550kV GIL 设备三支柱连接筒加工工艺研究

马腾迪，刘猛，刘楠，曹伟产

(西安西电开关电气有限公司,陕西 西安 710077)

气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）设备结构由外壳和中间导体组成，管道内采用压缩的SF6气体或SF6/N2混合气体为绝缘介质，是一种外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电路传输管线。为优化GIL 产品整体设备结构构造，减少GIL 密封面数量并优化产品电场分布，GIL 设备普遍采用三支柱元件为导体支撑件，导体从单个或多个三支柱单元中心的连接筒穿过，连接至两端固定在绝缘盆子中心的触头座上。

连接筒作为薄壁件，最大壁厚为5mm，内槽处壁厚仅为3.5mm,零件原料轴向硬度分布不均匀，在加工成型过程中极易受材料内应力及机加工应力影响导致变形，从而引起尺寸超差甚至报废，成品率极低且很耗费工时。本文通过调整连接筒加工工艺，在机加工工艺之前增加固溶时效工艺，研究均匀化处理对连接筒加工过程的影响。

图1 连接筒示意图

1 试验材料与方法

试验材料为Φ180×15 铝管6A02-T6 合金管料，合金的化学成分（质量分数，%）为：0.5～1.2Si、0.5Fe、0.2～0.6Cu、0.2Zn、0.15～0.35Mn/0.15～0.35Cr、0.45～0.9Mg、0.15Ti，其余为Al。其主要力学性能为:Rm=295MPa,A=12.9%，布氏硬度≥85HB。原料厂家供货材料轴向硬度分布不均匀，测量记录最大偏差20HB。

方案一：取零件毛坯料进行重复固溶时效处理，固溶处理为515℃保温3h，固溶完成后放入≤40℃水中，在30min内完成淬火，并在水中冷却时间≥30min，随后在155℃温度下保温8h 空冷，最后完成机加工工序后测量尺寸偏差。

方案二：取零件毛坯料进行退火+固溶时效处理，首先进行退火处理工艺，在350℃温度下保温2h，然后以30℃/h 的速度随炉冷却至260℃后空冷至室温，随后进行515℃保温3h 的固溶处理，固溶完成后放入≤40℃水中，在30min内完成淬火，并在水中冷却时间≥30min，随后在155℃温度下保温8h 空冷，最后完成机加工工序后测量尺寸偏差。

2 试验结果分析

2.1 原材料机加工零件尺寸情况

零件原材料为180×15 铝管6A02-T6，热处理状态为固溶后人工时效。原料检测布氏硬度在85HB 以上，抗拉强度Rm ≥295MPa,伸长率A ≥12.9%。零件机加工工序为下料—粗车—钻—精车—精细车，原材料直接加工为成品后，零件薄壁处尺寸超差较大。

对零件机加工工艺进行工序调整，在薄壁内槽加工前，增加壁厚留量，增加必要的卡盘等工装来减少机加工应力对尺寸变形的影响，合理分配每次车削的加工量，尽可能降低机加工过程的加工硬化在轴向分布不均匀程度。加工后零件薄壁处尺寸仍不理想，变形量如下表所示。

表1 原材料加工尺寸情况

2.2 不同预处理后硬度测试

图2 为原料来料后进行轴向硬度分布测试，发现该硬度值范围在89 ～108HB 左右，偏差将近20HB；对原材料直接进行重复固溶时效后，轴向硬度分布为109 ～112HB，偏差仅为3HB 之小；为防止直接重复固溶时效后发生过烧现象，进行了退火后固溶时效工艺，发现硬度同样分布较为均匀。

图2 不同预处理后原料轴向硬度分布

材料的轴向硬度分布可能影响机加工过程中加工硬化的均匀性，在零件机加工过程中轴向各部分的加工硬化程度不同，在随后缓慢的应力释放中，各部位变形也不同。对于薄壁零件该变形现象表征明显。这应是连接筒加工后变形的主要原因。

经了解原材料硬度分布不均的原因，供货厂家为保证管材挤压成型后的圆度和直线度，生产线通常采用喷淋的方式进行冷却。这种冷却方式由于冷却速度不均，可能造成硬度分布不均，但是其硬度值均满足国标要求。采用浸水冷却可以使硬度分布更加均匀，但是不利于保证管材直线度和圆度尺寸。

2.3 不同预处理后零件变形量

对不同预处理机制下零件机加工完工后进行尺寸检测，主要关注薄壁处尺寸超差情况,表2 为不同预处理机制下零件变形量对比情况。

表2 不同预处理的零件变形量对比

原料直接加工后零件尺寸超差明显。用重复固溶时效后的材料进行加工，每道工序不用反复留量，很快加工到位，机加工效率明显提升，同时加工精度也可以满足要求。对加工成品尺寸进行跟踪测量，零件硬度及强度均符合图纸设计要求，连续批次中未发生超差现象，说明重复固溶可以显著提升材料可加工性。

2.4 材料组织检验

对直接重复固溶时效和退火后重复固溶时效材料金相组织进行观察，均未发现晶粒粗大和过热过烧等明显缺陷。晶粒尺寸细小，组织分布均匀，二次相颗粒呈现出细小而弥散的状态，组织状态良好。

图3 重复固溶时效材料组织

图4 退火后固溶时效材料组织

在生产中，铝合金材料推荐重复热处理次数不超过两次，多道次的重复热处理增加了材料的不稳定性，过热过烧倾向明显。本次研究零件仅在加工前增加一次固溶时效处理，对材料起均匀化作用。

3 结语

（1）原料轴向硬度不均匀性是导致零件加工尺寸超差的主要原因，喷淋冷却方式造成管材轴向冷却速度不同，造成了原料硬度分布不均现象。

（2）对原料进行重复固溶时效处理能显著提升其轴向硬度均匀分布，在零件加工应力释放时轴向更均匀。调整机加工壁厚余量，增加必要卡盘工装，保证了薄壁零件关键尺寸的公差范围。

（3）零件重复热处理次数不宜超过两次，直接重复固溶时效处理没有明显增加材料的过热过烧倾向。考虑零件加工的生产效率及经济效益，不宜采用退火+固溶时效的热处理工艺。