李紅強(qiáng)

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，陜西西安710000）

·應(yīng)用研究·

GIS接地開關(guān)鑄鋁殼體凝固仿真分析與工藝優(yōu)化

李紅強(qiáng)

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，陜西西安710000）

通過鑄造模擬軟件ProCAST對一種GIS接地開關(guān)鑄鋁殼體金屬型低壓鑄造工藝進(jìn)行凝固仿真分析，研究了該殼體發(fā)生漏氣的原因，隨后，采用計(jì)算機(jī)仿真輔助進(jìn)行了兩次工藝優(yōu)化，并分別進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，罐體頂部打孔處發(fā)生漏氣是由于該處出現(xiàn)了較大的熱節(jié)；在熱節(jié)處放置冷鐵的優(yōu)化方案1，不能消除熱節(jié)，殼體發(fā)生漏氣；在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，在頂部分型面處加上保溫冒口的優(yōu)化方案2，能夠消除熱節(jié)。對兩種優(yōu)化方案的模擬結(jié)果進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際。

GIS；殼體；ProCAST軟件；凝固仿真；工藝優(yōu)化

GIS接地開關(guān)外殼為鋁合金鑄件，由于其在高壓環(huán)境下工作，技術(shù)要求嚴(yán)格，所以成型后的鑄件不能有任何縮孔縮松等缺陷[1]。但由于該殼體形狀復(fù)雜、壁厚不均，在凝固的過程中容易出現(xiàn)縮孔、縮松、砂眼等缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生漏氣。工藝設(shè)計(jì)直接決定了零件鑄造質(zhì)量。目前，鑄造充型與凝固過程的溫度場與速度場的仿真已較為成熟，通過該技術(shù)對零件進(jìn)行預(yù)模擬分析則可以提前判斷缺陷的情況，使工藝改進(jìn)得以快速準(zhǔn)確的完成，以此來減少工藝實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，從而降低了工藝設(shè)計(jì)的成本，提高了工藝的合格率和出品率，并縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和試制周期[2]。本文針對未經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證工藝合理性鋁硅合金外殼的金屬型低壓鑄造工藝，試制的一批零件全部漏氣現(xiàn)象，采用鑄造模擬分析軟件ProCAST對該工藝進(jìn)行仿真分析與計(jì)算機(jī)輔助工藝優(yōu)化，進(jìn)而提高鑄件質(zhì)量。

1　試驗(yàn)內(nèi)容與方法

圖1為GIS接地開關(guān)鑄鋁殼體，殼體材質(zhì)為鋁硅合金。該鑄件質(zhì)量為23kg，鑄件壁厚為10mm.金屬型低壓鑄造工藝圖見圖2（為便于觀察，隱去分型面另一側(cè)）。由圖1知，該殼體前面有四個(gè)中心打孔的圓臺，側(cè)面有一個(gè)支筒，頂部有一個(gè)兩邊打螺孔的凸臺。由圖2知，零件凸臺兩邊打螺孔的部位向鑄件內(nèi)腔凸出，頂端增加了暗冒口，用于積渣與補(bǔ)縮，橫澆道連接法蘭內(nèi)壁。金屬型模具壁厚均勻約為40mm.該鑄件砂芯采用冷芯盒制備。

該殼體采用低壓鑄造方式進(jìn)行澆注，熔煉、砂芯處理等其他工序完全按照工藝卡執(zhí)行。試制得到的全部鑄件毛坯經(jīng)檢查合格，但毛坯件經(jīng)機(jī)加后檢漏，頂部凸臺螺孔處發(fā)生漏氣，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

圖1　接地開關(guān)殼體

圖2　原工藝布置

由經(jīng)驗(yàn)可知，該鑄件凸臺螺孔處漏氣是由于該部位凝固過程中出現(xiàn)熱節(jié)，隨著繼續(xù)凝固，出現(xiàn)鑄造縮孔縮松缺陷，打孔后導(dǎo)致內(nèi)外連通。為消除這些缺陷，一種方法是對該處內(nèi)腔增加冷鐵激冷熱節(jié)；另一種方法是在該處增加內(nèi)澆道或暗冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

