c)330 s
Fig.3 Distribution of the solid phase during the solidification process：(a)30 s;(b)100 s;(c)330 s
2.2.2 疏松缺陷分析
对于铸件模拟结果疏松缺陷的分析，可以采用ProCAST 软件中的缩松缩孔判据，该判据通过孔隙率模型分析铸件中产生的疏松缺陷；如果铸件在缩松率大于1%的情况下依然有疏松体积存在，则说明该组合工艺会存在疏松缺陷。该初版工艺所产生的疏松缺陷位置分布如图4 所示，该铸件产生2 处疏松，分析产生原因是因为该2 处疏松区域均为铸件的厚大部位，且在整个凝固过程中没有得到足够的金属液补充，故产生了疏松缺陷。
图4 疏松缺陷分布：(a)正视图；(b)侧视图
Fig.4 Distribution of the porosity defect：(a)front view;(b)side view
3 工艺优化及模拟结果分析
3.1 优化方案及模拟设置
为了解决铸件2 处不同位置(图5)的疏松缺陷，将初版组合工艺方案进行改进，位置1 处的疏松是因为冒口距疏松位置太远，无法及时保证补缩导致产生缺陷，因此将冒口位置进行调整如图6 所示；位置2 的疏松是因为该位置属于热节区域，但是缺少冒口补缩，因此需要在此位置增加冒口如图7 所示，改进后的浇注系统增加了1 处横浇道并与增加的冒口连接，其它位置的浇道的并未改变，改进后的整体组合工艺如图8 所示；然后再将改进后的组合工艺进行模拟，模拟设置参数同表1。
图5 铸件疏松位置示意图
Fig.5 Schematic diagram of the porosity distribution in the casting
图6 疏松位置1 冒口调整：(a)调整前；(b)调整后
Fig.6 Riser adjustment for porosity position 1：(a)before adjustment;(b)after adjustment
图7 疏松位置2 增加冒口
Fig.7 Riser added at porosity position 2
图8 改进后组合工艺
Fig.8 Improved combination process
3.2 模拟结果分析
3.2.1 凝固过程分析
从图9 可以看出，铸件刚开始的凝固情况与工艺优化前铸件凝固情况基本保持一致，都是从铸件薄壁开始凝固，并逐渐向壁厚区域进行；不同的是在t=100 s 时，在初版组合工艺产生孤立液相的位置，工艺改进后并未产生孤立液相；在t=330 s 时，在初版组合工艺产生的第二处孤立液相位置，工艺改进后也并未产生孤立液相，这说明增加冒口和更改冒口位置改善了铸件凝固顺序，从而解决了因冒口补缩不足产生的疏松缺陷。
图9 凝固过程分布：(a)30 s;(b)100 s;(c)330 s
Fig.9 Distribution during the solidification process：(a)30 s;(b)100 s;(c)330 s
3.2.2 疏松缺陷分析
工艺改进后，采用相同的缩松缩孔判据对Pro-CAST 模拟结果进行评判，从图10 可以看出，整个铸件并未有疏松缺陷产生，这说明工艺改进后实现了铸件的顺序凝固，解决了原来初版组合工艺产生的2 处疏松缺陷。
图10 疏松缺陷分布：(a)正视图；(b)侧视图
Fig.10 Distribution of the porosity defects：(a)front view;(b)side view
4 实验验证
为了验证模拟结果的准确性和改进后工艺方案的可行性，将初版组合工艺和优化后组合工艺方案进行试验，2 种工艺方案除了组合系统不一致外其它铸造参数完全一致，在经过蜡模压制、蜡模组焊、制壳、脱蜡、型壳焙烧、浇注、水力清壳、去除浇冒口等一系列工序后得到了产品浇注，将铸件进行无损探伤检测，结果显示按初版组合工艺生产的铸件存在2 处疏松，疏松位置正好与模拟位置相对应。而按优化后的组合工艺生产的铸件，无损探伤结果显示并未有疏松缺陷产生，如图11 所示。将优化后的工艺方案进行小批量生产，所生产铸件全部合格,实际生产的铸件如图12 所示，验证了模拟的准确性及优化后方案的可行性。
图11 工艺优化前后铸件疏松缺陷情况对比：(a)优化前；(b)优化后
Fig.11 Comparison of porosity defects in the casting before and after process optimization：(a)before process optimization;(b)after process optimization
图12 实际生产的铸件
Fig.12 Actual production of the castings
5 结论
(1)采用数值模拟的方法优化了组合工艺方案，解决了原有工艺中铸件产生的疏松缺陷问题，并对优化前和优化后组合工艺方案进行了试验，结果表明验证优化前工艺方案所生产的试样件缺陷位置是与模拟结果相符，优化后工艺方案所生产的试样件无缺陷产生，符合产品质量要求。
(2)数值模拟结果与无损检测结果高度一致，为同类铝合金铸件产品的研制和工艺方案优化提供了可靠的依据和分析方法，为类似铸件的熔模精密铸造成形技术提升奠定了基础。
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