高壓電氣產(chǎn)品鋁合金端蓋類鑄件的工藝優(yōu)化

王家文，程俊明，李勝君，趙娜娜，孫曉莉張興君，鄭 建 ，張笙輝，趙 洪

（1.新泰（遼寧）精密設(shè)備有限公司，遼寧營口 115009；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧遼陽 111003；3.沈陽鼓風機集團有限公司，遼寧沈陽 100869）

隨著中國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活對電力需求量越來越大，對輸變電設(shè)備提出了更高的要求。對于與之配套的高壓電氣產(chǎn)品中的鋁合金鑄件質(zhì)量要求也隨之提高[1]。本文就六氟化硫全封閉組合電器（GIS）550kV產(chǎn)品中使用的一種鋁合金端蓋鑄件的工藝進行研究討論。

如圖1所示為該端蓋鑄件的形狀尺寸。該鑄件的法蘭外圓尺寸為?680mm，里口直徑為550mm，高度為337mm。鑄件的厚大部位在底部小法蘭處和大法蘭處，此位置的最大截面尺寸約為40mm×45mm。鑄件材質(zhì)：歐洲牌號G-AlSi10Mg，重量：43kg。設(shè)計使用壓力：0.75MPa，爆破壓力≥3.75MPa，氣密要求：在0.75MPa SF6氣體壓力下（絕對壓力），允許漏氣量不大于1μg SF6/m2s。

由圖1可以看出該鑄件結(jié)構(gòu)比較簡單，很適合采用金屬型模具生產(chǎn)，內(nèi)腔部分也可以采用金屬芯做出，因此我們的工藝方案采用金屬型、芯低壓鑄造方式生產(chǎn)該鑄件。最原始工藝方案是采用樹脂砂型、芯生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低、外觀與內(nèi)在質(zhì)量差，環(huán)境污染，本文不作介紹。

圖1 鑄件尺寸

1 原鑄造工藝方案

1.1 方案一：金屬型、芯生產(chǎn)

工藝如圖2所示，采用雙升液管，這樣的好處是有利于鑄件的平穩(wěn)充型和補縮。由于小法蘭與大法蘭處厚度較大，因此在小法蘭與大法蘭位置設(shè)置內(nèi)澆道可以補縮這些厚大的位置。

由圖3可以看出該工藝方案熱節(jié)未完全引出，有縮松傾向，所以設(shè)計模具時在小法蘭位置增加水冷裝置，增強激冷能力，消除熱節(jié)。

圖2 工藝方案一

圖3 工藝方案一模擬示意圖

該工藝方案的優(yōu)點：（1）生產(chǎn)效率高，原砂型生產(chǎn)，每天只能生產(chǎn)5～6件，而采用金屬型、芯低壓鑄造工藝生產(chǎn)后每天可以生產(chǎn)15~18件，生產(chǎn)效率大大提高；（2）鑄件表面質(zhì)量好，生產(chǎn)的鑄件只需要打磨飛邊毛刺之后即可；（3）相比砂型的鑄造工藝方法，該方法可以節(jié)省樹脂與固化劑，節(jié)能環(huán)保。

該工藝的缺點是：（1）小法蘭部位去除澆口后仍有縮松現(xiàn)象，有的鑄件雖然表面看不到縮松等缺陷，但加工后有難以去除的縮松傾向。后又在鑄件與澆道之間增加縫隙澆道，縮松傾向有所改善，但并沒有根除；（2）由于采用雙升液管，每個鑄件都需要放置兩個陶瓷過濾片，造成生產(chǎn)成本的增加。

原因分析：雖然在法蘭厚大處設(shè)置了用于補縮的內(nèi)澆道，但是由于小法蘭厚大部分在底部，充型時，大部分鋁液需經(jīng)過小法蘭進入型腔，造成小法蘭對應(yīng)的模具部分過熱，雖然有水冷裝置，但同時也激冷了補縮作用的內(nèi)澆道，很難實現(xiàn)順序凝固，因此在澆注系統(tǒng)清理（或機加工）后仍有縮松缺陷存在。

1.2 方案二

該方案將鑄件的放置位置調(diào)轉(zhuǎn)180°采用金屬外型，樹脂砂芯如圖4所示。把小法蘭放在上面，這樣流經(jīng)小法蘭的鋁液量比較少，模具溫度升高不多，所以從理論分析認為小法蘭處不會出現(xiàn)縮松缺陷。

由圖5可以看出，方案二要優(yōu)于方案一，因此在原模具上做了一些調(diào)整后，按照工藝方案二開始生產(chǎn)。

此方案的缺點：（1）適合小批量生產(chǎn)。生產(chǎn)任務(wù)量大時，生產(chǎn)節(jié)奏較快，模具溫度不易控制，易造成鑄件厚大部位蓄熱嚴重，不易實現(xiàn)順序凝固，厚大部位易產(chǎn)生縮松缺陷，因此在采用方案二生產(chǎn)后小法蘭的厚大部位仍有難以去除的縮松存在，而且往往是在精加工后才能暴露出來，對生產(chǎn)影響較大。（2）由于內(nèi)腔采用砂芯生產(chǎn)，內(nèi)部表面比較粗糙，需要打磨處理。（3）內(nèi)澆道比方案一要多且在內(nèi)腔，因此清理工作量加大。（4）由于采用樹脂砂芯，因此鑄件在生產(chǎn)時需要投入更多的人力物力，生產(chǎn)成本增加，且不利于環(huán)保。

