氣體絕緣變電站（GIS）關(guān)鍵零件鋁合金拐臂箱的鑄造工藝設(shè)計(jì)

劉岐治，梁祎迪，程俊明，李勝君，盧德寶，劉珊珊，郝 陽，張興君

（1.遼寧北方精密裝備有限公司，遼寧營(yíng)口 115009；2.新程（營(yíng)口）精密設(shè)備有限公司，遼寧營(yíng)口 115009；3.新泰（遼寧）航天精鑄有限公司，遼寧營(yíng)口 115009；4.遼寧北方精密裝備有限公司沈陽分公司，遼寧沈陽 110000）

氣體絕緣變電站（GIS）是利用具有優(yōu)異絕緣性能的SF6 氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，將各種電器元件采用積木式結(jié)構(gòu)組合在一起，并全部封閉在密封的金屬外殼內(nèi)的組合式變電站。一旦GIS設(shè)備中任一零件出現(xiàn)故障，將會(huì)造成變電站轄區(qū)電網(wǎng)大面積停電，威脅電力系統(tǒng)的供電可靠性，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，對(duì)于GIS 設(shè)備所使用的鋁合金鑄件的質(zhì)量要求相對(duì)較高，本文以氣體絕緣變電站（GIS）所使用的一種關(guān)鍵零件鋁合金拐臂箱為例，對(duì)該零件的鑄造工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行研究討論。

1 工藝方案分析

1.1 產(chǎn)品概況

鋁合金拐臂箱是我公司為某高壓電器制造商配套生產(chǎn)的氣體絕緣變電站（GIS）上的關(guān)鍵零件（圖1 所示），該零件外輪廓尺寸為?494mm×548mm，最小壁厚為15mm，最大厚度為70mm，零件凈重45.29kg，鑄件整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差較大，存在多處薄壁過渡至厚壁區(qū)域。

圖1 零件簡(jiǎn)圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

材質(zhì)需滿足GB1173-2013 中ZL101A 要求；鑄件100%X 光實(shí)時(shí)成像檢測(cè)內(nèi)部無缺陷；設(shè)計(jì)壓力0.77MPa，爆破壓力≥3.85MPa，氣密要求：在0.77MPa SF6 氣體壓力下（絕對(duì)壓力），允許漏氣量不大于1μL/L。

1.3 工藝性能分析

該鋁合金拐臂箱為重要承壓零件，要求密封面及軸承孔的厚大部位不允許存在縮松、夾渣、針孔等鑄造缺陷。該鑄件的工藝難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差較大，對(duì)于該鑄件在鑄造凝固過程中存在溫度場(chǎng)分布不均勻，厚大部位不能得到有效的補(bǔ)縮，不利于實(shí)現(xiàn)順序凝固，極易產(chǎn)生縮松及縮孔等鑄造缺陷，且對(duì)鑄件表面質(zhì)量要求非常高，普通砂型鑄造無法滿足鑄件質(zhì)量要求，通過對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的深入分析，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及鑄件凝固理論，選取金屬型低壓鑄造工藝，以獲得組織致密、機(jī)械性能優(yōu)良的鑄件。

2 工藝可行性分析

產(chǎn)品采用金屬型低壓鑄造，工藝如圖2 所示，該工藝方案采用外側(cè)兩個(gè)邊冒口，砂芯內(nèi)部設(shè)置一個(gè)內(nèi)主澆道的進(jìn)水方式，在邊冒口及內(nèi)主澆道對(duì)應(yīng)厚大熱節(jié)區(qū)域處開設(shè)內(nèi)澆道、工藝補(bǔ)貼（加工去除）及暗冒口，并配合循環(huán)水進(jìn)行局部激冷，以達(dá)到縮小熱節(jié)及均勻分布溫度場(chǎng)的目的，充分利用低壓鑄造式液體金屬在壓力作用下可自下而上的補(bǔ)縮鑄件的條件[1]，從而實(shí)現(xiàn)順序凝固。

圖2 鑄造工藝簡(jiǎn)圖

采用鑄造過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)[2]對(duì)該工藝方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證，通過模擬結(jié)果（圖3 標(biāo)記處）反映出鑄件在凝固過程中仍有兩處厚大區(qū)域存在縮松及縮孔傾向。經(jīng)分析是由于補(bǔ)縮距離過長(zhǎng)及局部過熱導(dǎo)致該兩處位置存在縮松傾向，為避免生產(chǎn)中出現(xiàn)鑄造缺陷，考慮在砂芯對(duì)應(yīng)的厚大位置安放隨型冷鐵（圖4）進(jìn)行激冷，減小熱節(jié)及均勻溫度場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)順序凝固，從而消除鑄造缺陷。

圖3 計(jì)算機(jī)模擬凝固過程結(jié)果

圖4 砂芯冷鐵示意圖

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按該鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件經(jīng)過X 光實(shí)時(shí)成像無損探傷檢測(cè)鑄件內(nèi)部無任何缺陷，機(jī)加工后零件（圖5）加工面也不存在任何缺陷，經(jīng)過SF6 氣密檢測(cè)以及爆破試驗(yàn)全部合格，零件完全符合技術(shù)參數(shù)要求。按該工藝方案可生產(chǎn)出組織致密、機(jī)械性能優(yōu)良的鑄件。

圖5 機(jī)加成品

4 結(jié)論

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)并結(jié)合鋁合金順序凝固理論，對(duì)產(chǎn)品件的厚大熱節(jié)部位采用局部激冷方式并配合有效的補(bǔ)縮能夠有效的改善鑄件凝固過程中的溫度場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，大幅提高鑄件的組織致密性及機(jī)械性能。