550kV GIL 設(shè)備三支柱連接筒加工工藝研究

馬騰迪，劉猛，劉楠，曹偉產(chǎn)

(西安西電開關(guān)電氣有限公司,陜西 西安 710077)

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）設(shè)備結(jié)構(gòu)由外殼和中間導(dǎo)體組成，管道內(nèi)采用壓縮的SF6氣體或SF6/N2混合氣體為絕緣介質(zhì)，是一種外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流電路傳輸管線。為優(yōu)化GIL 產(chǎn)品整體設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)造，減少GIL 密封面數(shù)量并優(yōu)化產(chǎn)品電場(chǎng)分布，GIL 設(shè)備普遍采用三支柱元件為導(dǎo)體支撐件，導(dǎo)體從單個(gè)或多個(gè)三支柱單元中心的連接筒穿過，連接至兩端固定在絕緣盆子中心的觸頭座上。

連接筒作為薄壁件，最大壁厚為5mm，內(nèi)槽處壁厚僅為3.5mm,零件原料軸向硬度分布不均勻，在加工成型過程中極易受材料內(nèi)應(yīng)力及機(jī)加工應(yīng)力影響導(dǎo)致變形，從而引起尺寸超差甚至報(bào)廢，成品率極低且很耗費(fèi)工時(shí)。本文通過調(diào)整連接筒加工工藝，在機(jī)加工工藝之前增加固溶時(shí)效工藝，研究均勻化處理對(duì)連接筒加工過程的影響。

圖1 連接筒示意圖

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Φ180×15 鋁管6A02-T6 合金管料，合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.5～1.2Si、0.5Fe、0.2～0.6Cu、0.2Zn、0.15～0.35Mn/0.15～0.35Cr、0.45～0.9Mg、0.15Ti，其余為Al。其主要力學(xué)性能為:Rm=295MPa,A=12.9%，布氏硬度≥85HB。原料廠家供貨材料軸向硬度分布不均勻，測(cè)量記錄最大偏差20HB。

方案一：取零件毛坯料進(jìn)行重復(fù)固溶時(shí)效處理，固溶處理為515℃保溫3h，固溶完成后放入≤40℃水中，在30min內(nèi)完成淬火，并在水中冷卻時(shí)間≥30min，隨后在155℃溫度下保溫8h 空冷，最后完成機(jī)加工工序后測(cè)量尺寸偏差。

方案二：取零件毛坯料進(jìn)行退火+固溶時(shí)效處理，首先進(jìn)行退火處理工藝，在350℃溫度下保溫2h，然后以30℃/h 的速度隨爐冷卻至260℃后空冷至室溫，隨后進(jìn)行515℃保溫3h 的固溶處理，固溶完成后放入≤40℃水中，在30min內(nèi)完成淬火，并在水中冷卻時(shí)間≥30min，隨后在155℃溫度下保溫8h 空冷，最后完成機(jī)加工工序后測(cè)量尺寸偏差。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 原材料機(jī)加工零件尺寸情況

零件原材料為180×15 鋁管6A02-T6，熱處理狀態(tài)為固溶后人工時(shí)效。原料檢測(cè)布氏硬度在85HB 以上，抗拉強(qiáng)度Rm ≥295MPa,伸長(zhǎng)率A ≥12.9%。零件機(jī)加工工序?yàn)橄铝稀周嚒@—精車—精細(xì)車，原材料直接加工為成品后，零件薄壁處尺寸超差較大。

對(duì)零件機(jī)加工工藝進(jìn)行工序調(diào)整，在薄壁內(nèi)槽加工前，增加壁厚留量，增加必要的卡盤等工裝來(lái)減少機(jī)加工應(yīng)力對(duì)尺寸變形的影響，合理分配每次車削的加工量，盡可能降低機(jī)加工過程的加工硬化在軸向分布不均勻程度。加工后零件薄壁處尺寸仍不理想，變形量如下表所示。

