直升机主机匣需承受来自主旋翼轴的剪力、弯矩和轴向力等载荷，是动力传动系统的核心部件，因此对机匣铸件品质的要求严苛。低压铸造是在反重力条件下充型并在一定压力条件下凝固的铸造方法。与重力铸造相比，其金属液充型平稳，不易卷气和夹渣，并且在压力下凝固，不易产生缩孔、缩松等缺陷，使得组织更加致密，能够显著提高铸件的力学性能。

目前，低压铸造已广泛应用于航空领域的薄壁复杂壳体生产。在镁合金低压铸造过程中，铸件内部易出现气孔、冷隔、缩孔缩松等缺陷，如果通过试制进行工艺优化，使得开发周期过长。因此，随着计算机科学技术的发展，用数值模拟的方法优化铸造工艺过程，在保证模拟准确性的前提下，可显著缩短试验周期，降低生产成本。本研究基于ProCAST软件，根据镁合金机匣铸件的结构特点，设计浇注系统和工艺参数，通过正交试验研究浇注温度、砂型预热温度、保压压力对铸件品质的影响，并通过试验验证优化工艺参数的可靠性，以期为机匣的实际生产提供参考。 

 图文结果 

 某型号直升机机匣整体结构由壳体、肋板以及基座组成，内部结构复杂，整体的轮廓尺寸为150 mm×290 mm×230 mm，其三维模型见图1。机匣结构壁厚分布不均匀，从下往上平均厚度先减小后增加，铸件小径处最厚达到21 mm，肋板处最薄仅为4 mm，薄壁处易产生冷隔、浇不足。此外，基座最厚处达到44 mm，基座与壳体连接处以及机匣小径处存在较大的热节，极易导致缩孔、缩松等缺陷。机匣材质采用Mg-4Y-2.5Nd-2Gd-0.5Zr镁合金，铸件整体质量约为4 kg。铸件后续要加工出多种不同类型的螺纹孔及通孔作为机匣的支撑结构，故其内部不能有缩孔、缩松、裂纹以及冷隔等影响铸件力学性能的缺陷。 

 镁合金熔体极易氧化，故采用开放式浇注系统。根据低压铸造原理，为保证铸件的成形性能，此铸件采用底注式和缝隙式结合的浇注系统。本铸件设置一模两件，以升液管为中心对称分布，但为提高数值模拟效率，仅采用单铸件浇注系统模拟分析。此外，为了充分发挥内浇道的补缩作用，保证铸件的顺序凝固，并减少缩孔、缩松等缺陷，故内浇道的位置应设置在铸件厚壁处，具体结构见图2。 

 图1 机匣铸件三维模型 

 图2 带浇注系统的铸件三维模型 

 图3 初始浇注工艺参数曲线 

 在低压铸造工艺中，影响铸件品质的因素包含浇注系统结构、浇注温度、砂型预热温度及保压压力等，其中浇注温度和砂型预热温度直接影响铸件充型及凝固过程的温度场分布，保压压力作用于铸件的凝固补缩过程。因此以浇注温度、砂型预热温度和保压压力为研究对象，设计3因素4水平正交试验，采用标准正交表L16（43）进行工艺参数的多目标优化。正交试验因素水平表见表1。

 表1 正交试验因素水平表

 利用ProCAST软件得出试验数据见表2。以凝固时间和缩孔缩松体积为评价指标，其中凝固时间决定生产效率和凝固组织形貌。凝固时间越短，生产效率越高，并且铸件组织的二次枝晶间距（SDAS）与凝固时间成正比。二次枝晶臂间距作为铸造镁合金重要结构参数之一，很大程度上影响着铸件的力学性能，二次枝晶臂间距越小，则铸件的综合力学性能越好。缩孔缩松作为铸造过程中的缺陷，应尽可能将其体积降低甚至消除。  

