低压铸造GIS用壳体凝固仿真分析与工艺优化

 李红强

 （西安西电开关电气有限公司）

摘要通过Pro CAST软件对一种GIS用壳体的原铸造工艺进行充型与凝固仿真分析，研究了该零件出现的铸造缺陷的原因，并进行了工艺优化。结果表明，大法兰面采用厚25 mm的随型冷铁，其工艺的凝固过程出现孤立液相区，导致铸件的缩孔缺陷；优化工艺后，大法兰面采用厚15 mm的冷铁，让开内浇道位置且冷铁内圆周与筒壁保持10 mm的距离，其凝固过程为顺序凝固，使缩孔消除。对模拟结果进行了生产验证，模拟结果符合生产实际。

 关键词  GIS;壳体；Pro CAST软件；凝固仿真；工艺优化

 中图分类号  TP311; TG146. 21DOI:10. 15980/j．tzzz．2 016.  06.009

 低压铸造制备的铝合金铸件的性能远优于重力铸造，常用于制备高压开关行业中质量要求高、形状复杂的铸铝壳体。但是，铸铝壳体由于结构复杂、壁厚不均等原因，在凝固过程中常出现缩孔、缩松、开裂等铸造缺陷。以前主要凭借试制结果与经验进行工艺优化，这样导致产品的开发周期较长、开发成本较高。随着计算机仿真技术的发展，通过将铸造模拟软件应用于铸造生产中，可大大提高设计品质、降低生产成本以及缩短开发周期。本课题针对一种GIS用壳体铸件的缺陷，采用Pro CAST软件对原砂型低压工艺凝固过程进行仿真分析与工艺优化，进而提高铸件质量。

1  铸件分析

 GIS铸铝壳体材质为ZLIOIA-T6，成分见表1。质量为40 kg，铸件壁厚为12 mm。筒子一端与筒身各有1个法兰，筒身的法兰为8个三角结构构成，筒壁内腔要求机加工粗糙度为12.5ym。该铸件采用砂型低压铸造制备，铸件的工艺布置见图1，该工艺布局的3个内浇道分别位于铸件小法兰部位（1处）与大法兰部位

（2处）；在铸件壳体的两端放置厚20 mm的冷铁，在大法兰平面放置一周厚25 mm的随形冷铁。

 壳体按照如下工艺进行生产：首先将铝锭装入天然气熔化炉中进行熔化；将熔化好的铝液倒入坩埚并进行精炼与变质；取样，通过光谱分析仪检测铝液化学成分，采用密度当量仪测试铝液含气量，两者都合格后，将坩埚中的铝液倒入低压铸造保温炉中；待铸型在低压铸造机上放置并处理好后，开始浇注，得到铸件毛坯；对毛坯件进行清理、打磨、喷丸、热处理、机加工与检验等工序，最终得到成品。

 该铸件多次试制均严格按照工艺过程卡执行。浇注得到的全部铸件毛坯经检查合格，但毛坯件经机加工后，发现有针孔大小的气渣孔或缩孔存在，见图2与图3。

 对原铸造工艺进行建模后，利用Pro CAST软件对铸造模型进行网格划分、参数设置及模拟仿真。仿真主要参数设置见表2，砂芯与铸件传热系数为500 W／(m2．K)，冷铁与铸铁传热系数为1 000 W／(m2．K)，通过仿真辅助分析对铸件出现缺陷的原因并进行工艺优化。

之后，对优化后的工艺进行实际生产验证。

2  结果与讨论

2.1  原工艺仿真结果与分析

 对壳体原铸造工艺进行充型凝固数值模拟，其充型时间见图4，缩孔、缩松可通过Pro CAST内嵌的Niya-ma判据来进行预测，缺陷图与凝固时间分别见图5和图6。

 由图4可以看出，由下往上铸件颜色连续变化，说明铝液在充型过程中较为平稳，无明显的憋气现象，因此可判断该处缺陷基本不是气渣孔。

 由图5可以看到，在铸件筒壁上存在一周缩孔、缩松缺陷，尤其靠近大法兰内浇道的地方更严重，与实际情况符合较好。由图6a知，内浇道以上，铸件的凝固时间小于600 s。为便于观察两工艺的凝固特征，现抽取大于350 s的凝固时间分布图，见图6b。由图6b可知，筒壁上显示的区域与内浇道显示的区域是分开的，也就是说此时它们之间的区域已经凝固，导致铸件未凝固部分成为孤立液相区。这和内浇道附近冷铁的冷却作用太强有关。一旦冷铁导致内浇道附近铝液粘度增大，在压力作用下铝液对筒壁补充铝液变得困难。随着温度进一步下降，内浇道附近的铝液完全凝固，此时补缩通道封死，在后续凝固过程中孤立液相区的体积收缩得不到铝液的补充，最终形成缺陷。

 另外，筒壁显示的区域在圆周方向上非均匀出现孤立凝固时间较长的区域，这些区域在凝固完成后容易出现缺陷。因此，原工艺试制的铸件机加工后，在筒壁一周非均匀产生缩孔、缩松缺陷。

2.2优化工艺后的仿真结果与分析

  通过对壳体原工艺进行模拟分析发现，该工艺使得内浇道处较早凝固导致批量铸件出现缺陷。为此，进行了工艺优化。优化后的工艺为大法兰部位采用厚15mm冷铁让开内浇道放置，且该冷铁内圆周离筒壁10mm，其他部位与原工艺相同，见图7。

  对优化后的工艺进行凝固过程数值模拟，其充型时间见图8，缩孔、缩松与凝固时间图分别见图9与图10。图8与图4较为相似，由下往上铸件颜色连续变化，说明铝液在充型过程中较为平稳，无明显憋气现象，因此可判断充型过程不会造成缺陷。

由图9可以看出，工艺优化后铸件凝固过程中没有产生缩孔、缩松缺陷。由图10可以看出，铸件筒壁区域与内浇道是连续的，且凝固时间由上往下是依次增加，即呈现顺序凝固形式，因此凝固过程中没有产生缩孔、缩松缺陷。

  2.3生产验证

 通过对原工艺凝固过程进行计算机工艺优化，确定调整冷铁布置能够消除铸件缺陷。随后，调整工艺布置进行了生产验证。试制的铸件毛坯（大于10件）机加工后，内腔缺陷消除，合格率大于95%。

  3  结  论

 (1)仿真结果表明，低压铸造GIS用壳体出现的缺陷为缩孔、缩松缺陷，是由于内浇道较早凝固造成的。

 (2)优化后工艺布置为大法兰部位采用厚15 mm冷铁让开内浇道放置且其内圆周离筒壁10 mm，其他部位与原工艺布置相同。

 (3)优化后的工艺充型平稳、凝固过程满足顺序凝固，缩孔消除。