一種高壓不停電裝置用觸頭成型分析及模具設(shè)計

劉雙陽 楊衛(wèi)國 劉恒 陳亮 李忠富

摘 要：本文主要對一種高壓GIS不停電擴(kuò)建裝置常用鋁合金導(dǎo)體成型方法進(jìn)行數(shù)值分析計算和工藝研究。其間采用數(shù)值方法對導(dǎo)體擠壓成型過程進(jìn)行分析計算，揭示毛坯在模具擠壓成型過程中的金屬充填方式，并通過數(shù)值模擬結(jié)果證明模具設(shè)計及后期成型的可靠性和合理性，同時依據(jù)導(dǎo)體材料固有特性，優(yōu)化了工藝實(shí)施方案。結(jié)果表明，此導(dǎo)體利用模具擠壓一次成型的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)外形尺寸的一次成型，而且相對于傳統(tǒng)的棒料切削成型，大大節(jié)省材料成本，減少了后期處理工序，節(jié)省了加工時間，更有利于后續(xù)的批量化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：不停電擴(kuò)建;鋁合金導(dǎo)體;數(shù)值計算;工藝分析

Abstract： in this paper， the forming method of aluminum alloy conductor commonly used in a high-voltage GIS uninterruptible expansion device was analyzed and studied. In the meantime， the numerical method was used to analyze and calculate the process of conductor extrusion forming， reveal the metal filling mode of blank in the process of die extrusion forming， and prove the reliability and rationality of die design and later forming through the numerical simulation results， at the same time， the process implementation scheme was optimized according to the inherent characteristics of conductor materials. The results show that the method of using the die to extrude at one time can not only realize the one-time forming of the outer dimensions， but also greatly save the material cost， reduce the post-processing steps， and save the processing time， which is more conducive to the subsequent mass production.

Keywords： uninterruptible expansion;aluminum alloy conductor;numerical calculation;process analysis

高壓組合電氣設(shè)備因其占地面積小、維護(hù)便利等優(yōu)勢在電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。高壓組合電氣后期工程的不停電擴(kuò)建為國內(nèi)外各大廠家急需解決的問題[2]。而鋁合金觸頭為不停電擴(kuò)建裝置的接口單元，相同電壓等級的觸頭毛坯尺寸形狀統(tǒng)一并且用量大。本研究選用一種典型高電壓組合電氣觸頭進(jìn)行成型分析，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點(diǎn)為長度大且部分中空，對成型后材料性能要求較高，但由于其本身形狀的特殊性，不能采用管材直接成型，而如果采用常規(guī)切削加工，材料浪費(fèi)嚴(yán)重并且增加成本。因此，本研究主要依據(jù)金屬材料塑性流動原理，對導(dǎo)體成型過程進(jìn)行計算分析，設(shè)計出合理的擠壓模具，后依據(jù)材料本身固有特性，采用熱擠壓成型原理進(jìn)行快速成型。此導(dǎo)體材料為6063，結(jié)構(gòu)為內(nèi)部中空且外部帶有凸臺，要求成品布氏硬度不小于70，20 ℃體積導(dǎo)電率不低于51% IACS。傳統(tǒng)加工方式，材料浪費(fèi)比較嚴(yán)重。本研究依據(jù)材料性能，采用熱擠壓工藝擠壓成型。

1 成型數(shù)值分析

首先依據(jù)此導(dǎo)體的外形尺寸，根據(jù)金屬塑性成型體積不變原理[3]，設(shè)計出合適的擠壓毛坯，然后設(shè)計出合適的擠壓模具型腔及擠壓凸模，設(shè)定擠壓成型過程中的速度和溫度等參數(shù)，通過數(shù)值計算方法[4-5]，分析出所需壓力，再對模具內(nèi)部成型部件的設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化。

1.1 擠壓件設(shè)計

依據(jù)擠壓成型的體積和質(zhì)量不變原理，考慮預(yù)留后續(xù)加工量2 mm，設(shè)計擠壓后半成品的中空外徑保留尺寸為[Φ]202 mm，內(nèi)徑為[Φ]145 mm，底部直徑為[Φ]142 mm，重量為24.8 kg，體積為9.2×10-3? m3，因考慮坯料與凹模之間應(yīng)具有放置間隙，選擇擠壓坯料尺寸為[Φ]200 mm×300 mm，預(yù)留2 mm坯料放置間隙，計算后重量為25.5 kg，滿足質(zhì)量和體積不變原理，擠壓后的半成品尺寸，如圖2所示。

考慮到擠壓成型過程中金屬表面可能由于摩擦及模具表面存在潤滑脂，導(dǎo)致擠壓件毛坯表面存在夾渣，擠壓件橫截面尺寸留余4 mm，即擠壓件內(nèi)徑設(shè)計值為[Φ]68mm，外徑設(shè)計值為[Φ]113mm。反擠壓成型后，擠壓件表面理論會產(chǎn)生輕微褶皺，因此130 mm長度方向的擠壓件設(shè)計長度留余量5 mm，即135 mm。按照擠成型的體積、重量不變原理[3]，經(jīng)計算，選取坯料為[Φ]110 mm×95 mm棒材。

1.2 擠壓成型過程分析

6063鋁合金材料[6]在20 ℃時的抗拉強(qiáng)度[Rm=215 MPa]，在400℃以上的抗拉強(qiáng)度[Rm≤16 MPa]，具有明顯下降即趨勢。依據(jù)壓力接觸面積小、溫度高擠壓力小的原則，設(shè)計此成型零部件成型過程為高溫下反擠壓過程，具體計算如下。

