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摘要：薄壁多油路机匣镁合金铸件形状复杂、外廓尺寸较大,一般存在半封闭腔体及大面积薄壁部位，多条油路交错纵横，铸造难度较大。低压浇注系统设计不合理，易出现卷气、夹杂、疏松、冷隔等缺陷。排气不畅时，易出现爆燃。该类铸件浇注方案设计合理是稳定得到优质铸件的基础，同时研究成果对于相同类型铸件的浇注系统设计也有重要的参考意义。
关键词：薄壁多油路机匣镁合金铸件；缺陷克服；低压铸造浇注系统设计
1概述
随着航空航天技术的进步和发展，对服务于航空航天镁合金铸件的冶金质量要求在不断提高。在航空航天产品寸克寸金严格限重的情况下，所使用的轻质材料之一的镁合金类铸件，正在往薄壁化、轻量化、集成化发展。镁合金由于他的特性为质轻高强，所以在航天航空领域中得到了广泛应用。低压铸造作为一种反重力铸造工艺，可以减少铸件气孔、缩孔、缩松、针孔缺陷，差压铸造的补缩压力较大，提高铸件表面品质，降低疏松缺陷产生倾向，补缩效果明显，可同时降低铸件凝固时的热裂倾向，因此，低差压铸造得到了广泛的应用。随着大型镁合金壳体铸件在航天、航空领域应用不断扩大，为了获得高品质铸件，低(差)压铸造技术得到了广泛应用和发展。在保证铸件使用强度指标的情况下，做得越薄、质量越轻，越能适应航空航天产品的质量要求。薄壁多油路机匣镁合金铸件是薄壁化、轻量化、集成化的代表，结构上最大的特点是铸件内部半封闭腔体面积大、多条管状油路纵横交错。薄壁多油路机匣镁合金铸件铸造上最大的难点是壁厚不均、热节较多，传统浇注方式极易产生夹杂、疏松、卷气、冷隔等缺陷，稳定获取优质铸件的难度大。
2薄壁多油路机匣镁合金铸件工艺性分析
本研究选定航空航天领域内广泛使用铸件材料ZM6合金，此合金具有铸造性能良好、液态合金流动性好、铸造成型时不易热裂、铸件易焊接等众多优点，缺点是镁合金熔炼时氧化倾向大，浇注后铸件产生夹渣缺陷倾向性大。
选取的薄壁多油路机匣镁合金铸件长宽高外型轮廓尺寸为(650X430X230)mm，内部存在为4处半封闭内腔，5条管状油路纵横交错，普遍壁厚为3.5mm，多处热节部位尺寸为(3.5~8)mm。
低压铸造在高端铸件成型方面表现的作用越发突出，是研制生产薄壁多油路机匣镁合金铸件的首选。本研究对象薄壁多油路机匣镁合金铸件浇注系统工艺设计的思路是：采用低压浇注系统，保证镁合金液在合理浇注温度的前提下，最短时间，平稳快速充型，以期获取稳定优质铸件产品。
镁合金低压铸造优点：充型能力强，充型速度、时间可控，可以实现非线性浇注，浇注平稳，气体排除顺畅，卷气、冷隔缺陷能有效克服。压力下充型，型腔内液面上升更加平稳，压力下凝固，铸件组织更加致密，缩孔、疏松缺陷倾向更小。
镁合金低压铸造缺点：充型过程，排气不畅，易出现燃爆情况。生产组织繁琐，冶金改进难度大。
3低压铸造浇注系统研究
薄壁多油路机匣镁合金铸件低压铸造浇注系统设计一般流程：
铸件高度确认(冒口设计)—浇道设计—排气设计(考虑重点)—铸件模拟—分型分芯设计—模具设计及采购—现场生产验证。
3.1铸件高度初步确认
铸件凝固过程中，有较大的液态和固态气体收缩，结构合理的冒口可以有效补偿铸件凝固时的收缩。冒口设计一般结合冷铁设计，两者是相辅相成的，调整铸件凝固时的温度分布，控制铸件的凝固顺序，可以有效地克服铸件出现缩松、缩孔和裂纹等缺陷。
冒口作用：
(1)同冷铁结合，对铸件收缩部位进行补缩。
(2)浇注过程，砂型、砂芯重要的排气通道。
(3)工艺设计需要，作为大平面排气使用，防止卷气性冷隔。冒口通用设计方式，一般应用不小于5°的工艺填补量，同时结合内接圆法确定冒口位置，冒口高度不小于
2.5倍的最大内接圆直径。
铸件在冒口设计基本结束后，冒口最高位置既为铸件最高点。
