高壓電氣產(chǎn)品鋁合金機(jī)構(gòu)室簡(jiǎn)易金屬型鑄造模具的研究

李勝君，程俊明，王家文,趙娜娜,刁登航,張?bào)陷x,鄭 建

（1.新泰（遼寧）精密設(shè)備有限公司，遼寧營(yíng)口 115009；2.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111003）

隨著國(guó)家電網(wǎng)高壓和超高壓設(shè)備的大量需求，國(guó)內(nèi)有資格、有實(shí)力的高壓電氣廠商紛紛以合資、合作引進(jìn)消化或自行研制開發(fā)等多種方式生產(chǎn)高壓和超高壓電氣產(chǎn)品[1]，作為高壓電氣廠商的配套企業(yè)，為了滿足高壓電氣設(shè)備中對(duì)鋁合金鑄件的高質(zhì)量要求，筆者結(jié)合本公司實(shí)際情況對(duì)高壓電氣產(chǎn)品鑄件的工藝進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究和持續(xù)改進(jìn)。

本文就一種能夠提高高壓電氣產(chǎn)品鋁合金機(jī)構(gòu)室鑄件質(zhì)量，且大幅度提高生產(chǎn)效率的簡(jiǎn)易金屬型鑄造模具進(jìn)行了研究。

該鋁合金鑄件機(jī)構(gòu)室，是我公司國(guó)內(nèi)某高壓電氣制造商配套生產(chǎn)的超高壓800kV產(chǎn)品上的重要零件（圖1），機(jī)構(gòu)室外輪廓尺寸為?1110mm×440mm，最薄壁厚20mm，最大厚度57mm，機(jī)加工后凈重135kg，材質(zhì):歐洲牌號(hào)AlSi10Mg，化學(xué)成分表見表1。

圖1 鋁合金鑄件機(jī)構(gòu)室

設(shè)計(jì)壓力0.8MPa，氣密要求：在0.6Mpa下，允許SF6漏氣量0.5μgSF6/m2s以下。其機(jī)械性能要求：抗拉強(qiáng)度 δb≥220MPa ，伸長(zhǎng)率 δ5≥1%，硬度（HB）≥80；鑄件不允許有夾雜、氣孔、縮松、縮孔等鑄造缺陷。

1 原鑄造工藝方案分析

原鋁合金機(jī)構(gòu)室采用砂型低壓鑄造方式生產(chǎn)：將機(jī)構(gòu)室最大截面處作為分型面，分成上中下三箱，將機(jī)構(gòu)室兩側(cè)區(qū)域作為內(nèi)澆道開設(shè)區(qū)域，邊冒口及內(nèi)澆道置于中箱，橫澆道及直澆道置于下箱。具體工藝設(shè)計(jì)見圖2。

表1 AlSi10Mg化學(xué)成分 ωB/%

圖2 工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

采用鑄造凝固過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)[2]對(duì)原工藝方案進(jìn)行模擬，如圖3所示。

采用該方式生產(chǎn)存在的問題：實(shí)際操作繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度高，材料用量較大，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率較低；由于頂部區(qū)域較大（57mm）,在凝固過程中內(nèi)澆口不能有效對(duì)該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)縮，存在縮松、縮孔的問題，同時(shí)大法蘭處采用兩處雙相進(jìn)水，內(nèi)澆口區(qū)域鋁液流量較大，局部過熱，凝固過程中易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷，質(zhì)量不夠穩(wěn)定，對(duì)于試驗(yàn)和小批量生產(chǎn)情況下，基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求，由于質(zhì)量不穩(wěn)定無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

2 采用新型模具設(shè)計(jì)工藝

2.1 具體實(shí)施方式

如圖4所示，該簡(jiǎn)易金屬型鑄造模具包括隨型澆口槽、預(yù)制成型頂冒口、預(yù)制成型邊冒口、預(yù)制成型直澆道、金屬型上模具、預(yù)制成型橫澆道、上下金屬模具定位鎖緊機(jī)構(gòu)、金屬型鐵芯、金屬型下模具（金屬型鐵芯固定于金屬型下模具），預(yù)制成型橫澆道內(nèi)設(shè)有集渣[4]包、漸開式楔形橫澆道、陶瓷過濾片，內(nèi)澆道。

