Скачать книгу из которой взят данный материал

8.8. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВО-ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Литниковая система представляет собой еоюкуиность каналов, но которым жидкий металл поступает из камеры прессования в оформляющую полость пресс-формы. Литниковая система в пресс-формах, предназначенных для установки на машинах с вертикальной камерой прессования, состоит из следующих элементов: пресс-остатка 1; литникового хода или конического литника 2, соединяющего камеру прессования с плоскостью разъема пресс-формы; подводящего канала 3 (или коллектора), по которому металл подводится к оформляющей полости, а в многогнездных пресс-формах ко всем оформляющим полостям; питателя 4 (или впускного канала), являющегося основным элементом литниковой системы, определяющим направление и скорость впускного потока (рис. 3.20, а). Литниковая система пресс-форм для машин с горизонтальной холодной камерой прессования не имеет литникового хода; пресс-остаток 1 переходит сразу в подводящий канал 3 (рнс. 3.20, б). Сокращение пути движения металла в литниковой системе важное преимущество машин с горизонтальной камерой прессования.

Пресс-остаток одновременно является элементом литниковой системы пресс-формы и камеры прессования. Его диаметр определяется диаметром камеры прессования. В то же время масса пресс-остатка сильно влияет на условия заполнения и затвердевания отливки. Высота пресс-остатка должна быть оптимальной в целях экономии металла, но она должна быть не меньше диаметра входного отверстия литникового хода для машин с вертикальной камерой и не меньше размера входного отверстия в подводящий канал для пресс-формы на машинах с горизонтальной камерой прессования.

Рис. 3.20. Элементы литниково-веитиляционной системы пресс-форм для машян с холодной камерой прессования

Вентиляционная система пресс-формы представляет собой совокупность каналов и резервуаров, через которые воздух и газы, образующиеся при сгорании смазочных материалов, вытесняются из оформляющей полости поступающим металлом. Вентиляционная система состоит из промывников и вентиляционных каналов. Промывникн 6 (см. рис. 3.20) служат для приема порций металла, загрязненных воздушными и газовыми включениями. Толщину соединительных каналов 5 выбирают равной толщине питателя или больше для обеспечения одновременного затвердевания металла в сечениях питателя и соединительных каналов. Основным элементом вентиляционной системы являются каналы 7 (или воздухо-отводы), которые выполняют в виде широких щелей глубиной 0,05—0,30 мм в плоскости разъема. Вентиляционные каналы могут примыкать непосредственно к полости пресс-формы или, как это показано на рис. 3.20, к промывнику 6, сообщающемуся с полостью соединительным каналом 5.

Литниковая система. В зависимости от расположения литникового хода или камеры прессования относительно отливки выделяют три типа литниковых систем: прямые, внутренние, внешние, (боковые).

В прямой литниковой системе отсутствует подводящий канал; металл из литникового хода поступает в полость формы. В машинах с вертикальной камерой прессования площадь Дшт соответствует площади поперечного сечения литникового хода (рис. 3.21, а), а в машинах с горизонтальной камерой — площади пресс-остатка (рис. 3.21, б).При наличии в отливке центрального отверстия литниковый ход переходит в кольцевой питатель, расположенный вокруг рассекателя (рис. 3.21, в).

Внутреннюю литниковую систему применяют ДЛЯ ОТЛИВОК, имеющих центральное или какое-либо другое отверстие, размеры которого позволяют разместить внутри полости пресс-формы подводящие каналы и питатели (рис. 3.22), как для машин с вертикальной (рис. 3.22, а), так и горизонтальной (рис. 3.22, б) камерой прессования. Внутренняя литниковая система дает возможность уменьшить размеры формы. При установке специального

Рис. 3.22. Внутренняя литниковая система

рассекателя, препятствующего предварительному затеканию металла в полость формы, внутреннюю систему можно применять для круговой подачи металла в отливку на машинах с горизонтальной камерой прессования (рис. 3.23).

Внешняя литниковая система — единственная система для подвода металла в многогнездные формы (рис. 3.24, а). Для увеличения числа отливок, получаемых в одной форме, используют внешний подвод металла от промежуточных каналов — коллекторов (рис. 3.24, б, в). Коллекторы служат и в качестве дополнительных теплоносителей при необходимости поддержания высокой температуры в питателе. В одногнездных формах коллекторы используют для одновременного подвода металла в различные участки оформляющей полости.

На рис. 3.24, г—ж показаны наиболее распространенные варианты внешней литниковой системы, где А — высота подводящего металл канала.

При выборе литниковой системы того или иного типа необходимо стремиться к обеспечению направленного заполнения, которое зависит не только ог места подвода питателя, но и от отношения толщины бдит питателя к толщине б_отл стенки отливки в месте подвода металла. Если отношение б_иит/6_отп > 1/2, то после удара струи о преграду начинается заполнение полости формы сплошным или дисперсным (с последующим превращением в дисперсно-турбулентный) потоком, который движется в направлении, обратном направлению движения металла в питателе, ухудшая качество отливки. При отношении вш,т/8₀тп < 1/2 возможность создания направленного потока заполнения повышается. В случае подведения металла в утолщенную часть неравностениой отливки после удара струи может образоваться сплошной или дисперсный поток, минующий тонкостенную полость формы, которая в результате будет заполняться в последнюю очередь (рис. 3.25, а) более холодным металлом, при этом появятся поверхностные дефекты в виде неслитин. Для обеспечения заполнения последовательным дисперсно-турбулентным потоком рекомендуется подводить струю к центру утолщенной части (рис. 3.25, б).

Для создания сплошного турбулентного потока питатель соединяют с тонкой частью отливки с применением промывника в конце утолщенной части (рис. 3.25, в). В этом случае тонкое сечение заполняется в последнюю очередь, через него можно осуществить подпрессовку всей отливки.

