原标题：仿真分析辅助GIS用低压铸造铝合金盖板铸件工艺设计

铸造铝合金具有热裂倾向低、铸造性能好、线收缩率小、易回收再生并且环保、气密性高等特点，在工业中应用前景广泛。铝合金盖板铸件作为气体绝缘开关设备 （Gas insulated switchgear，GIS）的常规零件，在GIS产品中广泛使用，其形状相对简单，主要采用金属型低压铸造工艺生产。ZL101A合金低压铸造时易出现缩孔、缩松和夹杂等缺陷，导致零件的气密性下降，在使用过程中易出现泄漏，产品报废率明显上升。

随着CAD/CAE技术的发展，铸造企业已广泛应用铸造模拟软件解决实际生产中的问题。通过模拟可以减少试验次数，增加工艺可靠度，缩短生产周期，提升产品质量。

本研究针对一种GIS用盖板的金属型低压铸造原工艺出品率低的问题，设计取消冒口并采用AnyCasting软件辅助工艺设计，旨在提高铸件出品率以及减少辅消材料消耗，为相关产品的生产提供参考。

图文结果

GIS用铝合金盖板铸件，质量为13.2 kg，材质为ZL101A-T6（成分见表1），其三维图见图1。由图1a可知，该盖板形状类似“帽子”，“帽沿”为法兰（法兰厚为26 mm），法兰上有12个通孔，帽沿以上的凸起部分（盖板壁厚为15 mm）有“环形路口”形状的加强结构（该处壁厚为20 mm）。由图1b可知，法兰面为加工面，内圈有密封槽，外圈有注胶槽。

该盖板铸件毛坯原工艺采用法兰面作为分型面。上下模结构的金属型低压铸造工艺。工艺布置见图2，法兰面朝上放置，直浇道直通“环形路口”中间位置进行铸件充型；盖板内腔对应4个凸台的法兰面位置，设置有4个冒口，每个冒口设置有石棉保温套。通过石棉保温套隔绝铝液直接接触金属型而激冷，减缓冒口中铝液凝固，延长补缩法兰面时间，保证法兰面品质。

表1 ZL101A合金的化学成分(%)

图1 盖板铸件三维图
1.注胶槽   2.密封槽

图2 盖板原金属型低压铸造工艺布置
1.石棉保温套    2.铸件毛坯    3.直浇道

盖板铸件原金属型低压铸造工艺由于具有4个冒口，工艺出品率相对较低，仅为65%，且石棉保温套材料每年费用较高。因此，本研究拟对该盖板铸件在原工艺的基础上，设计取消冒口的金属型低压铸造工艺，该盖板铸件分型以及浇注方式不变。

取消冒口后，法兰及4个凸台没有冒口补缩，需要通过与直浇道相连的壁上加强筋进行补缩，而法兰及4个凸台厚度相对壁上加强筋位置更厚，热节更大，不能满足良好补缩条件。为满足良好补缩条件，对法兰以及4个凸台设置风冷铁质镶块（采用开放式冷却，在铁质镶块背面安装一圈铁管，铁管上均匀打孔，接入压缩气体后，风由铁管均布孔吹出，直吹镶块背面），减小法兰及4个凸台的热节，初始工艺布置见图3，并采用模拟仿真进行工艺验证。然后根据模拟仿真结果，若需要进行工艺优化，则将法兰位置铁质镶块形状进行调整，包括减小法兰面加工余量、铸出直孔与密封槽，再次进行模拟仿真验证；若仍存在问题，则考虑将铁质镶块更换为铜质镶块等，直至模拟仿真确认工艺可行为止；最后，按照最终确认工艺进行模具委托与试制验证。对该盖板铸件金属型低压铸造初步设计工艺以及工艺优化方案建模后，利用AnyCasting软件对三维模型进行了网格划分、参数设置及模拟仿真。全部模型均采用划分均匀网格，网格数约为1 000万。ZL101A铝合金液相线温度为614 ℃，固相线温度为556 ℃，相关热物性参数采用AnyCasting软件材料数据库默认参数。模拟仿真采用主要参数设置见表2。