3.2浇道设计
浇道是合金液进入铸件型腔的通道，浇道设计水平将直接决定铸件品质。浇道设计原则：合金液在最佳温度下，最平稳、最快速进入铸型型腔。在低压镁合金铸件浇道设计时要遵循这个原则。
低压浇注系统一般设计为两层浇道：第一层主要作用是挡渣、其次是合理分配合金液；第二层主要作用是合理分配合金液，保证充型过程平稳性。
低压设备在设计制造之初会综合考虑一些浇注因素，例如铸件最大浇注重量，最佳升液线速度，最佳充型压力等。故低压设备一般会匹配一种较为合适的升液管，升液口面积相对固定。薄壁多油路机匣镁合金铸件设计完浇注系统后，重量和高度在低压设备允许的范围内，采用低压设备配备升液管，可以实现设计工艺参数和低压设备性能的完美结合。
铸件在低压设备浇注时，在压力下可实现非线性充型，故低压浇注不存在重力浇注时所提到的压头和压力角。低压充型过程平稳性可以通过设备控制的工艺参数实现，所以低压浇注系统浇道设计区别于传统意义上的重力浇注系统浇道设计。低压浇注系统浇道设计更重视挡渣、平稳充型。
升液管上口同铸件浇道连接，形成合金液进入铸件型腔完整的通道。升液管下口浸入合金液中下部，保证在压力下干净的合金液源源不断地流入铸件型腔内。在合金液处理干净前提下，进入铸件型腔的第一股合金液液头成了挡渣设计重点和关键。
3.3排气设计
镁合金非常活泼，熔炼氧化倾向非常大。镁合金铸件低压浇注时，排气设计不畅易出现合金液冒泡、翻花等现象，极端时会出现燃烧、燃爆等突发情况，故镁合金铸件低压浇注系统排气设计非常关键。
避免产生大量气体一方面是不怎么产生气体及少产生气体，另一方面是通过工艺方法把产生的气体顺畅地排出型腔。本文研究重点是怎么把产生的气体顺畅地排出型腔，有效避免合金液的进一步剧烈氧化。一般排气时会涉及到排气绳、大粒砂、排气管、排气盖板等材料。
低压浇注系统主排气道是由直径为20mm排气管及大粒砂填充的中空部位形成的，浇注过程产生的大部分气体都会沿主排气道排出。在低压浇注系统中，纵横交错的排气绳形成了大量的辅助排气道，可以把产生的气体引到主排气道，或者直接引到砂型外表面排出。
3.4浇注系统确认
本研究选取的薄壁多油路机匣镁合金铸件低压浇注系统初步方案如下。
铸件重要工艺参数如下：
薄壁多油路机匣镁合金铸件重要工艺参数初步设定工艺参数：浇注方式：铸件总高度H；浇注速度S；浇注重量G；浇注温度T。
浇注方式：确定低压获得方法铸件本体结构。
铸件总高度665mm获得方法通过铸件本体及最高冒口获得。
浇注速度(22~44)s获得方法合金液充型时，每秒控制在(15~30)mm后所得。具体分段时间，由非线性充型获得。
浇注重量270KG获得方法浇注系统实际测量。
浇注温度(770±10)℃。
薄壁多油路机匣镁合金铸件低压浇注系统初步方案及重要工艺参数确认后，后续需要数值模拟进行流场、温度场分析，通过不断迭代，寻求最佳浇注系统设计及浇注最佳工艺参数。
流场分析：
从充型过程的流场可以看出：升液管中的金属液经横浇道分流后均匀通过下“雨淋式”浇口进入型腔后自底向上充型平稳，无紊流现象，表明此浇注方案不易产生卷气和夹渣等缺陷。
实验分为区域1和区域2，从铸件凝固过程独立液相区变化示意可以看出区域1和区域2作为铸件凝固过程中的独立液相区，而区域1下面的内浇口和区域2上的冒口底部已经凝固，从而导致此两处区域很可能因为补缩不足出现缩孔疏松缺陷。根据分析的结果需要对区域1和区域2加强补缩来把热节转移出铸件。从而达到优化温度梯度的目的。
浇注系统确认是个不断迭代的过程。最佳工艺参数下，通过模拟结果，确认铸件浇注系统的合理性。在流场和温度场达到一个理想理论值后，通过多年经验可以判断浇注系统基本合理，可以进入制造模具及后续科研生产中。
4浇注方案实际验证
4.1低压浇注参数设定