Вибор места подвода питателя зависит от конфигурации отливки. Для отливок типа пластин или крышек с невысоким буртиком металл следует подводить не в буртик, а в основное тело отливки (рис. 3.26, а). При изготовлении коробчатых отливок с центральным отверстием лучше осуществлять прямой подвод металла (рис. 3.26, б), при внешнем подводе металла впускную струю направляют параллельно стенке отливки (рис. 3.26, в). В цилиндрических отливках хороших результатов достигают при подводе металла в торцовую часть (рис. 3.26, г).

Важный фактор, влияющий на конструирование литниковой системы, — расположение питателя по ширине оформляющей полости. На рис. 3.27 приведены различные схемы подвода питателя, разработанные П. П. Москвиным и Ю. Ф. Игнатенко. К прямоугольной пластине питатель должен подводиться с наименьшей

Рнс. 3.26. Схемы подвода питателя к отливкам различной конфигурации (/, 11, III — соответственно плохо, удовлетворительно, хорошо)

стороны' (рис. 3.27, а), так как в противном случае сокращается время, необходимое для вытеснения газов, что способствует образованию газовой пористости. Ширина питателя практически равна ширине отливки. К отливкам типа рамки лучше подводить разветвленный питатель (рис. 3.27, б), что исключит лобовой удар впускной струи о стержень, который может вызвать привар струи и излишнюю дисперсность потока в начале заполнения.

При использовании разветвленного внешнего подвода металла к рамке е узкими полостями (рис. 3.27, в) появляются пористость и нееилавление потоков как в дальнем сечении, так и между разветвлениями питателя. В целях предупреждения образования этих дефектов лучше применять внутреннюю литниковую систему о подводом питателя по касательной.

К плоским тонкостенным отливкам всегда лучше подводить один широкий питатель, чем несколько питателей меньшей ширины (рис. 3.27, г), поскольку столкновение потоков металла в полости формы создает неравномерные услювия заполнения, при которых

3.2. Зависимость глубины вентиляционных каналов от типа заливаемого сплава

Сплав	6В, мм	Сплав	6В, мм
Свинцово-сурьмяной	0,05—0,10	Магниевый	0,10—0,15
Цинковый	0,08—0,12	Медный	0,15—0,20
Алюминиевый	0,10—0,12	Сталь	0,20—0,30

Примечание. При заливке жидкотвердыми сплавами значения 6_В могут быть увеличены в 2—3 раза.

возникают газовая пористость, неспаи и другие дефекты поверхности отливки.

Для круглой пластинчатой отливки нежелателен подвод металла по касательной (рис. 3.27, 3). Лучшие условия вытеснения воздуха и газообразных продуктов смазочного материала создаются при радиальном подводе питателя, причем его ширина должна быть не менее 0,5 диаметра отливки. Наоборот, если круглая отливка имеет центральное отверстие (рис. 3.27, е), то лучше подводить питатель по касательной, избегая тем самым раздвоения потока заполнения и образования внутренних дефектов в месте столкновения отдельных струй.

При получении коробчатой отливки, имеющей сплошное донышко, металл следует подводить в донную часть (рис. 3.27, ж), так как при подводе металла в торец поток дважды изменяет направление движения, теряет кинетическую энергию, что приводит к плохой заполняемости донной части отливки и не дает возможности осуществления качественной подпрессовки. Если высота Н значительно больше диаметра I), то подвод металла к донной части отливки не обеспечивает заполнения цилиндрической стенки. В этом случае применяют торцевой подвод через дополнительный коллектор (рис. 3.27, з).

Один из главных принципов конструирования литниковых систем —■ принцип сужения каналов от камеры прессования к полости формы. Например, на машинах с вертикальной камерой изменить нежелательное расширение потока в коническом литниковом ходе практически невозможно. На машинах с горизонтальной камерой прессования всегда можно сузить литниковые каналы, что будет способствовать созданию установившегося движения в питателе. Обычно сечение питателя имеет прямоугольную конфигурацию, а сечение подводящего канала — трапециевидную. Площадь поперечного сечения подводящего канала /ш>дв = (1,2ч-1,5) /_пит. Высоту /г_подв подводящего канала Е. Брунгубер [88] предлагает определять по эмпирической формуле Лцодв ⁼ 0,77 ]/”(пит^-

Кромки питателя и подводящего канала, выходящие на плоскость разъема формы, не должны иметь закруглений. Радиусы

Рис. 3.28. Вентиляционные каналы в плоскости рае® ей а (а), иа специальны®

вставка® (б) и подвижны® стержня® (в)

остальных углов должны быть не менее 1 мм. В целях иредотвра-щения отламывания питателей от отливки при раскрытии пресс-формы рекомендуется делать для них индивидуальные выталкиватели.

Вентиляционная система. Трудность вытеснения воздуха и газов, образующихся при сгорании смазочных материалов, из полости пресс-формы в процессе ее заполнения жидким металлом является одной из основных причин образования раковин и пористости в отливках.

Чем сложнее конфигурация отливки, тем труднее создать направленную систему вентиляции формы. Литниковая система и правильное расположение отливки в полости формы должны обеспечивать постепенное вытеснение воздуха и газов к вентиляционным каналам. Последние должны быть такими,, чтобы брызги сплава при распылении струи не могли бы их закупорить. Встречное движение сплава и воздуха не допускается. В этом случае воздух и газы, обладающие значительно меньшей инерцией, чем металл, не успевают уйти через каналы.

Расположение вентиляционных каналов зависит от характера заполнения. При заполнении сплошными потоками их делают в местах, наиболее удаленных от питателя или места образования гидравлического подпора. При заполнении дисперсными или дисперсно-турбулентными потоками желательно иметь вентиляционные каналы на всех участках заполнения.

Вентиляционные каналы чаще всего выполняют в плоскости разъема формы. Они имеют вид прямоугольных проточек, глубина б_в которых зависит от типа заливаемого сплава (табл. 3.2).

