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 李紅強(qiáng)

 （西安西電開(kāi)關(guān)電氣有限公司）

摘要通過(guò)Pro CAST軟件對(duì)一種GIS用殼體的原鑄造工藝進(jìn)行充型與凝固仿真分析，研究了該零件出現(xiàn)的鑄造缺陷的原因，并進(jìn)行了工藝優(yōu)化。結(jié)果表明，大法蘭面采用厚25 mm的隨型冷鐵，其工藝的凝固過(guò)程出現(xiàn)孤立液相區(qū)，導(dǎo)致鑄件的縮孔缺陷；優(yōu)化工藝后，大法蘭面采用厚15 mm的冷鐵，讓開(kāi)內(nèi)澆道位置且冷鐵內(nèi)圓周與筒壁保持10 mm的距離，其凝固過(guò)程為順序凝固，使縮孔消除。對(duì)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。

 關(guān)鍵詞  GIS;殼體；Pro CAST軟件；凝固仿真；工藝優(yōu)化

 中圖分類號(hào)  TP311; TG146. 21DOI:10. 15980/j．tzzz．2 016.  06.009

 低壓鑄造制備的鋁合金鑄件的性能遠(yuǎn)優(yōu)于重力鑄造，常用于制備高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)中質(zhì)量要求高、形狀復(fù)雜的鑄鋁殼體。但是，鑄鋁殼體由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均等原因，在凝固過(guò)程中常出現(xiàn)縮孔、縮松、開(kāi)裂等鑄造缺陷。以前主要憑借試制結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝優(yōu)化，這樣導(dǎo)致產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)成本較高。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)將鑄造模擬軟件應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)中，可大大提高設(shè)計(jì)品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本以及縮短開(kāi)發(fā)周期。本課題針對(duì)一種GIS用殼體鑄件的缺陷，采用Pro CAST軟件對(duì)原砂型低壓工藝凝固過(guò)程進(jìn)行仿真分析與工藝優(yōu)化，進(jìn)而提高鑄件質(zhì)量。

1  鑄件分析

 GIS鑄鋁殼體材質(zhì)為ZLIOIA-T6，成分見(jiàn)表1。質(zhì)量為40 kg，鑄件壁厚為12 mm。筒子一端與筒身各有1個(gè)法蘭，筒身的法蘭為8個(gè)三角結(jié)構(gòu)構(gòu)成，筒壁內(nèi)腔要求機(jī)加工粗糙度為12.5ym。該鑄件采用砂型低壓鑄造制備，鑄件的工藝布置見(jiàn)圖1，該工藝布局的3個(gè)內(nèi)澆道分別位于鑄件小法蘭部位（1處）與大法蘭部位

（2處）；在鑄件殼體的兩端放置厚20 mm的冷鐵，在大法蘭平面放置一周厚25 mm的隨形冷鐵。

 殼體按照如下工藝進(jìn)行生產(chǎn)：首先將鋁錠裝入天然氣熔化爐中進(jìn)行熔化；將熔化好的鋁液倒入坩堝并進(jìn)行精煉與變質(zhì)；取樣，通過(guò)光譜分析儀檢測(cè)鋁液化學(xué)成分，采用密度當(dāng)量?jī)x測(cè)試鋁液含氣量，兩者都合格后，將坩堝中的鋁液倒入低壓鑄造保溫爐中；待鑄型在低壓鑄造機(jī)上放置并處理好后，開(kāi)始澆注，得到鑄件毛坯；對(duì)毛坯件進(jìn)行清理、打磨、噴丸、熱處理、機(jī)加工與檢驗(yàn)等工序，最終得到成品。

 該鑄件多次試制均嚴(yán)格按照工藝過(guò)程卡執(zhí)行。澆注得到的全部鑄件毛坯經(jīng)檢查合格，但毛坯件經(jīng)機(jī)加工后，發(fā)現(xiàn)有針孔大小的氣渣孔或縮孔存在，見(jiàn)圖2與圖3。

 對(duì)原鑄造工藝進(jìn)行建模后，利用Pro CAST軟件對(duì)鑄造模型進(jìn)行網(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(jiàn)表2，砂芯與鑄件傳熱系數(shù)為500 W／(m2．K)，冷鐵與鑄鐵傳熱系數(shù)為1 000 W／(m2．K)，通過(guò)仿真輔助分析對(duì)鑄件出現(xiàn)缺陷的原因并進(jìn)行工藝優(yōu)化。

