氣體絕緣變電站（GIS）關鍵零件鋁合金拐臂箱的鑄造工藝設計

劉岐治，梁祎迪，程俊明，李勝君，盧德寶，劉珊珊，郝 陽，張興君

（1.遼寧北方精密裝備有限公司，遼寧營口 115009；2.新程（營口）精密設備有限公司，遼寧營口 115009；3.新泰（遼寧）航天精鑄有限公司，遼寧營口 115009；4.遼寧北方精密裝備有限公司沈陽分公司，遼寧沈陽 110000）

氣體絕緣變電站（GIS）是利用具有優異絕緣性能的SF6 氣體作為絕緣和滅弧介質，將各種電器元件采用積木式結構組合在一起，并全部封閉在密封的金屬外殼內的組合式變電站。一旦GIS設備中任一零件出現故障，將會造成變電站轄區電網大面積停電，威脅電力系統的供電可靠性，帶來嚴重的經濟損失和社會影響。因此，對于GIS 設備所使用的鋁合金鑄件的質量要求相對較高，本文以氣體絕緣變電站（GIS）所使用的一種關鍵零件鋁合金拐臂箱為例，對該零件的鑄造工藝設計進行研究討論。

1 工藝方案分析

1.1 產品概況

鋁合金拐臂箱是我公司為某高壓電器制造商配套生產的氣體絕緣變電站（GIS）上的關鍵零件（圖1 所示），該零件外輪廓尺寸為?494mm×548mm，最小壁厚為15mm，最大厚度為70mm，零件凈重45.29kg，鑄件整體結構復雜，壁厚差較大，存在多處薄壁過渡至厚壁區域。

圖1 零件簡圖

1.2 技術參數

材質需滿足GB1173-2013 中ZL101A 要求；鑄件100%X 光實時成像檢測內部無缺陷；設計壓力0.77MPa，爆破壓力≥3.85MPa，氣密要求：在0.77MPa SF6 氣體壓力下（絕對壓力），允許漏氣量不大于1μL/L。

1.3 工藝性能分析

該鋁合金拐臂箱為重要承壓零件，要求密封面及軸承孔的厚大部位不允許存在縮松、夾渣、針孔等鑄造缺陷。該鑄件的工藝難點在于結構復雜，壁厚差較大，對于該鑄件在鑄造凝固過程中存在溫度場分布不均勻，厚大部位不能得到有效的補縮，不利于實現順序凝固，極易產生縮松及縮孔等鑄造缺陷，且對鑄件表面質量要求非常高，普通砂型鑄造無法滿足鑄件質量要求，通過對鑄件結構的深入分析，結合實際經驗及鑄件凝固理論，選取金屬型低壓鑄造工藝，以獲得組織致密、機械性能優良的鑄件。

2 工藝可行性分析

產品采用金屬型低壓鑄造，工藝如圖2 所示，該工藝方案采用外側兩個邊冒口，砂芯內部設置一個內主澆道的進水方式，在邊冒口及內主澆道對應厚大熱節區域處開設內澆道、工藝補貼（加工去除）及暗冒口，并配合循環水進行局部激冷，以達到縮小熱節及均勻分布溫度場的目的，充分利用低壓鑄造式液體金屬在壓力作用下可自下而上的補縮鑄件的條件[1]，從而實現順序凝固。

圖2 鑄造工藝簡圖

采用鑄造過程計算機數值模擬技術[2]對該工藝方案進行模擬驗證，通過模擬結果（圖3 標記處）反映出鑄件在凝固過程中仍有兩處厚大區域存在縮松及縮孔傾向。經分析是由于補縮距離過長及局部過熱導致該兩處位置存在縮松傾向，為避免生產中出現鑄造缺陷，考慮在砂芯對應的厚大位置安放隨型冷鐵（圖4）進行激冷，減小熱節及均勻溫度場以實現順序凝固，從而消除鑄造缺陷。

圖3 計算機模擬凝固過程結果

圖4 砂芯冷鐵示意圖

3 生產驗證

按該鑄造工藝生產的鑄件經過X 光實時成像無損探傷檢測鑄件內部無任何缺陷，機加工后零件（圖5）加工面也不存在任何缺陷，經過SF6 氣密檢測以及爆破試驗全部合格，零件完全符合技術參數要求。按該工藝方案可生產出組織致密、機械性能優良的鑄件。

圖5 機加成品

4 結論

根據鑄件的結構并結合鋁合金順序凝固理論，對產品件的厚大熱節部位采用局部激冷方式并配合有效的補縮能夠有效的改善鑄件凝固過程中的溫度場分布，從而實現鑄件的順序凝固，大幅提高鑄件的組織致密性及機械性能。