Рис. 3.29. Система вентиляции узких глубоких полостей формы

Вентиляционные каналы могут располагаться как на плоскости разъема (рис. 3.28, а), так и в специальных вставках (рис. 3.28, б), или же выполняться в виде проточек на подвижных стержнях (рис. 3.28, в). Ширина вентиляционных каналов определяется частным от деления их суммарной площади 2/в ^на б_в.

Для глубоких н узких полостей рекомендуют делать индивидуальные вентиляционные каналы. Их протачивают в элементах вкладышей, которые для этих целей делают составными (рис. 3.29, а). Для уменьшения сопротивления при входе газов в вентиляционный канал применяют промежуточные трапецеидальные полости (рис. 3.29, б). Такая система вентиляции снижает возможность закупоривания каналов дисперсными частицами расплава или нагара.

Для увеличения суммарной площади вентиляционных каналов рекомендуется устанавливать газовые фильтры, изготовленные из пористой металлокерамики или собранные из металлических игл. В отличие от проточек они могут быть расположены в любой части формы, в том числе в глухих поднутрениях. Игольчатые фильтры обладают в несколько раз большей пропускной способностью, чем фильтры, изготовленные из металлокерамики. Максимальный зазор между иглами при их плотной упаковке составляет 0,35 диаметра иглы. Диаметр игл не должен превышать 0,6 мм. Для сплавов е повышенной жидкотекучестью применяют иглы диаметром 0,15 мм. При раскрытии формы фильтры необходимо продуть сжатым воздухом для очистки и охлаждения (рис. 3.30). Фильтры (рис. 3.30), изготовленные из металлических цилиндрических игл или стержней /, скрепляют между собой кольцом 2.

Промыв ники. Для уменьшения пористости отливок рекомендуется применять перегонные резервуары—промывники, в которые металл попадает вместе с газами, захваченными высокотур-буденшным или дисперсным потоком. Промывники также способ-етвуют сохранению оптимального теплового баланеа форма, оеобен-но при изготовлении тонкостенных отливов. Например, при уменьшении толщина стенки цинковой отливии от 1,52 до 0,76 мм требуете» двукратное увеличение объема про-мывников.

Толщина соединительных ианалов между оформляющей полостью

и промывником должна Рис. 3.30. Пресс-форма с игольчатым фильтром быть не менее 0,5 мм;

она зависит от назначения промывника. Если промывник предназначен для удаления загрязненного газами металла, то толщина соединительного канала должна составлять 0,7—0,8 толщины стенки отливки, а если его используют как теплоноситель, то меньше 0,4 толщины стенки отливки. Соединительные каналы также выполняют роль дополнительных вентиляционных каналов. В процессе заполнения пресс-формы часть воздуха и газов удаляется через вентиляционные каналы, а оставшаяся часть попадает через соединительные каналы в промывник вместе с металлом. Если по расчету требуется суммарная площадь сечений вентиляционных каналов 2^_в> а площадь вех каналов, расположенных ПО периметру ОТЛИВКИ, меньшей составляет 2/в» ТО эту разницу компенсируют соединительные каналы, суммарная площадь 2]/с. к поперечных сечений которых Е/о. н = И/в — 2/в. В зависимости от назначения и места установки промывники подразделяют на общие и местные. Общие промывники предусматриваются при проектировании пресс-формы и могут располагаться не только во вкладышах матриц и пуансонов, но и в плитах полу-форм. Суммарный объем общих промывников, предназначенных для удаления металлогазовой смеси, составляет 20—40% объема отливки, а объем промывников, предназначенных для стабилизации теплового режима, можно менять от 50 до 100% объема отливки. Местные промывники устанавливают в зоне слияния двух или нескольких потоков расплава. Они имеют небольшой объем (от 5 до 20% объема отливки) и предназначены в основном для дополнительного разогрева формы в местах образования таких дефектов, как неслитины и неспаи.

Типичный пример расположения промывников в пресс-форме для отливки «Основание» приведен на рис. 3.31. В плоскости разъема пресс-формы находятся три промывника, соединяющихся

с периметром отливки четырьмя соединительными каналами: промывник 1 — двумя каналами, промывники 2 и 3 — каждый своим каналом. Хотя резервуары под промывники имеют литейные уклоны, под каждый промывник подводят выталкиватели.

На рис. 3.32 показано принятое В. М. КайновымиВ. В. Тру-даевым расположение промывников на крупногабаритной толстостенной отлийке со стенками неравномерной толщины, заполняемой через питатель 1 толщиной 16 мм, расположенный по длине полости формы. В такой отливке отмечается ухудшение механических свойств в зоне А, соответствующей резкому переходу и повышению гидравлического сопротивления полости формы. Промывник 3 толщиной 16 мм соединен с наиболее узкой полостью каналом 2 толщиной 0,4—0,8 мм. Толщина вентиляционных каналов 4, идущих от промывников, 0,2—0,25 мм.

Промывники для удаления металлогазовой смеси можно одновременно располагать по наружному контуру отливки /, выполняющему роль общего промывника, и внутреннему 2, выполняющему роль местного промывника, препятствующего образованию неслитин в теле отливки (рис. 3.33, а). При расположении литниковой системы внутри контура отливки (рис. 3.33, б) наилучший эффект дают промывники 1, расположенные по наружному контуру отливки.

Рис. 3.32. Расположение в пресс-форне промывников для крупногабаритной толстостенной отливни

Промывникк-теплоносители, предназначенные для выравнивания температурного поля пресс-формы одновременно служат и для вытеснения в них смеси металла с воздухом и газообразными продуктами смазочных материалов. Их особенно широко применяют в многогнездных пресс-формах (рис. 3.34). В целях создания равномерного распределения металла все промывники соединяют друг с другом дополнительными каналами. Необходимо отметить, что использование системы промывников большого объема в целях регулирования температурного поля пресс-формы приводит к резкому увеличению расхода металла. Бблее рентабельно регулировать температуру созданием системы направленного охлаждения пресс-формы при одновременном повышении темпа работы.

