一種高壓不停電裝置用觸頭成型分析及模具設計

劉雙陽 楊衛國 劉恒 陳亮 李忠富

摘 要：本文主要對一種高壓GIS不停電擴建裝置常用鋁合金導體成型方法進行數值分析計算和工藝研究。其間采用數值方法對導體擠壓成型過程進行分析計算，揭示毛坯在模具擠壓成型過程中的金屬充填方式，并通過數值模擬結果證明模具設計及后期成型的可靠性和合理性，同時依據導體材料固有特性，優化了工藝實施方案。結果表明，此導體利用模具擠壓一次成型的方法，不僅能夠實現外形尺寸的一次成型，而且相對于傳統的棒料切削成型，大大節省材料成本，減少了后期處理工序，節省了加工時間，更有利于后續的批量化生產。

關鍵詞：不停電擴建;鋁合金導體;數值計算;工藝分析

Abstract： in this paper， the forming method of aluminum alloy conductor commonly used in a high-voltage GIS uninterruptible expansion device was analyzed and studied. In the meantime， the numerical method was used to analyze and calculate the process of conductor extrusion forming， reveal the metal filling mode of blank in the process of die extrusion forming， and prove the reliability and rationality of die design and later forming through the numerical simulation results， at the same time， the process implementation scheme was optimized according to the inherent characteristics of conductor materials. The results show that the method of using the die to extrude at one time can not only realize the one-time forming of the outer dimensions， but also greatly save the material cost， reduce the post-processing steps， and save the processing time， which is more conducive to the subsequent mass production.

Keywords： uninterruptible expansion;aluminum alloy conductor;numerical calculation;process analysis

高壓組合電氣設備因其占地面積小、維護便利等優勢在電網中得到了廣泛的應用[1]。高壓組合電氣后期工程的不停電擴建為國內外各大廠家急需解決的問題[2]。而鋁合金觸頭為不停電擴建裝置的接口單元，相同電壓等級的觸頭毛坯尺寸形狀統一并且用量大。本研究選用一種典型高電壓組合電氣觸頭進行成型分析，結構如圖1所示，其特點為長度大且部分中空，對成型后材料性能要求較高，但由于其本身形狀的特殊性，不能采用管材直接成型，而如果采用常規切削加工，材料浪費嚴重并且增加成本。因此，本研究主要依據金屬材料塑性流動原理，對導體成型過程進行計算分析，設計出合理的擠壓模具，后依據材料本身固有特性，采用熱擠壓成型原理進行快速成型。此導體材料為6063，結構為內部中空且外部帶有凸臺，要求成品布氏硬度不小于70，20 ℃體積導電率不低于51% IACS。傳統加工方式，材料浪費比較嚴重。本研究依據材料性能，采用熱擠壓工藝擠壓成型。

1 成型數值分析

首先依據此導體的外形尺寸，根據金屬塑性成型體積不變原理[3]，設計出合適的擠壓毛坯，然后設計出合適的擠壓模具型腔及擠壓凸模，設定擠壓成型過程中的速度和溫度等參數，通過數值計算方法[4-5]，分析出所需壓力，再對模具內部成型部件的設計進行驗證并優化。

1.1 擠壓件設計

依據擠壓成型的體積和質量不變原理，考慮預留后續加工量2 mm，設計擠壓后半成品的中空外徑保留尺寸為[Φ]202 mm，內徑為[Φ]145 mm，底部直徑為[Φ]142 mm，重量為24.8 kg，體積為9.2×10-3? m3，因考慮坯料與凹模之間應具有放置間隙，選擇擠壓坯料尺寸為[Φ]200 mm×300 mm，預留2 mm坯料放置間隙，計算后重量為25.5 kg，滿足質量和體積不變原理，擠壓后的半成品尺寸，如圖2所示。

考慮到擠壓成型過程中金屬表面可能由于摩擦及模具表面存在潤滑脂，導致擠壓件毛坯表面存在夾渣，擠壓件橫截面尺寸留余4 mm，即擠壓件內徑設計值為[Φ]68mm，外徑設計值為[Φ]113mm。反擠壓成型后，擠壓件表面理論會產生輕微褶皺，因此130 mm長度方向的擠壓件設計長度留余量5 mm，即135 mm。按照擠成型的體積、重量不變原理[3]，經計算，選取坯料為[Φ]110 mm×95 mm棒材。

1.2 擠壓成型過程分析

6063鋁合金材料[6]在20 ℃時的抗拉強度[Rm=215 MPa]，在400℃以上的抗拉強度[Rm≤16 MPa]，具有明顯下降即趨勢。依據壓力接觸面積小、溫度高擠壓力小的原則，設計此成型零部件成型過程為高溫下反擠壓過程，具體計算如下。