之后，對(duì)優(yōu)化后的工藝進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。

2  結(jié)果與討論

2.1  原工藝仿真結(jié)果與分析

 對(duì)殼體原鑄造工藝進(jìn)行充型凝固數(shù)值模擬，其充型時(shí)間見(jiàn)圖4，縮孔、縮松可通過(guò)Pro CAST內(nèi)嵌的Niya-ma判據(jù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，缺陷圖與凝固時(shí)間分別見(jiàn)圖5和圖6。

 由圖4可以看出，由下往上鑄件顏色連續(xù)變化，說(shuō)明鋁液在充型過(guò)程中較為平穩(wěn)，無(wú)明顯的憋氣現(xiàn)象，因此可判斷該處缺陷基本不是氣渣孔。

 由圖5可以看到，在鑄件筒壁上存在一周縮孔、縮松缺陷，尤其靠近大法蘭內(nèi)澆道的地方更嚴(yán)重，與實(shí)際情況符合較好。由圖6a知，內(nèi)澆道以上，鑄件的凝固時(shí)間小于600 s。為便于觀察兩工藝的凝固特征，現(xiàn)抽取大于350 s的凝固時(shí)間分布圖，見(jiàn)圖6b。由圖6b可知，筒壁上顯示的區(qū)域與內(nèi)澆道顯示的區(qū)域是分開(kāi)的，也就是說(shuō)此時(shí)它們之間的區(qū)域已經(jīng)凝固，導(dǎo)致鑄件未凝固部分成為孤立液相區(qū)。這和內(nèi)澆道附近冷鐵的冷卻作用太強(qiáng)有關(guān)。一旦冷鐵導(dǎo)致內(nèi)澆道附近鋁液粘度增大，在壓力作用下鋁液對(duì)筒壁補(bǔ)充鋁液變得困難。隨著溫度進(jìn)一步下降，內(nèi)澆道附近的鋁液完全凝固，此時(shí)補(bǔ)縮通道封死，在后續(xù)凝固過(guò)程中孤立液相區(qū)的體積收縮得不到鋁液的補(bǔ)充，最終形成缺陷。

 另外，筒壁顯示的區(qū)域在圓周方向上非均勻出現(xiàn)孤立凝固時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域，這些區(qū)域在凝固完成后容易出現(xiàn)缺陷。因此，原工藝試制的鑄件機(jī)加工后，在筒壁一周非均勻產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

2.2優(yōu)化工藝后的仿真結(jié)果與分析

  通過(guò)對(duì)殼體原工藝進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，該工藝使得內(nèi)澆道處較早凝固導(dǎo)致批量鑄件出現(xiàn)缺陷。為此，進(jìn)行了工藝優(yōu)化。優(yōu)化后的工藝為大法蘭部位采用厚15mm冷鐵讓開(kāi)內(nèi)澆道放置，且該冷鐵內(nèi)圓周離筒壁10mm，其他部位與原工藝相同，見(jiàn)圖7。

  對(duì)優(yōu)化后的工藝進(jìn)行凝固過(guò)程數(shù)值模擬，其充型時(shí)間見(jiàn)圖8，縮孔、縮松與凝固時(shí)間圖分別見(jiàn)圖9與圖10。圖8與圖4較為相似，由下往上鑄件顏色連續(xù)變化，說(shuō)明鋁液在充型過(guò)程中較為平穩(wěn)，無(wú)明顯憋氣現(xiàn)象，因此可判斷充型過(guò)程不會(huì)造成缺陷。

由圖9可以看出，工藝優(yōu)化后鑄件凝固過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。由圖10可以看出，鑄件筒壁區(qū)域與內(nèi)澆道是連續(xù)的，且凝固時(shí)間由上往下是依次增加，即呈現(xiàn)順序凝固形式，因此凝固過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

  2.3生產(chǎn)驗(yàn)證

 通過(guò)對(duì)原工藝凝固過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)工藝優(yōu)化，確定調(diào)整冷鐵布置能夠消除鑄件缺陷。隨后，調(diào)整工藝布置進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證。試制的鑄件毛坯（大于10件）機(jī)加工后，內(nèi)腔缺陷消除，合格率大于95%。

  3  結(jié)  論

 (1)仿真結(jié)果表明，低壓鑄造GIS用殼體出現(xiàn)的缺陷為縮孔、縮松缺陷，是由于內(nèi)澆道較早凝固造成的。

 (2)優(yōu)化后工藝布置為大法蘭部位采用厚15 mm冷鐵讓開(kāi)內(nèi)澆道放置且其內(nèi)圓周離筒壁10 mm，其他部位與原工藝布置相同。

 (3)優(yōu)化后的工藝充型平穩(wěn)、凝固過(guò)程滿足順序凝固，縮孔消除。