Для обеспечения одновременного удаления промывников вместе с отливкой под промывник подводят выталкиватель (рис. 3.35, а). Такая конструкция предотвращает отламывание соединительных каналов 3. Если выталкивание в тело отливки недопустимо, то конструируют специальные промывники-при-

0,05

а)

Рнс. 3.33. Равличние конструкции промывников

1 — отливка; 2 — промывннк; 3 — подводящие каналы литниковой онотемы; 4 — дополнительные ооеднннтельные каналы

а)    6)

Рис. 3.35. Выталкиватели для обычных промывников (а) к промывнкков-прилн-вов (б):

/ — выталкиватель: 2 — промывннк; 3 — соединительный канал

ливы, через которые и происходит выталкивание (рис. 3.35, б). Вентиляция таких промывников осуществляется через зазоры между выталкивателями и пресс-формой.

3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИТЕЙНОГО ПРОЦЕССА

Технологический цикл литья под давлением состоит из процессов заполнения и подпрессовки. Наилучшие условия формирования отливки — заполнение с наименьшим захватом газов из полости формы с последующим уплотнением металла при направленном затвердевании отливки. Теория процессов заполнения и под-иреееовки изложена в трудах Л. Фромера, В. Бранта, X. К- Вар-тона, А. К. Белопухова и др. В работах А. К- Белоиухова на основе изучения гидродинамических и тепловых процессов в литниковой системе и форме дан теоретический анализ движения и затвердевания металла на стадиях заполнения и подпрессовки, разработана аналитические методы расчета технологических режимов литья.

Продолжительность заполнения пресс-формы определяется процессом теплообмена между заливаемым сплавом и самой пресс-формой. Продолжительность заполнения, обеспечивающую свариваемость отдельных потоков металла, определяют из условия, что температура металла в наиболее удаленном от питателя месте не должна падать ниже температуры окончания затвердевания отливки, т. е. ниже температуры солидуса. Если предположить, что сплошной или дисперсный поток последовательно заполняет оформляющую полость, распространяясь по ней от места удара свободной струи, то в зависимости от характера потока продолжительность заполнения т_вап можно рассчитать по формулам.

Для сплошного потока

Таап. с ~ 0,196 (б_отлр_м/&ф)² {(С_м 1п [(/_Зал /ф)/(/дик    /ф)1)²    Н~

+ (с'и + г/А^кр)² + (1п [(/ лик    оол    tф)])%    (3.16)

где б₀тл — толщина стенки отливки; Ьф — коэффициент тепло-аккумуляции формы; с« — удельная теплоемкость заливаемого сплава; /_Зал — температура заливаемого сплава; /₀ф — температура формы (температурный фон, замеряемый на глубине 6—8 мм от рабочей поверхности); г — удельная теплота кристаллизации сплава; А/_Кр— температурный интервал кристаллизации.

В реальных условиях создание сплошного потока возможно только для отливок простой конфигурации, не имеющих локальных утолщений и резких переходов. При этом толщина питателя должна быть равной толщине стенки отливки в наиболее толстом сечении, а скорость впуска металла не должна превышать 0,5 м/с. При заполнении формы твердожидким сплавом возможно сохранение ламинарного движения при скоростях потока до 10—12 м/с.

Для дисперсного потока

^аап. д ⁼ (0,3/&ф) V(ботлРм)³//Зф (]/"|с_м 1п [(/_Зал /ф)/(/лик /фШ* ~Ь + У (с; + г/АТ _кр)³ {1п [(/_лик - /ф)/(/_оол - /ф)]}³).    (3.17)

В частном случае для эвтектических сплавов

^вап. д ⁼ (0,3/Ьф) (б_отлРм)³/В_ф(К|с_м 1П [(/вал /ф)/(/кр    /ф)1 }³ ~Ь

4-К[г/(/к_Р-/ф)]³),    (3.18)

где. Вф — термическая проводимость формы в пределах характерного размера.

Чаще всего приходится иметь дело с заполнением турбулентными и дисперсными потоками. Поскольку реальные отливки сложной конфигурации имеют локальные утолщения, резкие переходы, отверстия и окна различной формы, нарушающие свободное продвижение потока в полости формы, осуществить дисперсное заполнение практически невозможно. При скоростях впуска 20 м/с и более невозможно осуществить и турбулентное заполнение, так как происходит разрушение свободной струи. Особенно еильное разрушение струи наблюдается в тех случаях, когда екорость прессования и давление в процессе впуска возрастают. Такие режимы заполнения возможны при литье под давлением на машинах с горячей камерой прессования. Возможно нарушение еплошности впускной струи даже при постоянных условиях истечения. Такое нарушение объясняется возникновением в свободной струе возмущающих сил. Один из видов разрушения впускной струи связан с взаимодействием сил инерции и поверхностного натяжения сплава, обусловливающих возникновение поперечных волновых колебаний (зафиксированных скоростной киносъемкой при скоростях 4000—5000 кадр/с). Фиксируемая длина устойчивой части впускной струи

1 = 21/2    (3.19)

где С — постоянная, определяемая для различных сплавов экспериментальным путем, С = ф (г); здесь V — кинематическая вязкость; 1>_вп — скорость впуска или ее среднее значение за период заполнения; 6^—толщина питателя, равная толщине свободной впускной струи.

Например, для алюминиевого эвтектического сплава типа АЛ2, заливаемого при температуре ~630 °С, при 8_ПИТ = 1 мм зависимость длины устойчивой части струи от скорости впуска принимает вид Ь — 0,04и_вп. Для того же сплава, заливаемого без перегрева при температуре 590 °С, Ь = 0,15и_вп,‘т. е. устойчивость впускной струи повышается почти в 4 раза,-

При больших скоростях впуска (выше 40 м/с) возможен другой вид разрушения свободной впускной струи, связанный с возникновением в ней продольных синусоидальных колебаний. Возникновение таких колебаний можно объяснить тем, что сопротивление газов в полости формы становится более существенным, чем поверхностное натяжение сплава. Этому способствует недостаточная вентиляция формы, которая часто имеет место при заполнении крупногабаритных тонкостенных отливок, требующих большого количества смазывающего материала.

