» » Потери кинетической энергии с преобразование ее в тепло
23.04.2015

Когда откроется канал, соединяющий камеру прессования машины с рабочей полостью формы, и металл, находящийся под давлением прессующего поршня, устремится в форму, статическое давление преобразуется в давление потока (кинетическая энергия).
Входящая струя металла обладает кинетической энергией, пропорциональной квадрату теоретической скорости, и вся эта энергия в процессе впуска частично превращается в тепло, причем часть ее идет на поддержание температуры струи металла по мере того, как она проходит по поверхности полости формы при образовании первоначального слоя. Энергия, остающаяся после заполнения формы, когда металл внезапно останавливается, не может исчезнуть бесследно и превращается в тепло фактически мгновенно, как только произойдет остановка струи, вызывая повышение температуры в полости формы в момент образования гидравлического удара. При этом резкое повышение удельного давления передается снаружи и изнутри всей массе незатвердевшего металла для его уплотнения и получения четких контуров.
Чем меньше кинетической энергии будет затрачено в процессе заполнения, тем эффективнее действие конечного гидравлического давления (в момент гидравлического удара).
С учетом этого необходимо:
1) Устранять затраты кинетической энергии с превращением ее в тепло в литниковой системе до впуска металла в рабочую полость-формы. При этом не следует применять питателей с заниженным сечением.
2) Сечение впускных литников (главное их толщина) должно быть максимальное, допускаемое условиями заполнения. При отливке сложных тонкостенных деталей с глубокими полостями, когда нужны очень большие скорости впуска, допускается применение впускных литников малого сечения, торможение и затрата энергии в которых, а также в самой рабочей полости (с превращением в тепло) будет значительным за счет уменьшения величины конечного гидродинамического давления. Это потери компенсируются весьма быстрым отвердеванием тонкостенных отливок с образованием с двух сторон прочной кристаллической корочки.
При отливке сравнительно толстостенных деталей, отвердевающих менее быстро, необходимо стремиться к сохранению высокого значения конечного гидродинамического давления для уплотнения отливки.
Скорость v впуска металла определяется по графику зависимости: между скоростью и давлением по формуле
v = √2gp/β,

где β — плотность сплава (величина, постоянная для данного сплава);
g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек2;
р — давление при впуске.
Коэффициент момента A = 2g/β; v2 = рА.
Потери кинетической энергии с преобразование ее в тепло

Действительные скорости впуска металла значительно меньше, чем теоретические, вычисляемые по формуле
R = v * g,

где R — объемная скорость заполнения;
g — поперечное сечение впускного литника.
Кинетическая энергия ∑ впущенного металла выражается уравнением
∑ = mv2/2,

где m — масса отливки.
Так как фактическая скорость v1, определяемая по времени заполнения, всегда меньше теоретической, то
∑1 = mvIв2/2.

Потери кинетической энергии равны разности между энергией ∑=mv2/2, сообщенной струе металла при данном давлении, и энергией ∑1=mvIв2/2, которая проявляется внутри полости, в виде теплоты. Эти потери могут быть определены путем сравнения теоретических и фактических скоростей и вытекающей отсюда разности ∑—∑1, выражаемой при данном весе отливки в кгм.
Теплота T в кгм, выражаемая в °С, полученная металлом в результате потерь кинетической энергии, может быть определена из следующего выражения:
∑—∑1/427dgS = T,

где S — величина удельной теплоемкости сплава;
1 ккал/427 кгм — термическии эквивалент работы;
d — вес отливки в кг;
g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек2.
Зная удельную теплоемкость, можно определить приращение температуры металла до его входа в рабочую полость.
Абсолютное значение этого приращения невелико, однако факт повышения температуры металла в условиях его соприкосновения с теплопроводной металлической формой, т. е. когда температура металла, а следовательно, и его жидкотекучесть должны резко понизиться, является ценным технологическим фактором.
Повышенное давление сглаживает колебания температуры металла от центра к стенкам и компенсирует потерю тепла произошедшую в результате отдачи ее металлом форме до того, как металл достигнет впускного канала в форму. Если давление высокое, то снижение скорости в литнике и потери кинетической энергии в струе металла приводит к повышению температуры внутри струи, в результате чего уменьшается трение и наступает равновесное состояние. Если давление низкое, то температура сплава должна быть соответственно выше, чтобы получить повышение температуры впускаемого металла.
Оставшаяся кинетическая энергия по окончании заполнения превращается в теплоту.
Если известны теоретическая и действительная скорость заполнения, то можно определить общее повышение тепла, происходящее вследствие превращения энергии впуска.
Количество тепла, образующегося вследствие потери кинетической энергии струи, пропорционально давлению, а последнее пропорционально квадрату скорости, т. е.
v2 = PA,

где A = 2g/β — величина, постоянная для каждого сплава.
Если заменить выражение скорости через живую силу, то получим
∑a = MPA/2.

Учитывая, что тепловой эквивалент энергии можно принять как 1 ккал = 427 кгм, принимая η за тепловой эквивалент ∑, получаем
ηa = MPA/854 ккал.

Пренебрегая массой, так как возникающее тепло в ней полностью остается, получаем
РА/854 ккал.

Теперь необходимо внести только один фактор — удельную теплоту, чтобы можно было определить повышение температуры при скончании цикла впуска (когда скорость впускаемого металла равна нулю).
Повышение температуры, полученное в результате превращения всей кинетической энергии струи через ψ, обозначим
ψ = ηа/Sa,

где Sa — удельная теплоемкость данного сплава.
Это соответствует
ψ = P/854 * A/Sa °C,

но чаще применяется выражение такого вида
0,001179ρ * A/Sa.

Для каждого сплава А и Sa являются постоянными величинами, причем последний член может быть заменен одним тепловым коэффициентом
ξa = 2g/βSa.

Тогда ψ/p = 0,001179, ξ2 = ω2 °С для сплава A, или ω = 0,001179 ξ, где функция ω будет заключать в себе все факторы, за исключением давления.
Поэтому, чтобы определить повышение температуры для данного количества металла, происходящее в результате потерь кинетической энергии, достаточно только умножить значение ω для данного сплава на давление, действующее при впуске.
В табл. 2 приведены основные постоянные для сплавов, отливаемых под давлением.
Потери кинетической энергии с преобразование ее в тепло