李紅強

 （西安西電開關(guān)電氣有限公司）

摘要通過Pro CAST軟件對一種GIS用殼體的原鑄造工藝進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，其工藝的凝固過程出現(xiàn)孤立液相區(qū)，導致鑄件的縮孔缺陷；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，其凝固過程為順序凝固，使縮孔消除。對模擬結(jié)果進行了生產(chǎn)驗證，模擬結(jié)果符合生產(chǎn)實際。

 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  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優(yōu)于重力鑄造，常用于制備高壓開關(guān)行業(yè)中質(zhì)量要求高、形狀復雜的鑄鋁殼體。但是，鑄鋁殼體由于結(jié)構(gòu)復雜、壁厚不均等原因，在凝固過程中常出現(xiàn)縮孔、縮松、開裂等鑄造缺陷。以前主要憑借試制結(jié)果與經(jīng)驗進行工藝優(yōu)化，這樣導致產(chǎn)品的開發(fā)周期較長、開發(fā)成本較高。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，通過將鑄造模擬軟件應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)中，可大大提高設(shè)計品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本以及縮短開發(fā)周期。本課題針對一種GIS用殼體鑄件的缺陷，采用Pro CAST軟件對原砂型低壓工藝凝固過程進行仿真分析與工藝優(yōu)化，進而提高鑄件質(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個法蘭，筒身的法蘭為8個三角結(jié)構(gòu)構(gòu)成，筒壁內(nèi)腔要求機加工粗糙度為12.5ym。該鑄件采用砂型低壓鑄造制備，鑄件的工藝布置見圖1，該工藝布局的3個內(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行生產(chǎn)：首先將鋁錠裝入天然氣熔化爐中進行熔化；將熔化好的鋁液倒入坩堝并進行精煉與變質(zhì)；取樣，通過光譜分析儀檢測鋁液化學成分，采用密度當量儀測試鋁液含氣量，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上放置并處理好后，開始澆注，得到鑄件毛坯；對毛坯件進行清理、打磨、噴丸、熱處理、機加工與檢驗等工序，最終得到成品。

 該鑄件多次試制均嚴格按照工藝過程卡執(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)機加工后，發(fā)現(xiàn)有針孔大小的氣渣孔或縮孔存在，見圖2與圖3。

 對原鑄造工藝進行建模后，利用Pro CAST軟件對鑄造模型進行網(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)，通過仿真輔助分析對鑄件出現(xiàn)缺陷的原因并進行工藝優(yōu)化。

之后，對優(yōu)化后的工藝進行實際生產(chǎn)驗證。

2  結(jié)果與討論

2.1  原工藝仿真結(jié)果與分析

 對殼體原鑄造工藝進行充型凝固數(shù)值模擬，其充型時間見圖4，縮孔、縮松可通過Pro CAST內(nèi)嵌的Niya-ma判據(jù)來進行預(yù)測，缺陷圖與凝固時間分別見圖5和圖6。

 由圖4可以看出，由下往上鑄件顏色連續(xù)變化，說明鋁液在充型過程中較為平穩(wěn)，無明顯的憋氣現(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)澆道的地方更嚴重，與實際情況符合較好。由圖6a知，內(nèi)澆道以上，鑄件的凝固時間小于600 s。為便于觀察兩工藝的凝固特征，現(xiàn)抽取大于350 s的凝固時間分布圖，見圖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)域是分開的，也就是說此時它們之間的區(qū)域已經(jīng)凝固，導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有關(guān)。一旦冷鐵導致內(nèi)澆道附近鋁液粘度增大，在壓力作用下鋁液對筒壁補充鋁液變得困難。隨著溫度進一步下降，內(nèi)澆道附近的鋁液完全凝固，此時補縮通道封死，在后續(xù)凝固過程中孤立液相區(qū)的體積收縮得不到鋁液的補充，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)孤立凝固時間較長的區(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

  通過對殼體原工藝進行模擬分析發(fā)現(xiàn)，該工藝使得內(nèi)澆道處較早凝固導致批量鑄件出現(xiàn)缺陷。為此，進行了工藝優(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，見圖7。

  對優(yōu)化后的工藝進行凝固過程數(shù)值模擬，其充型時間見圖8，縮孔、縮松與凝固時間圖分別見圖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，說明鋁液在充型過程中較為平穩(wěn)，無明顯憋氣現(xiàn)象，因此可判斷充型過程不會造成缺陷。

由圖9可以看出，工藝優(yōu)化后鑄件凝固過程中沒有產(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，因此凝固過程中沒有產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

  2.3生產(chǎn)驗證

 通過對原工藝凝固過程進行計算機工藝優(yōu)化，確定調(diào)整冷鐵布置能夠消除鑄件缺陷。隨后，調(diào)整工藝布置進行了生產(chǎn)驗證。試制的鑄件毛坯（大于10件）機加工后，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)、凝固過程滿足順序凝固，縮孔消除。