Условия движения свободной струи и возможность сохранения еплошности потока заполнения в значительной степени определяются конструкцией литниковых каналов — струя стремится к сохранению постоянной толщины только при наличии сужающейся литниковой системы. В расширяющихся литниковых системах возможно нарушение устойчивости впускной струи не только из-за волновых возмущений, но и вследствие кавитации.

Рис. 3.36, Зависимость критической скорости перевода к турбулентному ааполиеикю от отношения 6_пит/6_отл для сплавов в жидком (а) и твердожидком (б) состояния*:

/ и — сплав ЦАМ4-3 при 440 и 395 °С; 2 и 2' — сплав АЛ2 при 630 и 590 °С; 3 и 3' — сплав АЛ 10В при 630 и 570 °С

Одним из основных способов повышения устойчивости впускной струи следует считать сокращение ее длины. Питатель желательно подводить к отливке таким образом, чтобы длина устойчивой части струи не превышала значений, определяемых формулой. Если обеспечивается устойчивость впускной струи, то отливка может заполняться сплошным турбулентным потоком. Нижняя гранида скорости, при которой возможно турбулентное заполнение, так называемая критическая скорость о_кр. _т турбулентного движения, подсчитывается по следующей формуле:

^укр. т ⁼ Яет/[2б_отл(1 бпит/ботл)]>    (3.20)

где Не — критерий Рейнольдса, значение которого завиеит от шероховатости поверхности формы и изменяется от 2300 до 10 000; 6_отл —толщина стенки отливки в месте подвода питателя.

Из выражения 3.20 и графиков на рис. 3.36 видно, что с увеличением толщины отливки критическая скорость уменьшается.

Турбулентное заполнение приводит к захвату крупных газовых включений. Другой недостаток турбулентного заполнения — малая скорость движения потока, недостаточная для четкого оформления рельефа отливки. Турбулентное заполнение можно рекомендовать лишь для отливок достаточно простой конфигурации, изготовляемых с использованием вакуумирования или замещения газов в форме кислородом.

Отливки сложной конфигурации заполняются при высоких скоростях впуска, вызывающих дисперсное раздробление впускного потока. Реальная схема заполнения таких отливок представляет собой последовательное превращение дисперсного потока, образовавшегося в месте удара впускной струи о преграду (стержень), в сплошной турбулентный гидравлический подпор. Таким образом, часть полости формы заполняется дисперсным потоком, а удаленные от питателя сечения полости — сплошным турбулентным потоком. Соотношение дисперсных и турбулентных потоков зависит от екорости впуека, толщины отливки и сложности ее конфигурации и главном образом от числа поворотов потока в полости форм®. Такая схема названа последовательным дисиерено-турбулентнгам заполнением. Оптимальное значение скорости о_д__т дисперсно-турбулентного заполнения • подсчитывается по эмпирической формуле П. П. Моеквиназ

од., = К {[(£_втл/6_втл)У2я + 1]/уЧ^Ь    (3-21)

где К — коэффициент, зависящий от типа сплава, для алюминиевых и медных сплавов К = 0,015-^-0,03, для магниевых К = = 0,018-г-0,035, для цинковых К = 0,0134-0,02; /,_отл — длина отливки или расстояние, проходимое потоком от питателя до промывника; 2] л — число поворотов потока в полости формы; яГвап — продолжительность заполнения.

Критические скорости о£'р начала дисперсно-турбулентного заполнения определяются на основании скоростной киносъемки следующими эмпирическими формулами соответственно для цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов:

с£р^т = 5^°'⁴² (6_пит/5_отл)⁰'⁵⁴;    (3.22)

^_р^т = 0,82у^М6 (б_пит/б_отл)^0,61;    (3.23)

с£р^т = 0,75v⁰’⁵² (бпит/ботл)^0,65-    (3.24)

Эти формулы выведены для отливок с толщиной стенки 2—4 мм При отношении (^_вал — *ф)/(*кр — ^ф) < 1.2.

Так как при последовательном дисперсно-турбулентном заполнении наиболее выгодным, с точки зрения захвата воздуха и газов и распределения газовой пористости, является первый этап — дисперсное движение, следует стремиться к увеличению его продолжительности. Для этой цели питатель следует подводить в наибольшую по объему полость формы, а наиболее удаленной полостью формы должен служить промывник, объем которого позволяет вывести из отливки турбулентный поток, насыщенный газами и создающий в металле, затвердевающем в промывнике, крупную газовую пористость. Продолжительность т_П00л последовательного дисперсно-турбулентного заполнения определяется при условии, что дисперсный характер движения соответствует первому периоду заполнения, а турбулентный (сплошной) — второму.

*посл = (0,3/&ф) V(б_0ТЛРм)7Вф {См 1п [(*_8ал - *ф)/(*_лик — г_ф)]}³ +

+ 0,196 {(ботлРм/Ьф) (с'ш + г/Д*нр)/(1п №лик - *фЖол - *ф)]}².

(3.25)

Формула выведена для сплавов, затвердевающих в интервале температур кристаллизации. При заполнении формы эвтектическими сплавами значение я?_поол подсчитывается по следующей формуле:    _

Т'ПОСЛ ⁼ (0,3/Ьф) ]/ (ботлРм)³/^ф {^СМ 1п [(^8ал    ^ф)/(^кр    ^ф)1}³    Н^-

+ 0,196 {(б_отлРм/&_ор) + [г/(^_р-^_ф)]1².    (3.26)

6,0

5.0

0,0

3.0

2.0

1,0

0,5

0,01 0,020,00 0,080,1 0,2 0,0 Т_ЗШС,С 0,8 1    2    3    0 6_0TJ,,mm

а)    6)

Рис. 3.37. Экспериментальные зависимости т_8ап от 6_0тл для сплошного (а) и дисперсного (б) потоков

На практике часто необоснованно увеличивают продолжительность заполнения, особенно при изготовлении крупногабаритных отливок. Анализ формул (3.16)—(3.18) показывает, что продолжительность заполнения зависит от вида потока, толщины отливки и не зависит от ее габаритных размеров. Результаты расчетов по этим формулам подтверждаются экспериментально. На рис. 3.37 показаны зависимости т,,_{ап- 0} от 6_0тп для различных сплавов. Экспериментальные значения отличаются от расчетных не более чем на 20%. При дисперсном заполнении с увеличением 8₀тл значение <с_зап. _л становится для алюминиевых сплавов различных типов почти одинаковым.

