» » Удельное давление на металл
23.04.2015

Прежде чем приступить к детальному изучению всех явлений в специфических условиях литья с применением высокого давления, необходимо рассмотреть отдельные этапы процесса, протекающего под действием давления.
При обычном процессе литья (в металлическую и песчаную формы) заливка металла и заполнение им полостей формы происходит одновременно. При литье под давлением металл сначала поступает в камеру прессования (металлоприемник), а затем под давлением производится заполнение им рабочей полости формы.
Расплавленный металл отличается большой подвижностью своих частиц и изменение его формы может происходить под влиянием малых сил, если только они действуют в течение некоторого времени.
Однако, если быстро изменять форму жидкого металла, то вследствие образования вязкости он будет оказывать известное сопротивление изменению своей формы.
Сопротивление воздуха, трение в литниковых каналах и полостях формы, вязкость жидкого металла и падение его текучести, увеличивающиеся по мере заполнения формы, приводят к образованию гидродинамических сопротивлений и вызывают необходимость в постепенном увеличении давления, достигающего наибольшей величины при полном заполнении формы.
Этапы литейного цикла. В отличие от литейных процессов со свободной заливкой металла, у которых цикл заканчивается после заполнения формы — процесс литья под давлением характеризуется наличием дополнительных этапов, при которых происходит окончательное формообразование с получением четких контуров и уплотнение отливки.
В соответствии с этим каждый литейный цикл может быть разбит на этапы, идущие в последовательности, указанной на фиг. 12.
Удельное давление на металл

Заливка металла в камеру прессования (этап t1) осуществляется без давления. При заполнении формы (этап 4) в зависимости от сложности детали и толщины ее стенок затрачивается часть давления. Остальная часть давления по окончании заполнения расходуется на окончательное формообразование — получение четких контуров (этап t3). После этого давление переходит в конечное, гидростатическое, которое при соответствующих условиях может действовать на металл в процессе его затвердевания (этап t4).
Пластические деформации (t5) при обычных режимах литья, применяемых для литья легкоплавких и легких сплавов, как правило, не имеют места при литье под давлением, за исключением отдельных случаев, например, при работе с полужидким металлом, когда заполнение компактных деталей идет при больших давлениях с помощью прямых литников.
Разработанные за последнее время режимы литья, направленные на упорядочение впуска металла в форму и увеличение стойкости форм при работе с тугоплавкими сплавами (латунь, сталь), основаны на впуске металла в форму в жидко-твердом и твердо-жидком состоянии, доходящем в окончательный момент формообразования до пластического состояния.
Пунктирные линии на фиг. 12 показывают, что соотношение давлений pv и pg может меняться.
Преобразование давления. В продолжение одного литейного цикла давление претерпевает ряд преобразований.
Удельное давление в камере прессования — гидростатическое; оно определяется при данной мощности прессующего цилиндра машины диаметром камеры прессования (и сопряженного с ней прессующего пуансона).
Так, например, при мощности прессующего цилиндра 15 т и диаметре камеры прессования 60 мм теоретическое удельное давление составит:
Удельное давление на металл

Гидростатическое давление, получаемое в камере прессования, при переходе металла в открывшийся литниковый канал превращается в давление потока pv (кинетическая энергия).
Задачей давления потока pv является передача жидкого металла из камеры прессования в полость формы и ее заполнение. Когда по окончании заполнения поступающий в форму с большой скоростью и под большим давлением металл соприкасается со стенками формы и мгновенно останавливается, образуется гидравлический удар. При этом кинетическая энергия движущейся струи превращается в тепловую энергию, а давление потока преобразуется в конечное гидродинамическое давление. В этот момент удельное давление достигает своего максимального предела (момент «пик»), значительно (в 2 раза и более) превосходящего величину гидростатического давления.
Совокупность этих преобразований и обеспечивает получение плотной отливки с острыми гранями.
Функции, выполняемые конечным гидродинамическим давлением, наиболее важны в процессе литья под давлением. Они состоят в том, что, действуя на незатвердевшую еще массу металла, этот вид давления производит окончательное формообразование (четкое оформление контуров отливки) и частично уплотняет металл во время затвердевания, благодаря чему уменьшается усадочная пористость и размеры воздушных включений.
Гидродинамическое давление действует в течение ничтожного промежутка времени, после чего оно переходит в гидростатическое давление рс, функции которого заключаются в уплотнении отливки в процессе ее затвердевания.