薄壁多油路机匣镁合金铸件低压浇注系统三维数模建立后，对其进行20等分，根据每个等分内体积及结构复杂程度，结合经验建立低压浇注参数，实现铸件非线性充型。
4.2生产验证
模具制造完成后，生产现场进行砂型、砂芯打制。打制好的砂型、砂芯按工艺规程要求进行干燥去湿、组合，形成组合后的砂型，待浇注。影响薄壁多油路机匣镁合金铸件低压浇注冶金质量的因素为合金液的浇注温度、砂型温度、砂型湿度、浇注速度等。经过综合分析：
砂型温度为室温此温度可以认为固定。
砂型湿度为厂房环境湿度可以认为相对不变。
浇注速度为设计时直浇道面积决定可以认为基本不变。
浇注温度是浇注时人为控制的可变因素。
本研究选取的薄壁多油路机匣镁合金铸件低压浇注系统可以假设砂型温度、砂型湿度、浇注速度等影响因素相对固定，人为设定浇注时合金液温度，得到铸件冶金质量后，综合评定低压浇注系统合理性。
不同的浇注温度对应的缺陷情况具体实验如下：
实验一：
浇注温度℃760砂型温度℃(相对固定)26砂型湿度%(相对固定)55浇注速mm.s1。
(相对固定)42缺陷情况为无缺陷。
实验二：
浇注温度℃765砂型温度℃(相对固定)23砂型湿度%(相对固定)63浇注速mm.s1。
(相对固定)42缺陷情况为无缺陷。
实验三：
浇注温度℃770砂型温度℃(相对固定)24砂型湿度%(相对固定)53浇注速mm.s1。
(相对固定)42缺陷情况为无缺陷。
实验四：
浇注温度℃775砂型温度℃(相对固定)25砂型湿度%(相对固定)60浇注速mm.s1。
(相对固定)42缺陷情况为无缺陷。
实验五：
浇注温度℃780砂型温度℃(相对固定)25砂型湿度%(相对固定)45浇注速mm.s1。
(相对固定)42缺陷情况为两处超出四级疏松。
通过上述实验可以看出，薄壁多油路机匣镁合金铸件低压浇注系统设计合理，模拟结果很好地支撑了浇注系统设计及最佳工艺参数确定。从实验数据也可以看出，浇注温度较高时疏松倾向增大。在保证铸件冶金质量条件下，一般尽量采取低的浇注温度，故浇注温度确定在(765±5)℃，可以得到较为理想的冶金质量，既本研究薄壁多油路机匣镁合金铸件低压浇注系统，在合理浇注温度下可以用于实际生产。
5总结
(1)镁合金铸件本身结构决定了理论最佳浇注系统及工艺参数，浇注系统设计是个逐步靠近理论最佳的过程。浇注系统设计不是一成不变的固定值，而是一个围绕最佳进行的多方面探讨。
(2)数值模拟是浇注系统设计过程中重要的工具，模拟结果可以帮助工艺人员更好地进行流场、温度场判据分析，通过不断迭代，找寻出最合理浇注系统和最佳工艺参数。
(3)实验条件有限，本研究认为砂型温度、砂型湿度、浇注速度等因素相对固定，只要浇注温度一个水平变量，可能得到的实验结果有一定偏颇。
(4)本研究实验结果在一定程度上说明，夹杂、疏松、卷气、冷隔等缺陷会得到非常有效克服，低压镁合金浇注爆燃等极端情况得到根本抑制。本研究中薄壁多油路机匣镁合金铸件低压b浇注系统设计对类似铸件的浇注有一定指导意义。
(5)在镁合金壳体低差压铸造中，对原材料、熔化工具、金属液质量、熔化过程和细化精炼等每个环节须进行严格控制，保证金属液合格，是生产出优质铸件的前提。
(6)合理的铸造工艺是解决镁合金壳体低差压铸造缺陷的关键，可有效降低生产成本。
6结语
镁合金传统低压铸造的成形精度仍有待提高，后期仍需要进一步研究相关工艺参数以及铸件质量的影响，进一步提高成形精度，也是镁合金低压铸造的发展方向之一。
就目前国内镁合金低压铸造的生产实践相关内容很少，我们仍需要进一步优化改进镁合金低压铸造成形工艺，进而推广镁合金真空低压消失模技术在航天和汽车领域的应用，实现工业化生产，也是成为镁合金开发应用的重要任务之一。
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