圖4 工藝方案二

圖5 工藝方案二凝固模擬示意圖

原因分析：雖然鑄件模擬符合順序凝固的原則，但是由于小法蘭與大法蘭厚大部分一部分與砂芯接觸，散熱能力較差，無法激冷厚大部分，凝固時間在152s時，厚大部分仍然有缺陷存在，在200s時，已經(jīng)完全凝固，但是從顏色判斷，此兩處厚大部分的熱節(jié)沒有完全引出鑄件外，縮松傾向很大。

以上兩種方案各有利弊，從產(chǎn)品合格率與鑄件內(nèi)部質(zhì)量看，方案二優(yōu)于方案一。因此，較長一段時間以來一直采用方案二生產(chǎn)。生產(chǎn)的鑄件小法蘭處有氣旋與縮松現(xiàn)象（這與砂芯烘烤不到位也有關(guān)），造成了該鑄件氣密檢漏合格率很低，生產(chǎn)效率低。隨著訂單增加產(chǎn)量加大，這兩個問題更加突出，廢品和返修品比例居高不下，如果繼續(xù)沿用原鑄造工藝方法生產(chǎn)已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求，修改工藝方案勢在必行。

圖6 工藝方案改進

2 方案優(yōu)化

平穩(wěn)充型以及順序凝固是鋁合金鑄造應(yīng)遵循的基本原則，如何遵循這一基本原則來制定和優(yōu)化工藝方案是鋁合金鑄造工作者所追求的目標。筆者經(jīng)過對該件結(jié)構(gòu)的認真分析，以及對低壓鑄造理論深刻理解的基礎(chǔ)上提出了以下方案。如圖6所示，將鑄件立式擺放，仍然采用金屬型、金屬芯低壓生產(chǎn)，只是模具大法蘭處增加一個后抽芯。這樣擺放鑄件的好處是將小法蘭位置抬高，在充型過程中，經(jīng)過小法蘭流過的鋁液量減小，因此不會造成小法蘭對應(yīng)模具位置溫度升高明顯，這樣既能保證鑄件的凝固順序還能保證在凝固過程中，小法蘭處的內(nèi)澆道有足夠的壓力來補縮小法蘭。大法蘭既保證合金液平穩(wěn)充型，又起到補縮通道作用。

圖7 工藝方案改進后模擬示意圖

通過該方案模擬截圖可以發(fā)現(xiàn)小法蘭處仍有縮松傾向（如圖7所示），因此在實際生產(chǎn)中我們在小法蘭位置設(shè)計活塊，活塊循環(huán)使用，保證活塊溫度在200℃左右，這樣既能激冷小法蘭，還能增加模具的排氣能力。

該方案優(yōu)點：（1）鑄件充型平穩(wěn)；（2）符合順序凝固理論，完全避免了小法蘭厚大部分縮松問題；（3）生產(chǎn)效率高，工人操作方便；（4）鑄件采用金屬型、芯生產(chǎn)，鑄件表面光潔度較好，打磨量少。

3 生產(chǎn)驗證

該模具首件試制一次成功。金屬液由于在壓力下充型和結(jié)晶，實現(xiàn)了順序凝固和壓力補縮，因此，鑄件內(nèi)部鑄造缺陷少[2]。產(chǎn)品經(jīng)過X光實時成像無損探傷檢測，沒有任何鑄造缺陷，經(jīng)過機加工后，加工面也不存在任何缺陷，經(jīng)過SF6氣密嚴格檢測，完全符合圖紙設(shè)計要求。

此工藝方案比較簡單，工人操作方便，而且打磨量很少，因此外觀很漂亮，后續(xù)采用此工藝方案已經(jīng)生產(chǎn)了800余件，其中鑄件不合格品不到10件，合格率達到了99%以上。無論是鑄造的生產(chǎn)效率還是外觀質(zhì)量比方案一、方案二都有大幅度的提高，是比較理想的鑄造工藝方案。圖8是該端蓋剛生產(chǎn)完時的照片，圖9是機加后成品。

4 結(jié)論

采用優(yōu)化后的金屬型低壓鑄造方式生產(chǎn)的鋁合金端蓋鑄件，外表美觀，內(nèi)部組織致密，無夾雜、氣孔、縮松、縮孔等缺陷，質(zhì)量好，工藝出品率高，生產(chǎn)效率高，成本低，節(jié)能環(huán)保。

圖8 工藝方案改進后的鑄件 圖9 工藝方案改進后的加工成品