Значение гидростатического давления очень велико для уплотнения металла, так как оно может действовать в продолжение всего срока, необходимого для полного затвердевания металла, а также потому, что в момент вступления в действие этого давления истинное усилие прессования более всего приближается к номинальному. Последнее объясняется отсутствием потерь, имеющих место во время движения поршня вследствие сопротивления гидравлической системы машины и противодавления в форме. Однако полезное действие гидростатического давления для уплотнения отливки может практически осуществиться при условии, что впускной литник в момент передачи давления еще не затвердел.
Усилие гидравлического удара зависит от температуры металла, жидкотекучести сплава, скорости прессования и линейной скорости струи металла, зависящей также от величины удельного давления, конфигурации отливки и направления струи металла.
Чем больше потерь кинетической энергии было при заполнении формы (в результате прохождения металла по сложным и тонким сечениям рабочей полости, а также вследствие лобовых ударов, поворотов струи металла и торможения в литниковых каналах), тем меньше влияние гидравлического удара на окончательное формообразование и уплотнение отливки.
Если процесс идет в правильной последовательности (фиг. 13, б), то давление преобразуется после окончания заполнения формы, что создает наиболее благоприятные условия для лучшего заполнения формы и уплотнения отливки.
Удельное давление на металл

Если при правильной последовательности процесса в первых этапах заполнение полости формы производится через тонкий впускной литник, то металл в нем сейчас же затвердевает, и конечное гидростатическое давление не сможет быть передано для уплотнения отливки в процессе ее затвердевания. Таким образом, на последнем этапе большое гидростатическое давление расходуется, не производя полезной работы.
Следовательно, для правильного хода процесса, когда давление последовательно выполняет функции, способствующие заполнению формы, получению четких контуров и уплотнению отливок, необходимо, чтобы:
1) давление потока pv расходовалось только для заполнения формы; для этого струя металла не должна разбиваться о стенки формы и стержни. Скорость движения металла должна быть достаточной для того, чтобы металл успел достичь крайней точки полости, не потеряв своей текучести;
2) конечное гидродинамическое давление рg могло образоваться только в момент окончания заполнения и было способно производить ту особо важную работу окончательного формообразования, которая главным образом и характеризует процесс литья под давлением;
3) конечное гидростатическое давление рc смогло быть передано на отливку в процессе ее затвердевания, что частично возможно при соответствующей толщине впускного литника; практически это может иметь место при отливке компактных сравнительно толстостенных деталей, у которых будет уплотнен участок, прилегающий непосредственно к питателю.
Таким образом, в подавляющем большинстве случаев при литье тонкостенных деталей преобладает гидродинамическое давление,, являющееся главным для уплотнения отливок.
Полезной работе, производимой гидродинамическим давлением, способствует также некоторое повышение температуры залитого металла в момент остановки его струи, имеющее место при окончании литейного цикла, вследствие преобразования всей неиспользованной кинетической энергии в теплоту.
Чтобы при остановке струи (т. е. при потере ее кинетической энергии) было обеспечено наибольшее значение конечного гидродинамического давления, необходимо стремиться к наименьшим потерям кинетической энергии в момент впуска металла в форму. С этой точки зрения более благоприятные результаты получаются, если впускной литник имеет большую высоту и меньшую ширину. Литники того же сечения, но имеющие большую ширину и малую высоту, вызывают увеличенные потери кинетической энергии.
Сочетание гидравлического удара с выделяющейся при этом теплотой способствует сохранению металла в достаточно жидком или полупластическом состоянии и дает возможность получения четких контуров отливки и ее уплотнения.
При правильном прохождении процесса величина гидродинамического давления зависит от удельного давления и от скорости движения металла. He следует, однако, стремиться к увеличению гидродинамического давления путем увеличения скорости впуска и движения металла посредством уменьшения сечения впускного литника, так как это вызывает завихрения, пульверизацию и увеличивает эрозионное действие струи жидкого металла на форму.
Чтобы сохранить требуемую скорость при толстом впускном литнике и обеспечить спокойное поступление металла в форму, необходимо применять более высокие удельные давления, что достигается уменьшением диаметра камеры прессования или другими способами.
Величина требуемого давления зависит от физических свойств заливаемого металла, толщины стенок и сложности отливки температуры металла и формы.
Из физических свойств металла на величину давления влияют удельная теплота плавления, удельная теплоемкость в жидком состоянии и удельный вес.