在鑄件內(nèi)腔增加冷鐵對熱節(jié)進(jìn)行激冷最容易實(shí)現(xiàn)，作為第一種優(yōu)化方案。由于采用冷芯盒制芯，內(nèi)腔增加內(nèi)澆道工藝不可行且難以進(jìn)行清理。保溫冒口比一般暗冒口保溫效果更好。頂部凸臺兩邊螺孔部位增加保溫冒口補(bǔ)縮效果會較好，但由于分型原因，螺孔部位不能加保溫冒口。若第一種優(yōu)化方案的仿真結(jié)果顯示不能消夠除缺陷，則在第一種優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，對頂部增加加工余量并將頂部暗冒口改為保溫冒口，作為第二種優(yōu)化方案。該方案不需修改芯盒、工藝相對合理且能夠?qū)崿F(xiàn)，以及相比模具報(bào)廢明顯降低成本。

本文首先對原工藝進(jìn)行建模并凝固仿真分析鑄件漏氣的原因；其次，通過計(jì)算機(jī)仿真對兩種優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析；最后，對兩種優(yōu)化方案進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。

本文對幾種鑄造工藝建模后，利用鑄造軟件ProCAST對鑄造模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置及模擬仿真。仿真主要參數(shù)設(shè)置見表1，砂芯與金屬連接部分換熱系數(shù)設(shè)定為500 W/（m2·K），金屬與金屬連接部分設(shè)定換熱系數(shù)為1000W/（m2·K）[3].

表1　主要模擬參數(shù)

2　結(jié)果與討論

2.1原工藝布置的仿真結(jié)果與分析

對殼體優(yōu)化前后的工藝布置進(jìn)行凝固過程數(shù)值模擬仿真，其縮孔、縮松可通過ProCAST內(nèi)嵌的Niyama判據(jù)[4]來進(jìn)行預(yù)測。優(yōu)化前原始工藝的缺陷圖見圖3與凝固圖見圖4.圖3鑄件缺陷圖能夠看出原工藝布置鑄件凝固過程中縮孔的位置與大小，為便于觀察，凸臺處缺陷圖由分型面進(jìn)行剖開。由圖3知，采用原鑄造工藝制備的鑄件在鑄件頂部出現(xiàn)三處明顯縮孔，縮孔率高達(dá)10%.圖4凝固圖能夠看出原工藝布置凝固過程中某一時(shí)刻的凝固狀態(tài)，完全凝固的模型部分會消失。由圖4知，采用原鑄造工藝制備的鑄件在凝固過程中中間壁厚較薄的部分更早凝固，導(dǎo)致頂部與其他部分?jǐn)嚅_，變?yōu)楣铝⒁合鄥^(qū)。由于頂部出現(xiàn)三處明顯的縮孔，說明頂部暗冒口未能對兩邊熱節(jié)較好地補(bǔ)充鋁液補(bǔ)縮且引入新的熱節(jié)。頂部暗冒口下的縮孔可通過補(bǔ)焊消除。由圖1知，該零件在頂部另兩處縮孔部位進(jìn)行加工螺孔，使得殼體內(nèi)外腔在頂部螺孔處發(fā)生連通。因此，檢漏時(shí)螺孔處發(fā)生漏氣。

圖3　工藝布置優(yōu)化前的縮孔圖

2.2優(yōu)化方案1的工藝布置與仿真

圖4　工藝布置優(yōu)化前的凝固圖

優(yōu)化方案1是對原有工藝在砂芯螺孔部位放置冷鐵，工藝布置見圖5.該種工藝的仿真結(jié)果縮孔圖與凝固圖分別見圖6與圖7.圖6鑄件缺陷圖能夠看出優(yōu)化方案1鑄件凝固過程中縮孔的位置與大小，為便于觀察，凸臺處缺陷圖由分型面進(jìn)行剖開。比較圖6與圖3可知，增加冷鐵后鑄件縮孔明顯減小但仍存在，最大縮孔率為5%左右。圖7凝固圖能夠看出優(yōu)化方案1凝固過程中某一時(shí)刻的凝固狀態(tài)，完全凝固的模型部分會消失，由于鑄件熱節(jié)主要在殼體凸臺部位，為便于觀察凝固情況，圖7采用對凸臺進(jìn)行剖開。由圖7知，暗冒口與兩冷鐵激冷部位之間即將凝固，即將在螺孔處出現(xiàn)孤立液相區(qū)。鑄件暗冒口的情況與分析同3.1.增加冷鐵，鑄件螺孔處縮孔明顯減小但仍會出現(xiàn)孤立液相區(qū)，說明冷鐵起到明顯的激冷作用，但冷卻作用仍不足以消除該處熱節(jié)。