При литье магниевых сплавов, в отличие от алюминиевых и цинковых, на продолжительность заполнения в значительной степени влияют не только толщины отливки, но и температура пресс-формы (табл. 3.3). Данные, приведенные в таблице, отличаются от данных, не учитывающих возможность дисперсного движения при охлаждении сплава от /_лик до ^_кр на 30 —40% в сторону увеличения продолжительности заполнения.

При определении технологического времени заполнения пресс-формы необходимо также учитывать продолжительность свободного полета впускной струи до момента ее удара о стержень или стенку. Продолжительность свободного полета т_св, _п с учетом растекания струи определяют по формуле

^св. п ^ (-^св. п ®отл 6пит)/^вп>    (3.27)

где L_CB, _п — длина свободного полета.

Значение т_ов, _п, найденное по формуле (3.27), прибавляют к значениям т_зап, определяемым по формулам (3.25) и (3.26).

Технологически необходимая продолжительность заполнения пресс-формы обеспечивается соответствующей скоростью переме-

3.3. Зависимость продолжительности заполнения пресс-формы магниевым сплавом 1^А1182пО,5МпО,4 от ее температуры (температура заливки 640°С)

Температура

Продолжительность заполнения, с, при толщине стенки отливки, мм

пресс-формы, °С	і	1,5	2	3	4	5
50	0,003	0,007	0,010	0,021	0,044	0,046
100	0,006	0,009	0,013	0,025	0,048	0,072
150	0,011	0,016	0,019	0,037	0,073	0,095
200	0,019	0,025	0,029	0,054	0,102	0,132

щения прессующего поршня (скоростью прессования) и_пр, которую определяют по следующей формуле:

и_Пр = 4Уотл/["£⁾пр Кап + Тсв. п)].    (3-28)

где У_отл — объем отливки с промывниками.

Для многогнездных пресс-форм при подсчете о_пр в формулу (3.28) подставляют суммарный объем всех отливок и промывников.

После окончания заполнения и до полного затвердевания отливки на металл, находящийся в полости формы, продолжает действовать давление. Этот процес называется подпрессовкой. В какой-то степени подпрессовка всегда имеет место при литье под давлением. Полное ее осуществление возможно только при создании благоприятных тепловых условий, обеспечивающих сохранение жидкотекучести металла в литниковых каналах и полости формы, особенно в наиболее тонких сечениях. Эффективность подпрессовки повышается при использовании машин с горизонтальной камерой прессования, имеющих более короткую литниковую систему и обеспечивающих наименьшие потери теплоты в ней по сравнению с машинами с вертикальной камерой прессования.

Практически теплота перегрева при литье под давлением отводится от заливаемого сплава в процессе заполнения, поэтому при обеспечении направленного затвердевания отливки продолжительность действия подпрессовки будет совпадать с продолжительностью затвердевания:

Яватв = о, 196 16_0Тлр_мг/[&ф (К — *ф)] }².    (3.29)

В формуле (3.29) под /_ф подразумевается средняя температура пресс-формы за период подпрессовки. Эффективность подпрессовки, подтверждаемая повышением твердости структурных составляющих сплава, зависит от толщины стенки отливки. Графические зависимости т_ватв — ф6_0ТЛ, построенные для различных сплавов по формуле (3.29), указывают на резкое снижение тех-нологичееки допустимой продолжительности затвердевания магниевых сплавов (рис. 3.38) по сравнению с алюминиевыми и цинковыми сплавами. Поэтому для изготовления отливки из магниевых сплавов требуются машины с высокой скоростью перемещения поршня и малоинерционным механизмом подпрес-совки.

Возможность эффективной под-прессовки определяется тепловыми условиями не только в полости пресс-формы, но и в литниковых каналах, главным образом в питателе, имеющем наиболее тонкое сечение. Температуру металла в питателе в момент начала действия под-прессовки можно принять равной температуре заливки. В этом случае продолжительность отвода теплоты перегрева

ПИТ    пит

т_пер и продолжительность затвердевания т_зат металла в питателе рассчитывают по формулам:

Тпер — 0,196 [(6_питС_мр_м)/&ф] [(^вал ~ ^лик)/(^лик ^пит)]²! (3.30)

С™ = 0,196 {(в_шир_мг)/[6ф (*кр - *пит)]}².    (3.31)

где ^пит — средняя температура стенок питателя в период под-прессовки, °С.

Значение ^пи_Т можно определить, зная температуру пресс-формы, из следующего уравнения:

^пит ⁼ ^вал ^пит/ботл (^вал    ^ф)-    (3.32)

Максимальный эффект от подпрессовки наблюдается в том случае, если технологически допустимое время обеспечения подпрессовки т_под, называемое также временем срабатывания под-прессовочного механизма, определяется неравенством

_    ^    („^пяш    I    «^Пйт

Т_под \Tnep ~т~ эат Т_8ат).

После подстановки

Тщ>д ^ вши» {*1 [(^аал ^лик)/(^вал    ^пит)1 } Н~

+    ~ ^пит)²1 - К2 ]6_0Тр/(^р - *ф)]²,    (3.33)

где Кг и Д₂ — коэффициенты, зависящие    от теплофизических

свойств сплава и пресс-формы (табл. 3.4).