Чем меньше теплоемкость и теплота плавления металла, тем быстрее он охлаждается при поступлении в форму. Следовательно, для хорошего заполнения формы необходимо обеспечить большую скорость заполнения и большое давление. Точно так же с возрастанием удельного веса металла должно увеличиваться давление, необходимое для заполнения формы.
Важное значение имеет теплоотдача металла форме, определяемая в основном величиной поверхностей рабочей полости и литниковой системы.
Удельное давление на металл в машинах с горячей камерой прессования колеблется при отливке цинковых сплавов от 20 до 200 кг/см2. На гидравлических прессующих машинах с холодной камерой сжатия удельное давление колеблется в пределах 300—1500 кг/см2, доходя до 3500 кг/см2.
Значительное давление требуется для отливки тонкостенных деталей сложной конфигурации с глубокими пересеченными полостями, так как здесь металл, поступая в форму, чрезвычайно быстро охлаждается. Скорость впуска металла в форму, как известно, увеличивается обратно пропорционально сечению впускного литника, поэтому необходимо применять большое давление для проталкивания металла через тонкие сечения (порядка 0,6—1,0 мм).
При изготовлении толстостенных несложных деталей с малой поверхностью металл охлаждается менее интенсивно, его затвердевание происходит лишь после окончательного заполнения формы. Поэтому здесь скорость впуска металла для целей заполнения может быть значительно ниже, однако и при отливке подобных деталей применяются высокие давления, способствующие уплотнению отливки.
При высокой жидкотекучести сплава и при отливке толстостенных деталей несложной конфигурации, особенно когда не преследуются задачи уплотнения отливки, а лишь стремятся к получению четких контуров, давление может быть небольшим.
Необходимо так регулировать процесс, чтобы давление во всех стадиях было полезным.
Если несложную толстостенную деталь с малыми линейными размерами, для заполнения которой необходимо небольшое давление потока, отливать при щелевом сечении впускного литника, затвердевающего раньше, чем отливка, то большое избыточное гидростатическое давление будет затрачиваться бесполезно. Если же такую отливку заполнить при толстом впускном литнике, то, очевидно, все не истраченное на заполнение давление сможет быть использовано для уплотнения отливки.
При правильном регулировании сечения впускного литника и направления струи металла повышение давления полезно.
Опыты советских исследователей показали, что повышение давления при отливке несложных тонкостенных деталей (например, разрывных образцов) без соответственного утолщения литников дает положительные результаты только до известного предела. По мере повышения удельного давления предел прочности сначала увеличивается, но уже при 800 кг/см2 он начинает постепенно уменьшаться. Удлинение закономерно понижается по мере повышения давления. Последнее объясняется тем, что по мере увеличения давления чрезмерно увеличивается скорость впуска металла, что приводит к захвату воздуха, а также переохлаждению металла и значительному измельчанию зерна. Опыты автора показали, что при отливке деталей с более значительной толщиной стенок через толстый литник, повышение давления до 1500 кг/см2 дало положительные результаты.
Основное преимущество высокого давления состоит в том, что оно позволяет уменьшить температуру заливаемого металла, так как с увеличением давления повышается текучесть металла и его способность заполнять все полости формы. Это бесспорно важное преимущество, поскольку понижение температуры заливаемого металла, как известно, благоприятствует уменьшению количества усадочных раковин и увеличивает стойкость форм.
Чем выше давление, тем больше живая сила попадающих в форму отдельных струй металла при их встрече, что обеспечивает лучшее соединение их в однородный поток металла.
Современные машины для литья под давлением, в которых отливка сопровождается уплотнением металла, характеризуются работой при более высоких давлениях, чем раньше.
Давление в сети является в большинстве случаев величиной постоянной, а потому при данной мощности машины давление регулируется диаметром камеры прессования; так, например, у машины с горизонтальной камерой сжатия при замене камеры сжатия диаметром 50 мм камерой с диаметром 38 мм удельное давление соответственно повышается с 500 до 1000 кг/см2.
В современных машинах для увеличения давления в окончательный момент формообразования создается автоматически от отдельного насоса ступенчатое давление.
Говоря о величине давления, мы обычно исходим из номинальных (теоретических) значений, основанных на параметрах машины: давление в сети, диаметр прессующего цилиндра, удельное давление в камере прессования и т. п.
Однако нельзя пренебрегать потерями мощности (и зависящего от нее давления) при образовании инерционных сил и гидродинамических сопротивлений в форме.
