铝合金铸件具有良好的表面光泽、耐腐蚀、密度小、比强度高等特点，在工业中得到了广泛的应用。铝合金盖板铸件作为气体绝缘开关设备（Gas insulated switchgear，简称GIS）的常规零件，年用量大，形状相对简单，一般采用金属型低压铸造工艺生产。盖板材质为ZL101A铝合金，盖板生产过程中易出现缩孔、缩松和夹杂等缺陷。

随着计算机模拟技术的发展，采用数值模拟能达到优化工艺设计，确保铸件品质，缩短试制周期，降低研发成本，提高生产效益和产品竞争力的目的。使用数值模拟技术，可以通过优化铸造工艺系统，合理配置冷铁和冒口，来降低缺陷出现的概率，从而达到提高铸件品质的目的。

本研究通过AnyCasting软件对一种气体绝缘开关（GIS）用金属型低压铸造铝合金盖板工艺进行充型凝固仿真分析，研究了该盖板密封槽出现铸造缺陷的原因并给出了改进措施，最后进行了生产验证。针对金属型低压铸造ZL101A盖板密封槽出现铸造缩孔、缩松缺陷，采用模拟分析对该问题进行辅助原因分析与工艺优化，进而提高铸件品质，旨在为类似问题解决提供参考。

图文结果

研究的GIS用铝合金铸造盖板零件材质为ZL101A合金（成分见表1），需进行T6热处理，零件质量为13.2 kg，盖板零件三维图见图1。可以看出，该盖板基本形状为“帽子”形状，外圆环为法兰，法兰上有12个通孔，壁上有“环形路口”形状的加强筋结构，法兰正面为加工面，内圈有密封槽，外圈有注胶槽。盖板零件基本尺寸为ϕ520 mm×83 mm，法兰内径为386 mm，法兰厚度为26 mm，盖板壁厚为15 mm，壁上加强位置厚为20 mm。该盖板铸件采用上下模结构的金属型低压铸造工艺生产，基本的工艺布置见图2。“帽子”倒置放置，直浇道直通“帽子”顶部位置，由该位置进行铸件充型；“帽子”内腔对应4个凸台的法兰面位置，设置有冒口，每个冒口设置有石棉保温套，石棉保温套主要为了隔绝铝液直接接触金属型而激冷凝固，使冒口中铝液较慢凝固、补缩法兰，保证法兰面品质。保温冒口与法兰面接触位置的内径与法兰面宽度相当，内部高度约为110 mm，工艺出品率约为65%。

表1 ZL101A合金的化学成分(%)

图1 盖板零件三维图1.注胶槽 2.密封槽

图2 盖板原金属型低压铸造工艺

采用金属型低压铸造工艺制备盖板，熔炼、浇注、清理等工序完全按照工艺卡执行。盖板原金属型低压铸造工艺生产部分零件时，在冒口根部的法兰面密封槽出现铸造缩孔缩松缺陷，见图3。由于GIS产品对盖板零件的气密性有严格要求，此类缺陷会直接导致铸件报废。

模具工作温度通常为一个区间，为分析铸件问题原因，首先通过模拟仿真确认模具在工作温度下限250 ℃与上限350 ℃情况下，充型凝固过程中法兰面产生缩孔缩松缺陷的可能；其次，通过模拟仿真确认满足法兰补缩的冒口最小高度。对铸件缺陷原因查找过程中发现，部分零件冒口个别或全部冒口实际高度较低，较低的冒口高度小于40 mm。根据经验判断，冒口高度较低时，冒口位置法兰面的热节没有充分引入法兰面外的冒口内，导致冒口根部密封槽缩孔、缩松；最后，进行工艺优化与生产验证。

