高壓電氣產品鋁合金機構室簡易金屬型鑄造模具的研究

李勝君，程俊明，王家文,趙娜娜,刁登航,張笙輝,鄭 建

（1.新泰（遼寧）精密設備有限公司，遼寧營口 115009；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧遼陽 111003）

隨著國家電網高壓和超高壓設備的大量需求，國內有資格、有實力的高壓電氣廠商紛紛以合資、合作引進消化或自行研制開發等多種方式生產高壓和超高壓電氣產品[1]，作為高壓電氣廠商的配套企業，為了滿足高壓電氣設備中對鋁合金鑄件的高質量要求，筆者結合本公司實際情況對高壓電氣產品鑄件的工藝進行了深入、系統的研究和持續改進。

本文就一種能夠提高高壓電氣產品鋁合金機構室鑄件質量，且大幅度提高生產效率的簡易金屬型鑄造模具進行了研究。

該鋁合金鑄件機構室，是我公司國內某高壓電氣制造商配套生產的超高壓800kV產品上的重要零件（圖1），機構室外輪廓尺寸為?1110mm×440mm，最薄壁厚20mm，最大厚度57mm，機加工后凈重135kg，材質:歐洲牌號AlSi10Mg，化學成分表見表1。

圖1 鋁合金鑄件機構室

設計壓力0.8MPa，氣密要求：在0.6Mpa下，允許SF6漏氣量0.5μgSF6/m2s以下。其機械性能要求：抗拉強度 δb≥220MPa ，伸長率 δ5≥1%，硬度（HB）≥80；鑄件不允許有夾雜、氣孔、縮松、縮孔等鑄造缺陷。

1 原鑄造工藝方案分析

原鋁合金機構室采用砂型低壓鑄造方式生產：將機構室最大截面處作為分型面，分成上中下三箱，將機構室兩側區域作為內澆道開設區域，邊冒口及內澆道置于中箱，橫澆道及直澆道置于下箱。具體工藝設計見圖2。

表1 AlSi10Mg化學成分 ωB/%

圖2 工藝設計簡圖

采用鑄造凝固過程計算機數值模擬技術[2]對原工藝方案進行模擬，如圖3所示。

采用該方式生產存在的問題：實際操作繁瑣，勞動強度高，材料用量較大，生產成本高，生產效率較低；由于頂部區域較大（57mm）,在凝固過程中內澆口不能有效對該區域進行補縮，存在縮松、縮孔的問題，同時大法蘭處采用兩處雙相進水，內澆口區域鋁液流量較大，局部過熱，凝固過程中易產生縮松、縮孔等缺陷，質量不夠穩定，對于試驗和小批量生產情況下，基本能夠滿足設計要求，由于質量不穩定無法實現批量生產。

2 采用新型模具設計工藝

2.1 具體實施方式

如圖4所示，該簡易金屬型鑄造模具包括隨型澆口槽、預制成型頂冒口、預制成型邊冒口、預制成型直澆道、金屬型上模具、預制成型橫澆道、上下金屬模具定位鎖緊機構、金屬型鐵芯、金屬型下模具（金屬型鐵芯固定于金屬型下模具），預制成型橫澆道內設有集渣[4]包、漸開式楔形橫澆道、陶瓷過濾片，內澆道。

圖3 工藝方案模擬

圖4 簡易金屬型鑄造模具

圖5 新工藝方案模擬

圖6 機構室機加工后

采用鑄造凝固過程計算機數值模擬技術對新型模具設計工藝方案進行模擬，如圖5所示。

經過對該模具工藝方案模擬，機構室厚大區域縮松、縮孔問題及大法蘭內澆道區域過熱問題已經解決。

2.2 工作原理

合模具后先用上下金屬模具定位鎖緊機構將模具鎖緊定位，然后將預制成型頂冒口、預制成型直澆道、預制成型邊冒口、預制成型橫澆道放置在模具預留定位區域，最后再將隨型澆口槽放置在工藝預留區域，澆注鋁液前用錐形塞頭將隨型澆口槽與預制成型直澆道連接區域堵住，并以恒定的壓力頭平穩將鋁液澆入隨型澆口槽內，待鋁液液面上升至隨型澆口槽 2/3處，液面平穩后將錐形塞頭拔出，鋁液經預制成型直澆道進入預制成型橫澆道內，鋁液經預制成型橫澆道內設置的集渣包、漸開式橫澆道、陶瓷過濾片阻渣穩定流速后，多次過濾后鋁液以平穩的流速進入預制成型邊冒口內，最終鋁液經內澆道進入型腔。

采用預制成型直澆道三相進水的方式，能夠減少鋁液的充型時間，有利于鑄件實現順序凝固，同時采用預制成型直澆道三相進水的方式也分散了鋁液進水的區域，解決了內澆道過熱導致縮松的問題；預制成型橫澆道內設有集渣包、漸開式橫澆道、過濾片，使得鋁液的純凈度更高，流動速度更平穩，解決了鋁液夾雜、氣孔的問題；預制成型頂冒口可以直接對機構室上部厚大域進行補縮，利于調節鑄件凝固組織的形成與控制[3]，解決了厚大區域縮松、縮孔的問題；該簡易金屬型鑄造模具在生產過程中不僅減輕了造型過程中的勞動強度,同時也減少了后道工序對鑄件清理、打磨的作業量，與樹脂砂型相比生產效率提高三倍以上；樹脂型芯用金屬型芯取代，大量減少了樹脂用量，降低了成本，減輕了環境污染，真正做到了節能環保。

2.3 實際生產驗證

生產出的鑄件經過X光實時成像檢測及機加工，鑄件內外表面無任何鑄造缺陷，如圖6所示。同時經氣密性檢測，其合格率達到98%以上，截止目前為止已經生產500余件，質量非常穩定。由于是采用金屬型生產，表面質量非常好，加工卡壓非常方便。

3 結論

采用該簡易金屬型鑄造模具生產出的鋁合金機構室鑄件，鑄件外表美觀、內部組織致密、無夾雜、氣孔、縮松、縮孔等缺陷，成本低，生產效率高，節能環保。該高壓電氣產品鋁合金機構室整體式簡易金屬型鑄造模具，已經申請國家實用新型專利。