 表2 正交试验结果 

 采用均值与极差分析以上3个因素对铸件凝固时间的影响。表3为铸件凝固时间的均值与极差分析表。从极差分析中可知，低压铸造工艺参数对凝固时间的响应程度由大到小依次为：砂型预热时间（B）、浇注温度（A）、保压压力（C）。针对凝固时间，砂型预热温度和浇注温度的影响作用最为显著，而保压压力对其作用有限，见图4。其主要原因是，在相同的边界散热条件下，①砂型的预热温度越高，对金属液的冷却作用越小，铸件断面的温度梯度越小，散热越慢。②浇注温度提高，金属液过热度越大，致使金属液温度降至固相线温度的时间延长。因此，以凝固时间为单一评价标准时，最佳的低压铸造工艺参数为A1B1C3，即浇注温度为670 ℃、砂型预热温度为25 ℃、保压压力为39 kPa。 

 表3 铸件凝固时间均值与极差分析表 

 图4 低压铸造工艺参数对凝固时间均值的主效应图 

 为确定以上3个因素对本铸件缩孔缩松体积的影响，对数值模拟结果进行分析，结果见表4。从表4可知，低压铸造工艺参数对缩孔缩松体积的响应程度由大到小依次为：浇注温度（A）、砂型预热时间（B）、保压压力（C）。浇注温度和砂型预热温度对铸件缩孔缩松体积的影响作用最为显著，而保压压力对其作用有限，见图5。 

 表4 缩孔缩松体积均值与极差分析表 

 图5 低压铸造工艺参数对缩孔缩松体积均值的主效应图 

 金属液的液态收缩和凝固收缩远大于固态收缩，并且补缩通道受阻。分析本铸件浇注系统结构可得，铸件底部厚壁区域补缩通道通畅，产生缺陷的概率低，而顶部设计了冒口补缩铸件，铸件凝固期压力无法传递至铸件顶部，故本铸件的缩孔缩松体积受保压压力影响较小。 

 因此，将缩孔缩松体积作为铸件的单一评价标准时，最佳的低压铸造工艺参数为A4B4C2，即浇注温度为730 ℃、砂型预热温度为100 ℃、保压压力为37 kPa。综合分析以上正交试验结果可知，当浇注温度为730 ℃（A4）时，铸件内部的缩孔缩松体积最小，且满足低压铸造浇注温度比重力铸造低10~20 ℃的要求；当砂型预热温度为25 ℃（B1）时，铸件的凝固时间最短，生产效率较高，且在实际生产中砂型通常在室温下浇注。通常，保压压力越高，铸件的组织越致密，综合力学性能越好。但根据实际生产经验，低压砂型铸造工艺的保压压力过高，易产生粘砂缺陷，因此综合考虑选取保压压力为37 kPa（C2），故确定机匣铸件的最佳低压铸造工艺参数：浇注温度为730 ℃、砂型预热温度为25 ℃、保压压力为37 kPa，再次模拟分析其低压铸造过程。 

 图6 铸件充型过程温度场分布 

 图7 铸件凝固过程固相率分布 

 图8 铸件缩孔缩松分布情况 

 为验证数值模拟结果的可靠性，采用CZJS-500L-15KW型反重力铸造系统对镁合金机匣进行试生产，选择最佳低压铸造工艺参数：浇注温度为730 ℃、砂型预热温度为25 ℃、保压压力为37 kPa。镁合金熔炼过程中在其表面铺撒商用RJ-2熔剂以隔绝空气，防止镁合金液氧化燃烧；在低压铸造过程中通入体积分数为99.5%的CO2和0.5%的SF6混合压缩气体对熔体进行保护。最终得到的机匣铸件见图9，切除浇注系统后，铸件质量为3.98 kg，铸件外形完整，无冷隔、裂纹、缩孔缩松等缺陷，试制效果良好。 

 图9 镁合金机匣铸件试生产实物 

 结 论 

 （1）设计的底注式和缝隙式结合的浇注系统，适合镁合金机匣低压铸造工艺。 （2）通过正交试验，综合考虑铸件凝固时间和缩孔缩松体积的变化，得出最佳低压铸造工艺参数：浇注温度为730 ℃、砂型预热温度为25 ℃、保压压力为37 kPa。 （3）机匣铸件的凝固时间随浇注温度和砂型预热温度的升高明显延长，保压压力对其基本无影响；机匣铸件的缩孔缩松体积随浇注温度和砂型预热温度的升高而减小。 （4）根据优化工艺参数数值模拟结果，镁合金机匣铸件充型过程平稳，凝固阶段固相率分布合理，缩孔缩松均分布于冒口内部，最终试制出质量优良的机匣铸件。