图3 取消冒口初始工艺布置

表2 主要模拟参数

图4 初始工艺模拟仿真结果

由图4a可知，铸件由浇口向法兰面顺序填充，说明铸件充型过程平稳。从图4b可知，充型100%时，法兰面温度大于660 ℃，远高于液相线温度。因此，认为充型过程基本不会引入铸造缺陷。由图4c可知，铸件由法兰面最先开始凝固，接着未带加强筋的壁上凝固，然后法兰与直浇道之间的加强筋凝固，之后法兰与壁相交位置以及直浇道相连的“环形路”凝固，最后直浇道凝固。法兰与直浇道之间的加强筋作为法兰与4个凸台及壁相交位置的补缩通道，早于法兰与4个凸台及壁相交位置凝固，导致法兰与4个凸台及壁的相交位置出现一圈孤立液相区，见图4d，环形路与凸台部位之间的液体断开，不能对法兰与4个凸台及壁一圈相交部位进行铝液补缩。最终，初步工艺模拟的缺陷集中分布在4个凸台与法兰相交部位以及直浇口处，见图4e。其中，直浇道会清理切掉，因此不做考虑。由图4f可知，凸台与法兰相交部位缺陷概率为100%，说明缩孔缺陷明显，缺陷位于法兰背面与壁外表面相交位置以下几毫米处。总体来说，取消冒口的初步工艺模拟仿真结果显示，充型过程平稳，主要问题为凝固过程中法兰与4凸台相交位置出现了明显缩孔、缩松缺陷。

针对取消冒口初步工艺，模拟仿真存在4处明显缺陷以及原工艺盖板孔采取铸实、法兰面毛坯铸成平面，现优化方案1将盖板铸件毛坯形状调整，铸出直孔与密封槽，并减少注胶槽位置加工余量，进而减小法兰热节。优化方案1盖板毛坯图见图5。优化方案1毛坯形状的调整，主要通过改变铁质镶块形状来实现。

图5 优化方案1盖板毛坯图

图6 优化方案1模拟仿真结果

图6为优化方案1模拟仿真结果。可以看出，图6a充型顺序剖面图与图5a基本相同，说明铸件充型过程平稳。图6b（法兰面最低温度约650 ℃以上）与图4b（法兰面最低温度约为660 ℃以上）大体相近，判定充型过程中基本不会引入缺陷。图6c凝固时间剖面图与图4c凝固时间剖面图大体相似，法兰与直浇道之间的加强筋，早于法兰与壁及凸台相交位置凝固，导致出现孤立液相区。由图6d某一时刻凝固状态图可知，环形路与凸台部位之间液体将要断开，孤立液相区主要集中在法兰与4个凸台以及局部壁相交位置。相比图4d的孤立液相区明显减小，说明热节减小，同时，由于铸出孔结构，孤立液相分成多个部分。相比图4e残余熔体模数图，盖板缺陷集中在4个凸台与法兰相交部位，而从图6e残余熔体模数图知，优化工艺1的缺陷更多、更分散，集中分布在法兰与4个凸台相交位置及两边位置（两个铸出孔之间），4个凸台位置的缺陷明显减小，与图6d孤立液相区相吻合。图6f中凸台与法兰相交部位缺陷，明显减小，概率为100%占缺陷截面不足一半，离法兰背面表面也更远。总体来说，优化方案1的模拟仿真结果，相比初始工艺，铸件法兰热节明显减小，原先缺陷减小，但明显增多。

针对优化方案1模拟仿真结果，基本判定采用铁质镶块激冷偏弱。因此，考虑将优化方案1中铁质镶块替换为铜质镶块，进行工艺模拟。模拟结果显示4个凸台处存在轻微缺陷。考虑到浇口在中心位置，铝液温度提高，对直浇口位置温度的提升更多，有利于浇口通过壁上加强筋对法兰补缩。最终优化方案2将铝液温度进一步提高到720 ℃，其余参数不变进行了模拟仿真分析。

图7 优化方案2最终模拟仿真结果

结论

（1）低压铸造GIS盖板取消冒口的初始工艺模拟仿真，充型过程平稳，凝固过程中法兰与4处凸台相交位置存在明显缩孔缩松缺陷。

（2）优化方案1采取铸出直孔与密封槽，并减少注胶槽位置加工余量，该工艺模拟仿真结果相比初始工艺，铸件法兰热节明显减小，原先缺陷减小，但明显增多。

（3）优化方案2将铁质镶块替换为铜质镶块，将铝液温度进一步提高至720 ℃，模拟仿真显示盖板铸件缺陷消除。

（4）盖板零件生产采用优化工艺2，相比采用原工艺，铸件出品率提高了约40%，消除了石棉保温套的使用，并减少了冒口清理工作。

《仿真分析辅助GIS用低压铸造盖板铸件工艺设计》

李红强 朱广 李沛根 李文静 阴瑜娟

西安西开精密铸造有限责任公司

文转载自：《特种铸造及有色合金》