При отсутствии перегрева металла

Тпод Да {[6цит/(^кр ^Пит)]² 1^отл/(^кр ^ф)]²} •    (3.34)

Сплав	к,	К,	і Сплав	Ki	К,
Цинковый Алюминиевый	0,015 0,012	550 1225	Магниевый Латунь	0,006 0,025	289 2300

Если значение т_под окажется отрицательным или равным нулю, то полное действие подпрессовки становится невозможным. Для таких тепловых условий следует прежде всего увеличить толщину питателя, а если это неосуществимо — повысить температуру пресс-формы и питателя.

Скорость впуска и скорость прессования при условии установившегося движения связаны между собой уравнением неразрывности потока. Средняя за период заполнения формы скорость впуска определяется выражением

Овп ⁼ УпрЕ пр//пит>    (3.35)

где F_Bр — площадь прессующего поршня.

Скорость и”п впуска в момент начала заполнения, пренебрегая потерями в камере прессования и литниковой системе, можно подсчитать, зная скорость п_хол холостого хода пресс-поршня:

^вп — ^холЕ_пр//пит-    (3.36)

Экспериментально значение vl_n можно определить по замеру (например, с помощью скоростной киносъемки) времени, затраченного впускной струей на преодоление расстояния от питателя до места удара. Экспериментальные данные показывают, что действительные значения г»вп отличаются от расчетных всего на 10—15%. Для тонкостенных отливок сложной конфигурации хорошие результаты дает приближенный метод расчета средней скорости впуска, разработанный П. П. Москвиным на основе опытных замеров [см. формулу (3.21)].

Определив среднее значение скорости впуска за период заполнения и зная диаметр камеры прессования, можно с помощью выражения (3.35) найти технологически необходимую среднюю скорость Ппр прессования за время <в_ваи:

= oSS [/пит/(лДпр/4)]-    (3.37)

По формуле (3.37) определяют технологически необходимую скорость холостого хода пресс-поршня и записывают ее в технологическую карту отливки. Давление в потоке металла зависит от характера движения: чем выше турбулентность и дисперсность потока, тем больше давление. При входе металла в полость формы после удара впускной струи о преграду возникает гидравлический подпор. Для определения давления в гидравлическом подпоре, образующемся при турбулентном и дисперсно-турбулентном движении в полости формы, сделаем предположение, что вся вытекающая масса металла остается в подпоре. В этом случае гидродинамическое давление р_под в подпоре рассчитывается по формуле

Рпод   Рм^пр \Р\рЩиЯ1ротл)] [1    (/пит/^отл)]»

где 1р_отл — площадь поперечного сечения отливки.

Расчеты по этой формуле подтверждаются экспериментальными данными. Например, на осциллограмме (рис. 3.39), записанной при заполнении спиральной пробы, видно, что по длине полости от точки 1 до точки 5 гидродинамическое давление металла значительно снижается от р₂ до р_ъ [89]. Точки перегиба на осциллограммах означают начало и окончание заполнения того или иного участка. В конце заполнения наблюдается резкое падение давления, фиксирующее процесс уплотнения отливки при подпрессовке.

Разность давлений металла в форме и камеры прессования значительна вследствие гидродинамических сопротивлений в литниковой системе. На осциллограмме (рис. 3.40) видно, что заполнение литниковой системы сопровождается снижением скорости и_пр перемещения пресо-поршня на 0,2 м/с и соответствующим повышением давления р_Пр в камере прессования на 20 МПа по сравнению с давлением Рф в форме. В конце заполнения формы зафиксирован пик давления, который происходит в момент внезапной остановки пресс-поршня в результате гидравлического удара в напорном трубопроводе механизма прессования. Пик давления приводит к резкому ухудшению качеетва отливок, образованию облоя, выбрызгиванию металла по разъему формы, а в некоторых случаях — к разрыву напорного трубопровода. Для уменьшения гидравлического удара под действием кинетической энергии, накопленной подвижными элементами пресс-поршня и жидкостью в трубопроводе, передаваемой в полость формы, наибольшее распространение наряду с другими конструктивными мероприятиями нашел способ торможения пресс-поршня в конце его движения. Всеми зарубежными и отечественными фирмами, изготовляющими машины литья под давлением, разработаны механизмы прессования, направленные на снижение гидравлического удара. Подробно это изложено в работах Б. Ф. Ноговицина, Н. Н. Белоусова, А. А. Крейцера, А. А. Мандрика и др.

Разработчики машин литья под давлением пытаются преодолеть нежелательные пики давления, например, путем уменьшения подводящих масс. Новый способ уменьшения динамических пиков основан на уменьшении кинетической энергии путем гидравлической амортизации удара в прессующем плунжере. Особенности системы, разработанной и внедренной фирмой ВйЫег (Швейцария) (рис. 3.41), заключается в том, что между поршнем и штоком плунжера находится жидкость, которая служит амортизатором и охлаждающей средой.

До момента заполнения формы металлом жидкость находится во внутренней полой части прессующего поршня в замкнутом объеме и движется вместе с ним (рис. 3.41, а). Как известно, в конце заполнения полости формы металлом при остановке плунжера

а)    5)

Рис. 3.41. Схема прессующего    плунжера    с демпфирующей    жидкостью    перед за

полнением (а) и после заполнения (б) формы металлом:

І — металл; 2 — демпфирующая    жидкость;    3 — прессующий    плунжер;    4    ~ камера

прессованна; б шток

Рис. 3.42. Осциллограммы пика давленая прк гидравлическом ударе, полученные при использовании традиционного (а) и нового (б) узлов пресс-плуншера

происходит гидравлический удар, сопровождающийся увеличением давления. На осциллограмме этот момент фиксируется пиком давления (рис. 3.42, а).

В предлагаемом устройстве в момент заполнения формы металлом происходит перетекание жидкости из полости прессующего плунжера (рис. 3.41, б). Жидкость выполняет роль демпфера между плунжером и штоком. При этом кинетическая энергия демпфируемой массы прессующего механизма сокращается, благодаря чему уменьшается величина пика давления (рис. 3.42, б). Шток прессующего поршня продолжает движение, при его остановке происходит некоторое повышение давления. Однако пики давления в этом случае значительно меньше, чем при использовании традиционного прессующего механизма, что обусловливает уменьшение или исчезновение облоя.