图3 盖板零件原工艺铸造缺陷

表2 主要模拟参数

对盖板铸件原工艺模具温度分别采用下限（250 ℃）与上限（350 ℃）的情况进行充型凝固模拟分析，结果分别见图4~图7。由图4可知，完全充型时间为4.42 s。此刻，采用下限模具温度的铸件温度（最低温度约630 ℃）略低于采用上限模具温度的铸件温度（最低温度约640 ℃），铸件温度相差约10 ℃，都高于液相线温度614 ℃。由图5知，采用下限模具温度的铸件凝固时间为638 s，采用上限模具温度的铸件凝固时间为约714 s，两种模具温度铸件都满足顺序凝固，都是由薄壁先凝固，然后向直浇道与冒口方向凝固，直至直浇道与冒口凝固。由图6可知，采用下限模具温度与上限模具温度的铸件残余熔体模数概率缺陷存在于冒口内、壁内以及直浇道处，直浇道与冒口后续清理会切掉，存在的缺陷不作考虑。壁内残余熔体缺陷概率约为1%，可能存在分散的点状缩松，不影响零件品质，重点关注的零件法兰加工面显示没有缺陷。由图7可知，采用下限模具温度，铸件冷却速率小于0.2 ℃/s，都在法兰面以外；采用上限模具温度，铸件冷却速率小于0.2 ℃/s，法兰面加工量范围存在很小一部分，其余都在法兰面以外。通常冷却速率低，合金液补缩相对差，凝固组织粗大以及致密性差。

图4 上、下限模具温度原工艺充型100%温度图（4.42 s）

图5 上、下限模具温度原工艺凝固时间图

图6 上、下限模具温度原工艺残余熔体模数图

图7 上、下限模具温度原工艺冷却速率小于0.2 ℃/s图

采用上限模具温度时，冒口对法兰的补缩作用弱于采用下限模具温度时。为使现场工艺更可靠、稳定，选上限模具温度，进行不同冒口高度模拟仿真。对冒口有效高度小于40 mm的零件机加工情况进行跟踪，零件密封槽内出现缩孔缩松缺陷，因此，考虑将冒口高度40 mm作为采用模拟仿真验证最小冒口高度的中间值，约为1.24倍法兰厚度。而法兰面的厚度为32.3 mm，取冒口高度30 mm（约为法兰厚度0.93倍）验证是否存在法兰补缩不足，以及验证冒口高度为50 mm（约为法兰厚度1.55倍）补缩状况是否明显改善。

图8 冒口高度为30、40、50 mm时凝固顺序

图9 冒口高度为30、40、50 mm法兰面凝固时温度图

图10 不同冒口高度时残余熔体模数图

通常，盖板毛坯零件冒口有效高度低于设计高度，主要由于，石棉保温冒口之上模具排气塞排气差或堵塞；保温冒口透气性差；保温冒口吸潮造成发气等原因。这些原因导致充型过程中，冒口中的气体不能及时排出，冒口存在一定程度憋气，减小了冒口有效高度。针对这些情况，可采取措施包括：采用合理排气塞并根据模具使用情况及时更换排气塞，对保温冒口顶部扎通气孔以及使用前对保温冒口进行烘烤、对模具保温冒口顶部采用镶块等措施。

结论

（1）仿真结果表明，采用模具工作温度上限与下限，原工艺都能够较好充型以及凝固补缩，浇注铸件无明显问题，说明铸件密封槽缺陷与模具工作温度范围无关。

（2）模具工作温度取上限，对不同冒口高度原工艺方案进行模拟仿真。当法兰冒口高度为30 mm（即为0.93倍法兰厚度），冒口处法兰面以下约10 mm深度，存在1%以上概率出现缩孔、缩松；当冒口高度为40 mm（即为1.24倍法兰厚度），法兰面以外冒口内存在1%以上概率出现缩孔、缩松，法兰不存在1%以上概率出现缩孔、缩松缺陷；当冒口高度为50 mm（即为1.55倍法兰厚度），法兰面以上15 mm冒口内存在1%以上概率出现缩孔、缩松，法兰不存在1%以上概率出现缩孔、缩松缺陷。原金属型低压铸造工艺理论出品率约为65%，冒口高度设计为50 mm（即为1.55倍法兰厚度），此时铸件工艺出品率可达77%。

（3）对盖板原工艺优化后，试制大于100件，法兰面冒口浇注有效高度都不低于50 mm，即冒口高度不低于1.55倍法兰厚度，试制合格率大于99%。仿真结果与实际情况相符。

作者：

李红强 朱广 

何伟国西安西开精密铸造有限责任公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社，《压铸周刊》战略合作伙伴