式中，[p]為單位擠壓力，MPa;[n]為硬化系數;[σb]為材料抗拉強度，MPa;[δ]為溫度對單位擠壓力影響系數;[A0]為坯料的橫截面積，mm2，[AP]為凸模與坯料接觸面在垂直于擠壓力平面上的投影面積，mm2。

式中，[F]為總擠壓力;[C]為安全系數，考慮到擠壓材質的波動、軟化、潤滑處理等因素的影響，一般取[C]≥1.3;[A]為凸模與坯料接觸面在垂直于擠壓力平面上的投影面積。

6063鋁合金材料[8]149℃以下的抗拉強度大于145 MPa，而在371 ℃以上的抗拉強度小于16 MPa。通過上述計算可知，采用熱擠壓比常溫壓力減小至少10倍，因此可采用加熱后反擠壓成型。

1.3 數值成型分析

依據上述計算，簡化成型凸模和凹模尺寸[9]，如圖3、圖4所示，主要考慮擠壓金屬流動性，在凸模底部設計15°凸模倒角，凹模轉角處倒角為10°。考慮擠壓成型后，凸模與擠壓坯料存在較大的抱緊力，因此在凸模底部設計厚度2～4 mm的凸臺。

從模擬結果可以看出，在材料即將充滿的過程中，壓力曲線存在震蕩波形，壓力機噸位保持在60～70 t，與上述計算需要60 t的壓力機值相符合。

繼續對材料施加壓力，觀測擠壓坯料的填充過程，直至材料填充凹模型腔的每個部分，如圖6所示。

從模擬結果可以看出，金屬在275 s時存在一個壓力突變，因為施加壓力已經不能促使金屬流動，金屬已經充滿模具型腔，繼續施加壓力并無意義。綜上計算和數值分析，選取噸位大于100 t的壓力機即能滿足此零部件擠壓成型。

2 擠壓模具設計

依據上述計算及模擬分析結果，考慮模具圓角及形狀，對凸模和凹模進行優化設計，如圖7、圖8所示，與上述分析簡化凹模相比，在凹模底部增加頂出孔、排氣孔等設計。本文采用雙層組合凹模設計[9]，裝配過程中采用過盈配合，模具組裝過程中采用加熱外部凹模固定圈方式進行組裝，能保證凹模在常溫下有較大抱緊力，其設計如圖9所示。

考慮到反擠壓成型后，零件由于金屬的擠壓流動后緊抱凸模，因此在凸模底部設計厚度4 mm的凸臺，可使零件在擠壓成型后與凸模的抱緊力明顯減小，模具整體設計原理，如圖10所示。

3 成型工藝

本研究采用熱擠壓工藝，制定如下工序：下料→加熱→潤滑處理→擠壓→熱處理。在擠壓成型環節，采用提高擠壓坯料的初始溫度[7]，利用增加坯料初始溫度的方法進行試驗，后確定540 ℃進行擠壓后快速固溶和時效處理，能夠滿足HB70、導電率不低于51%IACS的最低初始溫度要求。

4 結論

本文確定了一種高壓用鋁合金導體的成型設計方法，通過模擬分析，驗證了計算分析的正確性，并通過數值分析確定了合理的加工工藝，設計出合理的模具。其間對成型過程進行數值分析，驗證數值計算及模具設計的合理性。其成型方式簡單，相比常規加工方法，節省材料、降低成本，可以為其他同類型的零部件加工提供借鑒，有利于實現加工的產業化。

參考文獻：

[1]宋昭.基于雙斷口母線隔離開關的GIS設備不停電擴建技術分析[J].中國設備工程，2018（19）：146-147.

[2]張長虹，龐準，黎衛國，等.基于雙隔離斷口的GIS不停電擴建功能模塊的研發及應用[J].高壓電器，2019（8）：72-80.

[3]徐光輝，王路平，劉恒，等.高壓開關用液壓缸缸體模鍛成型工藝研究及模具設計[J].熱加工工藝，2013（17）：135-139.

[4]黃光法，林高永，蔣杰，等.大擠壓比鋁型材擠壓過程的數值模擬[J].中國有色金屬學報，2006（5）：888-892.

[5]潘健怡，譚熾東.鋁合金擠壓數值模擬技術研究的發展與現狀[C]//Lw2010第四屆鋁型材技術（國際）論壇.2010.

[6]趙震.冷溫熱擠壓技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

[7]張建國，趙娜.高壓開關鋁合金觸座擠壓成型數值計算及工藝分析[J].熱加工工藝，2015（17）：130-133.

[8]田榮璋等.鋁合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學出版社，2000.

[9]謝懿.實用鍛壓技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.