圖3 工藝方案模擬

圖4 簡(jiǎn)易金屬型鑄造模具

圖5 新工藝方案模擬

圖6 機(jī)構(gòu)室機(jī)加工后

采用鑄造凝固過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)新型模具設(shè)計(jì)工藝方案進(jìn)行模擬，如圖5所示。

經(jīng)過對(duì)該模具工藝方案模擬，機(jī)構(gòu)室厚大區(qū)域縮松、縮孔問題及大法蘭內(nèi)澆道區(qū)域過熱問題已經(jīng)解決。

2.2 工作原理

合模具后先用上下金屬模具定位鎖緊機(jī)構(gòu)將模具鎖緊定位，然后將預(yù)制成型頂冒口、預(yù)制成型直澆道、預(yù)制成型邊冒口、預(yù)制成型橫澆道放置在模具預(yù)留定位區(qū)域，最后再將隨型澆口槽放置在工藝預(yù)留區(qū)域，澆注鋁液前用錐形塞頭將隨型澆口槽與預(yù)制成型直澆道連接區(qū)域堵住，并以恒定的壓力頭平穩(wěn)將鋁液澆入隨型澆口槽內(nèi)，待鋁液液面上升至隨型澆口槽 2/3處，液面平穩(wěn)后將錐形塞頭拔出，鋁液經(jīng)預(yù)制成型直澆道進(jìn)入預(yù)制成型橫澆道內(nèi)，鋁液經(jīng)預(yù)制成型橫澆道內(nèi)設(shè)置的集渣包、漸開式橫澆道、陶瓷過濾片阻渣穩(wěn)定流速后，多次過濾后鋁液以平穩(wěn)的流速進(jìn)入預(yù)制成型邊冒口內(nèi)，最終鋁液經(jīng)內(nèi)澆道進(jìn)入型腔。

采用預(yù)制成型直澆道三相進(jìn)水的方式，能夠減少鋁液的充型時(shí)間，有利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，同時(shí)采用預(yù)制成型直澆道三相進(jìn)水的方式也分散了鋁液進(jìn)水的區(qū)域，解決了內(nèi)澆道過熱導(dǎo)致縮松的問題；預(yù)制成型橫澆道內(nèi)設(shè)有集渣包、漸開式橫澆道、過濾片，使得鋁液的純凈度更高，流動(dòng)速度更平穩(wěn)，解決了鋁液夾雜、氣孔的問題；預(yù)制成型頂冒口可以直接對(duì)機(jī)構(gòu)室上部厚大域進(jìn)行補(bǔ)縮，利于調(diào)節(jié)鑄件凝固組織的形成與控制[3]，解決了厚大區(qū)域縮松、縮孔的問題；該簡(jiǎn)易金屬型鑄造模具在生產(chǎn)過程中不僅減輕了造型過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí)也減少了后道工序?qū)﹁T件清理、打磨的作業(yè)量，與樹脂砂型相比生產(chǎn)效率提高三倍以上；樹脂型芯用金屬型芯取代，大量減少了樹脂用量，降低了成本，減輕了環(huán)境污染，真正做到了節(jié)能環(huán)保。

2.3 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

生產(chǎn)出的鑄件經(jīng)過X光實(shí)時(shí)成像檢測(cè)及機(jī)加工，鑄件內(nèi)外表面無任何鑄造缺陷，如圖6所示。同時(shí)經(jīng)氣密性檢測(cè)，其合格率達(dá)到98%以上，截止目前為止已經(jīng)生產(chǎn)500余件，質(zhì)量非常穩(wěn)定。由于是采用金屬型生產(chǎn)，表面質(zhì)量非常好，加工卡壓非常方便。

3 結(jié)論

采用該簡(jiǎn)易金屬型鑄造模具生產(chǎn)出的鋁合金機(jī)構(gòu)室鑄件，鑄件外表美觀、內(nèi)部組織致密、無夾雜、氣孔、縮松、縮孔等缺陷，成本低，生產(chǎn)效率高，節(jié)能環(huán)保。該高壓電氣產(chǎn)品鋁合金機(jī)構(gòu)室整體式簡(jiǎn)易金屬型鑄造模具，已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利。