式中，[p]為單位擠壓力，MPa;[n]為硬化系數(shù);[σb]為材料抗拉強(qiáng)度，MPa;[δ]為溫度對單位擠壓力影響系數(shù);[A0]為坯料的橫截面積，mm2，[AP]為凸模與坯料接觸面在垂直于擠壓力平面上的投影面積，mm2。

式中，[F]為總擠壓力;[C]為安全系數(shù)，考慮到擠壓材質(zhì)的波動、軟化、潤滑處理等因素的影響，一般取[C]≥1.3;[A]為凸模與坯料接觸面在垂直于擠壓力平面上的投影面積。

6063鋁合金材料[8]149℃以下的抗拉強(qiáng)度大于145 MPa，而在371 ℃以上的抗拉強(qiáng)度小于16 MPa。通過上述計算可知，采用熱擠壓比常溫壓力減小至少10倍，因此可采用加熱后反擠壓成型。

1.3 數(shù)值成型分析

依據(jù)上述計算，簡化成型凸模和凹模尺寸[9]，如圖3、圖4所示，主要考慮擠壓金屬流動性，在凸模底部設(shè)計15°凸模倒角，凹模轉(zhuǎn)角處倒角為10°?？紤]擠壓成型后，凸模與擠壓坯料存在較大的抱緊力，因此在凸模底部設(shè)計厚度2～4 mm的凸臺。

從模擬結(jié)果可以看出，在材料即將充滿的過程中，壓力曲線存在震蕩波形，壓力機(jī)噸位保持在60～70 t，與上述計算需要60 t的壓力機(jī)值相符合。

繼續(xù)對材料施加壓力，觀測擠壓坯料的填充過程，直至材料填充凹模型腔的每個部分，如圖6所示。

從模擬結(jié)果可以看出，金屬在275 s時存在一個壓力突變，因?yàn)槭┘訅毫σ呀?jīng)不能促使金屬流動，金屬已經(jīng)充滿模具型腔，繼續(xù)施加壓力并無意義。綜上計算和數(shù)值分析，選取噸位大于100 t的壓力機(jī)即能滿足此零部件擠壓成型。

2 擠壓模具設(shè)計

依據(jù)上述計算及模擬分析結(jié)果，考慮模具圓角及形狀，對凸模和凹模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖7、圖8所示，與上述分析簡化凹模相比，在凹模底部增加頂出孔、排氣孔等設(shè)計。本文采用雙層組合凹模設(shè)計[9]，裝配過程中采用過盈配合，模具組裝過程中采用加熱外部凹模固定圈方式進(jìn)行組裝，能保證凹模在常溫下有較大抱緊力，其設(shè)計如圖9所示。

考慮到反擠壓成型后，零件由于金屬的擠壓流動后緊抱凸模，因此在凸模底部設(shè)計厚度4 mm的凸臺，可使零件在擠壓成型后與凸模的抱緊力明顯減小，模具整體設(shè)計原理，如圖10所示。

3 成型工藝

本研究采用熱擠壓工藝，制定如下工序：下料→加熱→潤滑處理→擠壓→熱處理。在擠壓成型環(huán)節(jié)，采用提高擠壓坯料的初始溫度[7]，利用增加坯料初始溫度的方法進(jìn)行試驗(yàn)，后確定540 ℃進(jìn)行擠壓后快速固溶和時效處理，能夠滿足HB70、導(dǎo)電率不低于51%IACS的最低初始溫度要求。

4 結(jié)論

本文確定了一種高壓用鋁合金導(dǎo)體的成型設(shè)計方法，通過模擬分析，驗(yàn)證了計算分析的正確性，并通過數(shù)值分析確定了合理的加工工藝，設(shè)計出合理的模具。其間對成型過程進(jìn)行數(shù)值分析，驗(yàn)證數(shù)值計算及模具設(shè)計的合理性。其成型方式簡單，相比常規(guī)加工方法，節(jié)省材料、降低成本，可以為其他同類型的零部件加工提供借鑒，有利于實(shí)現(xiàn)加工的產(chǎn)業(yè)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋昭.基于雙斷口母線隔離開關(guān)的GIS設(shè)備不停電擴(kuò)建技術(shù)分析[J].中國設(shè)備工程，2018（19）：146-147.

[2]張長虹，龐準(zhǔn)，黎衛(wèi)國，等.基于雙隔離斷口的GIS不停電擴(kuò)建功能模塊的研發(fā)及應(yīng)用[J].高壓電器，2019（8）：72-80.

[3]徐光輝，王路平，劉恒，等.高壓開關(guān)用液壓缸缸體模鍛成型工藝研究及模具設(shè)計[J].熱加工工藝，2013（17）：135-139.

[4]黃光法，林高永，蔣杰，等.大擠壓比鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬[J].中國有色金屬學(xué)報，2006（5）：888-892.

[5]潘健怡，譚熾東.鋁合金擠壓數(shù)值模擬技術(shù)研究的發(fā)展與現(xiàn)狀[C]//Lw2010第四屆鋁型材技術(shù)（國際）論壇.2010.

[6]趙震.冷溫?zé)釘D壓技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[7]張建國，趙娜.高壓開關(guān)鋁合金觸座擠壓成型數(shù)值計算及工藝分析[J].熱加工工藝，2015（17）：130-133.

[8]田榮璋等.鋁合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2000.

[9]謝懿.實(shí)用鍛壓技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.