» » Скорость металла в форме
23.04.2015

В данном случае имеется в виду линейная скорость впуска металла в форму и скорость его движения в полости формы. Наряду с давлением скорость является одним из важнейших факторов, способствующих заполнению тонких и глубоких полостей металлической формы. Только при быстром движении можно сохранить металл в жидком или полужидком состоянии и заставить его заполнить под давлением полость формы.
Высокая скорость также необходима для образования значительного конечного гидродинамического давления, способствующего получению плотных отливок с четкими контурами.
При замкнутной системе, состоящей в гидравлических машинах из камеры прессования (которая после перекрытия ее прессующим поршнем становится контейнером) и формы, соединенной с ней литниковым каналом, общая продолжительность наполнения (объемная скорость) при наличии большого усилия прессования в значительной степени зависит от скорости движения прессующего пуансона. Эта скорость сравнительно невелика и составляет, например, для машин с холодной камерой сжатия около 0,2—0,3 м/сек.
Для заполнения формы (объемная скорость заполнения) необходим промежуток времени, в течение которого прессующий поршень проходит расстояние от верхнего до нижнего своего положения.
На объемную скорость заполнения влияют следующие факторы:
1. Инерционные силы (усилия, необходимые для преодоления пассивных сопротивлений), зависящие от веса прессующего поршня. Чем меньше этот вес, тем скорее происходит заполнение формы.
2. Свободный ход прессующего пуансона. Чем он больше до момента соприкосновения с жидким металлом, тем больше живая сила его поступления на металл и тем с большей скоростью осуществляется рабочий ход пуансона.
3. Усилие прессования. Чем больше последнее, тем меньше объемная скорость заполнения. На величину усилия прессования влияют различные сопротивления, образующиеся в форме. Это особенно ощутительно, когда давление рабочей жидкости поступает через аккумулятор с газовой подушкой, сжимающейся при образовании противодавления в форме.
При переходе металла из камеры прессования в литниковый канал скорость металла зависит от давления. При последующей передаче металла в полость формы скорость его движения зависит также от сечения канала, через который он проходит. Значительное увеличение скорости металла при впуске его в форму и повышение при этом его жидкотекучести достигается уменьшением сечения впускного литника.
Повышение жидкотекучести с увеличением скорости течения объясняется разогревом металла за счет работы трения при превращении кинетической энергии движущейся струи в тепло.
По аналогии с жидкостью можно считать, что скорость истечения металла равна той скорости, которую приобретает жидкость, падая с высоты, равной высоте напора.
Эта скорость, предполагая идеальное давление потока, выражается по формуле Бернулли
v = √2gh,

где V — теоретическая скорость истечения;
g — ускорение при свободном падении тела, равное 9,81 м/сек;
h — напор, который можно считать пропорциональным давлению р.
Давление р зависит от высоты напора h и объемного веса расплавленного металла β:
p = hβ, h = p/β.

Подставляя это значение в формулу Бернулли, определяем зависимость между скоростью и давлением:
v = √2g p/β.

Таким образом, теоретическая скорость движения металла прямо пропорциональна корню квадратному из величины давления.
Для расчета литниковых систем эта формула практического значения не имеет и приводится только для определения функциональной зависимости между давлением, скоростью, а также объемным весом жидкого металла.
Последующие опыты установили большие отклонения от теоретической формулы Бернулли, в результате чего в нее был введен коэффициент сопротивления ξ, учитывающий различные сопротивления движению металла:
v = 1/1+ξ √2gh.

Истинная скорость течения отличается от теоретической на величину φ = 1/√1+ξ являющуюся "коэффициентом скорости". Коэффициент сопротивления ξ в свою очередь есть функция φ
ξ = 1/φ2 - 1.

Изучение действительной скорости, а также условий впуска металла производилось с помощью аппарата, который применяется в баллистике. При использовании этого аппарата для условий литья под давлением, электрическая цепь замыкалась самим металлом при его прохождении через форму.
Опыты, проводимые на этом аппарате, показали, что действительные скорости во впускном канале составляют в среднем около 30% от теоретических скоростей, в отдельных случаях достигая 50% от них.
Действительные скорости движения металла в рабочей полости формы составляют всего от 5 до 15% от теоретических скоростей, что объясняется вязкостью металла, потерями на преодоление трения и сопротивления среды, а также тем, что струя металла, растекаясь по полости формы, теряет свою скорость.
Действительные скорости также меньше потому, что действительные мощности значительно меньше теоретических.
Опыты советских исследователей (П.П. Москвин) по определению фактической продолжительности заполнения, а следовательно, и скорости потока при помощи осциллографирования прессового хода машины показали, что эти значения по сравнению с вытекающими из теоретической формулы незначительны.
Так, например, для детали корпусного типа скорость потока составляет около 2,5% от теоретической скорости. Это вполне закономерно, так как, помимо прямой зависимости скорости от давления и объемного веса, весьма большое значение имеют такие признаки, различные у каждой детали, как ее конфигурация, обтекаемость, толщина стенок и наличие сложных пересечений. Эти признаки приводят к образованию той или иной степени вязкости металла, влияющей на скорость потока в литниках и в полости формы.
Исходя из этого не представляется возможным дать способ расчета литниковых систем, а приводятся лишь теоретические обоснования для выбора той или иной литниковой системы.
Как было выше упомянуто, увеличение скорости является полезным фактором, главным образом с точки зрения сохранения металлом его текучести.
Высокая скорость впуска при работе на компрессорных машинах, создающих низкое удельное давление, неизбежно связана со значительным уменьшением сечения впускного литника до щелевого. В заводской практике то же делается при работе на гидравлических машинах с холодными камерами прессования, в которых при сочетании высоких удельных давлений со щелевыми литниками образуются чрезмерно большие скорости впуска, что вызывает ряд недостатков.
Ряд исследований показал, что отливки из цинкового сплава, полученные при щелевом впускном литнике, когда металл пульверизуется, имеют более низкие значения ударной вязкости и относительного удлинения, чем отлитые при большом сечении питателей, когда металл входит в форму сплошным потоком.
Образование турбулентного движения и завихрений металла увеличивает износ форм, затрудняет их вентиляцию, а также ухудшает чистоту поверхности. При чрезмерно большой скорости металла он опережает воздух и затрудняет его удаление из полости формы.
Уменьшение скорости впуска путем применения впускных литников большого сечения благодаря поступлению при этом металла сплошным потоком способствует устранению или уменьшению разбрызгивания и завихрений, являющихся одной из главных причин захвата воздуха и образования воздушных раковин.
Уменьшение линейной скорости впуска может быть достигнуто также уменьшением скорости опускания прессующего пуансона посредством диафрагмирования высоты подъема клапанов главного золотникового распределителя. Этот способ применяется главным образом при изготовлении сравнительно толстостенных отливок с малыми линейными размерами.