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
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。
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
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。
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。
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