表1 原材料加工尺寸情況

2.2 不同預(yù)處理后硬度測(cè)試

圖2 為原料來(lái)料后進(jìn)行軸向硬度分布測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該硬度值范圍在89 ～108HB 左右，偏差將近20HB；對(duì)原材料直接進(jìn)行重復(fù)固溶時(shí)效后，軸向硬度分布為109 ～112HB，偏差僅為3HB 之小；為防止直接重復(fù)固溶時(shí)效后發(fā)生過燒現(xiàn)象，進(jìn)行了退火后固溶時(shí)效工藝，發(fā)現(xiàn)硬度同樣分布較為均勻。

圖2 不同預(yù)處理后原料軸向硬度分布

材料的軸向硬度分布可能影響機(jī)加工過程中加工硬化的均勻性，在零件機(jī)加工過程中軸向各部分的加工硬化程度不同，在隨后緩慢的應(yīng)力釋放中，各部位變形也不同。對(duì)于薄壁零件該變形現(xiàn)象表征明顯。這應(yīng)是連接筒加工后變形的主要原因。

經(jīng)了解原材料硬度分布不均的原因，供貨廠家為保證管材擠壓成型后的圓度和直線度，生產(chǎn)線通常采用噴淋的方式進(jìn)行冷卻。這種冷卻方式由于冷卻速度不均，可能造成硬度分布不均，但是其硬度值均滿足國(guó)標(biāo)要求。采用浸水冷卻可以使硬度分布更加均勻，但是不利于保證管材直線度和圓度尺寸。

2.3 不同預(yù)處理后零件變形量

對(duì)不同預(yù)處理機(jī)制下零件機(jī)加工完工后進(jìn)行尺寸檢測(cè)，主要關(guān)注薄壁處尺寸超差情況,表2 為不同預(yù)處理機(jī)制下零件變形量對(duì)比情況。

表2 不同預(yù)處理的零件變形量對(duì)比

原料直接加工后零件尺寸超差明顯。用重復(fù)固溶時(shí)效后的材料進(jìn)行加工，每道工序不用反復(fù)留量，很快加工到位，機(jī)加工效率明顯提升，同時(shí)加工精度也可以滿足要求。對(duì)加工成品尺寸進(jìn)行跟蹤測(cè)量，零件硬度及強(qiáng)度均符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，連續(xù)批次中未發(fā)生超差現(xiàn)象，說明重復(fù)固溶可以顯著提升材料可加工性。

2.4 材料組織檢驗(yàn)

對(duì)直接重復(fù)固溶時(shí)效和退火后重復(fù)固溶時(shí)效材料金相組織進(jìn)行觀察，均未發(fā)現(xiàn)晶粒粗大和過熱過燒等明顯缺陷。晶粒尺寸細(xì)小，組織分布均勻，二次相顆粒呈現(xiàn)出細(xì)小而彌散的狀態(tài)，組織狀態(tài)良好。

圖3 重復(fù)固溶時(shí)效材料組織

圖4 退火后固溶時(shí)效材料組織

在生產(chǎn)中，鋁合金材料推薦重復(fù)熱處理次數(shù)不超過兩次，多道次的重復(fù)熱處理增加了材料的不穩(wěn)定性，過熱過燒傾向明顯。本次研究零件僅在加工前增加一次固溶時(shí)效處理，對(duì)材料起均勻化作用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）原料軸向硬度不均勻性是導(dǎo)致零件加工尺寸超差的主要原因，噴淋冷卻方式造成管材軸向冷卻速度不同，造成了原料硬度分布不均現(xiàn)象。

（2）對(duì)原料進(jìn)行重復(fù)固溶時(shí)效處理能顯著提升其軸向硬度均勻分布，在零件加工應(yīng)力釋放時(shí)軸向更均勻。調(diào)整機(jī)加工壁厚余量，增加必要卡盤工裝，保證了薄壁零件關(guān)鍵尺寸的公差范圍。

（3）零件重復(fù)熱處理次數(shù)不宜超過兩次，直接重復(fù)固溶時(shí)效處理沒有明顯增加材料的過熱過燒傾向。考慮零件加工的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益，不宜采用退火+固溶時(shí)效的熱處理工藝。