Питатели и вентиляционные каналы во многом определяют качество отливки. От площади поперечного сечения питателя зависит скорость впускного потока, а от его толщины — характер заполнения пресс-формы. Удельный расход металла в питателе равен отношению объема У_отл отливки с промывниками ко времени заполнения т_аап или же произведению скорости впуска потока и_вп на поперечное сечение питателя /_пит в самом узком месте. Поэтому можно записать

УотлЛ'вап ⁼ ^вп/пит-    (3.39)

Заменяя    объем    через массу т_отл отливки с учетом    т_пр    массы

промывников    и    плотность р_м сплава, получим формулу    для рас

чета площади /пи,,:

/пит ⁼ (Щот ~Ь ^пром)/(Рм^вп^аап)•    (3.40)

Расчет площади поперечного сечения питателя основан на подстановке в формулу (3.40) значений и_вп из формулы (3.21) и значений т_зап из формул (3.25) и (3.26).

В практике работы некоторых заводов расчет питателей основан на обобщении производственного опыта:

/пит ⁼ (^отл “Ь ^пром)/(^(Рм)>    (3-41)

где К — коэффициент, заменяющий произведение скорости впуска на время заполнения, которое для отливок массой до 0,5 кг и со стенками толщиной до 5 мм считают постоянным (табл. 3.5).

4 Заказ 66

3.5. Зависимость коэффициента К от конфигурации отливки и типа сплава

Конфигурация отливки	К для сплава
	цинкового	алюминие вого	магниевого	медного
Простая	2,16	6,09	7,32	1,89
Сложная	1,87	5,25	6,05	1,63
Очень сложная	1,57	4,41	4,78	1,37

З.в. Зависимость коэффициента К от толщины стенки отливки, давления металла а камере прессования к типа сплава

Рпр» МПа		К для	сплава
	цинкового	алюминиевого	магниевого	медного
20—40 40—60 60—80 80—100 Св. 100	3,37/2,70 1,69/1,35 1,35/1,05 1,02/0,82 0,68/0,54	3,04/2,43 1,52/1,21 1,21/0,97 0,91/0,73 0,61/0,49	2,70/2,16 1,35/1,10 1,10/0,86 0,80/0,65 0,54/0,43	3,00/2,40 1,50/1,20 1,20/0,96 0,90/0,72 0,60/0,48

Примечание. В числителе — значение К для 6_0ТЛ = 1ч-4 мм, в знаменателе — для 6_0ТЛ — 4-=-8 мм.

Иногда при существующем парке машин литья под давлением значения коэффициента * выбирают в зависимости от толщины стенки отливки б_отл и давления металла р_пр в камере прессований (табл. 3.6).

Дальнейшее развитие метода коэффициентов основано на выборе значения средней скорости впускного потока, за которую принята скорость 15 м/с при продолжительности заполнения 0,06 с. Скорость впуска

г»_вп = .15 *_х*₂,    (3.42)

где Кг и *₂ — коэффициенты, учитывающие соответственно конфигурацию отливки и давление металла.

Продолжительность заполнения пресс-формы можно представить в виде произведения среднего времени ее заполнения (0,06 с) на коэффициенты *₃ ^и *4. учитывающие соответственно вид сплава и среднюю толщину стенки отливки:

Твап = 0,06*3*4-    (3-43)

Подставив    значения и_вп и т_8ап в формулу    (3.40), получим

/пит ⁼⁼    1»11 (ТЛотл “Ь ^пром)/(*1*2*8*4рм)•    (3.44)

Ниже приведены значения коэффициентов К_г, Кг, К_а и К±, полученные на основе экспериментальных и статистических исследований для отливок объемом до 1000 см⁸.

Ткп отливки

Ах	Давлеиие, МПа	Кг
0,75	До 20.......	2,50
1,00	20—40 .......	2,00
1,50	40—60 .......	1,75
	60—80 .......	1,50
2,00	80—100.......	1,25
	Св. 100.......	1,00
К3	Средняя толщина
	стеики, мм	Кг
1,10	До 1 .......	0,50
1,00	1—2........	0,75
0,90	2—4........	1,00
0,85	4—6........	1,15
0,75	6—9........	1,30
0,50	Св. 9 .......	1,50
пресс-	■формы и овп, можно.	, ИС-

Зная /дит для одного гне пользуя уравнение неразрывности, провести поверочный расчет скорости прессования:

^пр ⁼⁼ ^вп

[4/_шт/№р)].    (3.45)

Для многогнездных пресс-форм находят суммарную площадь сечений всех питателей, и если скорость пресования превышает допустимую, то увеличивают диаметр камеры прессования. Для определения площади поперечного сечения питателя можно пользоваться номограммами [881.

- На рис. 3.43 представлена номограмма для определения /ди_Т при заливке алюминиевых и магниевых сплавов в зависимости от толщины стенки отливки б_отл, ее массы т_отл, а также от скорости впуска и_вп.

Основные принципы термодинамического расчета вентиляционного режима формы разработаны А. И, Вейником. В основу расчета положено условие, что суммарная площадь поперечного сечения вентиляционных каналов должна обеспечивать удаление газов из формы при заданной величине противодавления [70]. Термодинамический расчет вентиляционных каналов ведется при допущении, что пресс-форма заполнена каким-либо одним газом, в данном случае таким однородным газом является воздух.

Суммарная площадь ^f_B вентиляционных каналов при условии пренебрежения трением определяется из уравнения неразрывности:

Яг = GrPr^B S /в = ^ИГ Е /в/Vr = const, где q_r — максимальный секундный расход газа через вентиляционные каналы; С_г — вес газа; рг — плотность газа; — скорость истечения газа через вентиляционные каналы; V_F — объем газов.

4*    99