К числу инерционных сил, на преодоление которых затрачивается часть мощности машины, относится вес прессующего поршня и жидкости, заполняющей прессующий цилиндр, а также постепенно увеличивающаяся вязкость жидкого металла.
Эти потери могут быть так велики (особенно трудно учитываемые потери от гидродинамических сопротивлений), что фактические мощности и давления значительно уменьшаются.
С учетом этого целесообразно вести работу при некотором избыточном давлении. Всякое, хотя и небольшое падение давления в аккумуляторе (на 10—15 ат) связано с понижением удельных давлений в камере прессования на 40—60 кг/см2, что вредно сказывается на ходе технологического процесса, так как при этом плохо заполняются углубленные, тонкие полости, появляется пористость и т. п.
В машинах типа Полак последних моделей предусмотрена работа при давлении в аккумуляторе в 150 кг/см2 вместо ранее применяемых 120 кг/см2.
На практике можно рекомендовать следующие минимальные удельные давления в камере прессования в зависимости от размеров отливки, толщины ее стенок и сплава.
Отливка должна выдерживаться в форме под давлением (табл. 1) около 3 сек. на каждый миллиметр толщины стенок.
Удельное давление на металл

Противодавление. По мере заполнения формы в ней образуется противодавление, достигающее максимального значения в момент гидравлического удара. Гидравлический удар представляет собой явление внезапного повышения давления в форме при резком изменении режима движений жидкости (жидкого металла). Если жидкость, двигающаяся по трубопроводу (в данном случае в полости формы), внезапно останавливается, то кинетическая энергия, которой обладала жидкость, преобразуется в потенциальную энергию, создающую противодавление, стремящееся раскрыть форму. Оно в расчетах приравнивается к удельному давлению в камере прессования, умноженному на проекцию рабочей полости формы на плоскость подвижной части формы.
При чрезмерно большом противодавлении происходит разбрызгивание металла (по плоскости разъема формы), что недопустимо с точки зрения техники безопасности и с технологической точки зрения (нарушение размеров отливки).
Чтобы под действием противодавления форма не раскрылась, мощность блока машины, замыкающего форму, должна быть больше, чем образующееся противодавление.
При литье под давлением противодавление р1 может быть подсчитано по формуле
р1 = 0,85Q = рf,

где Q — мощность машины на закрытие формы в кг;
р — удельное давление в камере сжатия в кг/см2;
f — площадь проекции отливки на плоскость подвижной плиты: 0,85 — коэффициент, обеспечивающий прочное закрытие формы.
Для обеспечения надежного закрытия форм, по данным каталога, при мощности замыкающего блока машины с горизонтальной камерой прессования в 130 г противодавление во всех случаях не должно превышать 90 т.
Гидродинамическое давление при работе с незатвердевающими жидкостями, как было выше указано, — выше гидростатического (образуемого в камере прессования). Ho при работе с металлическими сплавами, частично загустевающими и затвердевающими в литье под давлением до окончания заполнения, гидродинамическое давление (при фирменных расчетах противодавления) приравнивается к максимальному статическому.
Опыт литья крупных деталей показывает, что по сравнению с каталожными данными площадь отливок в зависимости от конфигурации в значительном ряде случаев может быть увеличена примерно в 1,5 раза.
Чтобы рационально использовать машины для изготовления деталей с большой площадью, но малого веса, необходимо учитывать поправки, вносимые в расчеты для определения фактического противодавления.
Сущность этих поправок заключается в следующем.
Так как на величину гидродинамического давления влияет удельный вес сплава, то для тяжелых сплавов (цинковых, медных) площадь отливки принимается примерно вдвое меньше, чем для легких сплавов.
При изготовлении деталей с глубокими полостями металл к концу литейной операции, отлагаясь на стенках рабочей полости, образует достаточно прочный каркас из первоначального слоя, что значительно ослабляет величину противодавления. Это особенно проявляется, когда большая глубина полости сочетается со сложными ее пересечениями.
Противодавление зависит также от толщины стенок отливки; в тонкостенном литье объем металла в первоначально отложившемся слое (около стенок формы и около стержней) может преобладать над объемом жидкого или полужидкого металла в сердцевине отливки. При этом противодавление будет значительно меньше.
Если упомянутые поправки не смогут быть использованы, то при достаточной вместимости камеры прессования площадь отливки может быть увеличена против расчетной путем применения механических или гидравлических замков, надежно закрывающих форму в момент гидравлического удара. В подобных случаях необходимо учитывать общую прочность форм, испытывающих значительную нагрузку при большом противодавлении.