而該零件在頂部加工螺孔后，使得殼體內(nèi)外腔在螺孔部位仍可能連通，導(dǎo)致漏氣。

圖5　優(yōu)化方案1工藝布置

圖6　優(yōu)化方案1的縮孔圖

圖7　優(yōu)化方案1的凝固圖

2.3優(yōu)化方案2的工藝布置與仿真

優(yōu)化方案2是在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，在分型面部位增加加工余量（由保溫冒口根部斜向下至兩邊熱節(jié)處）并將暗冒口改為保溫冒口，工藝布置見圖8，試圖消除頂部所有熱節(jié)。該種工藝的仿真結(jié)果縮孔圖與凝固圖分別見圖9與圖10.由圖9知，增加保溫冒口后殼體凸臺三處縮孔基本消除，縮孔集中到保溫冒口頂部。由圖10知，凸臺部位的凝固是由兩邊螺孔部位向保溫冒口進(jìn)行順序凝固。說明在保溫冒口與螺孔處冷鐵的共同作用下，鑄件頂部螺孔處熱節(jié)能夠消除，基本實(shí)現(xiàn)由冒口向兩邊的定向凝固。而在該鑄件頂部螺孔部位進(jìn)行打孔，殼體內(nèi)外腔不再因?yàn)榭s孔發(fā)生連通、漏氣。

圖8　優(yōu)化方案2工藝布置

圖9　優(yōu)化方案2的縮孔圖

圖10　優(yōu)化方案2的凝固圖

2.4生產(chǎn)驗(yàn)證

通過對鑄件問題進(jìn)行分析，得到優(yōu)化方案1與方案2并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真輔助工藝分析。隨后，生產(chǎn)驗(yàn)證了兩種優(yōu)化方案，對方案1生產(chǎn)驗(yàn)證5件，全部發(fā)生漏氣；對方案2生產(chǎn)驗(yàn)證10件，無漏氣現(xiàn)象發(fā)生。因此，兩方案的仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況相符。

3　結(jié)論

1）該接地開關(guān)鑄鋁殼體頂部的暗冒口未能對凸臺螺孔處熱節(jié)較好地補(bǔ)縮，導(dǎo)致螺孔處出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，進(jìn)而檢漏發(fā)生漏氣。

2）優(yōu)化方案1在鑄件頂部熱節(jié)處放置冷鐵能夠明顯減小但不能消除該處熱節(jié)，打孔后，鑄件仍會發(fā)生漏氣。

3）優(yōu)化方案2在優(yōu)化方案1基礎(chǔ)上，改原工藝的暗冒口為保溫冒口能夠消除鑄件凝固過程中頂部出現(xiàn)的熱節(jié)，實(shí)現(xiàn)由兩邊螺孔部位向保溫冒口的順序凝固，從而生產(chǎn)的鑄件不會發(fā)生漏氣。

（4）兩種優(yōu)化方案的實(shí)際試制情況與仿真結(jié)果相符。

［1］趙亮.鋁合金拐臂箱體鑄造工藝數(shù)值模擬［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［2］初國凱.鋁合金缸體低壓鑄造過程的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化［D］.吉林：吉林大學(xué)，2011.

［3］Hattel J P，Anderson S，Henson P.Modeling of Thermal Induced StressesinDieCastingDies［C］.Transactionof 17thInternational DieCastingCongressandExoisition，1993.

［4］潘利文，高永，高文理，等.基于ProCAST的TiAl葉片縮孔、縮松預(yù)測及工藝優(yōu)化［J］.特種鑄造及有色合金，2010，30（6）：504-507.

Solidification Simulation and Process Optimization of Casting Aluminum Alloy Housing of Grounding Switch in GIS

LI Hong-qiang
（Xi’an XD Switchgear Electric Company Limited，Xi’an Shanxi 710000，China）

With the help of casting simulation software ProCAST，casting solidification simulation of metal mold process of grounding switch shell in GIS is completed to study the causes of leaking gas.Then，two optimization processes are conducted by computer simulation technology and production validation is carried out.The results show that the leak of drilling at the top of the tank is due to the emergence of large heat section.The first optimization process put cold iron at the hot sections of tank and it can not eliminate hot section defect and air leak will occur.The second optimization process is on the basis of the first optimization process and adds one insulating riser at the center of top part of profile.It can be able to eliminate hot section，then shrinkage defects will disappear.The simulation results of the two optimization programs were validated in production and the simulation results are in line with actual production situation.

GIS，housing，ProCAST software，solidification simulation，process optimization

TG249.2

A

1674-6694（2016）05-0026-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.05.009

2016-07-19

李紅強(qiáng)（1986-），男，工程師，E-mail：631265516@qq.com