Давление действует на металл не только в процессе заполнения, но и после окончания движения, переходя из гидродинамического в статическое давление подпрессовки.
Давление рабочей жидкости
Литье под давлением сопровождается значительными усилиями прессования. Машины для литья имеют мощные насосы и аккумуляторы, которые создают постоянное давление жидкости в гидравлической сети, достигающее в некоторых машинах 15 Мн/м2 (150 кГ/см2). Мультиплицированное давление в полости прессового цилиндра в процессе подпрессовки может возрастать до 40Мн/м2 (700 кГ/см2).
Давление жидкости через поршень прессового цилиндра, жестко связанный с прессующим поршнем-пуансоном, действует на расплавленный металл.
В настоящее время в практике литья применяются самые различные величины давления в зависимости от конфигурации отливки и применяемого сплава.
Например, машина 516M при диаметре камеры прессования 40 мм может обеспечивать давление на металл 320 Мн/м2 (3200 кГ/см2).
Увеличение давления в большинстве случаев является положительным фактором при окончательном оформлении отливки.
В целях повышения давления на машинах устанавливают камеры прессования малого диаметра. Например, на Горьковском автомобильном заводе на машине Полак 2255 применена камера диаметром 80 мм. На машинах Рид-Прентис 1½G и 515 на некоторых заводах используются камеры прессования диаметром 30 мм.
Иногда при уменьшении диаметра камеры прессования наблюдается резкое ухудшение качества отливок, дающее повод литейщикам считать, что увеличение давления отрицательно сказывается на процессе заполнения. В действительности, как отмечает П. П. Москвин, при переходе к камерам прессования малых диаметров качество отливок ухудшается не из-за увеличения давления, а вследствие уменьшения скорости впуска металла в форму.
Давление на металл в процессе литья можно разделить на гидродинамическое, действующее в движущемся потоке при заполнении формы, и гидростатическое, действующее на затвердевающий металл по окончании заполнения.
При литье деталей сложной конфигурации стойкими стенками, а также при литье крупногабаритных деталей с большой протяженностью стенок для получения четких контуров и чистой поверхности требуется довольно высокое гидродинамическое давление, которое при высоких скоростях потока действует как заполняющее и уплотняющее давление. Фаза статического давления для таких отливок практически отсутствует, так как по окончании заполнения литниковая система затвердевает и питание отливки прекращается.
 |
Если толщины стенок отливки и питателя достаточно велики, то возможна передача гидростатического давления на затвердевающий металл в полости формы. Процесс передачи гидростатического давления в форму принято называть подпрессовкой. Подпрессовка возможна и в тонкостенных отливках, если толщина питателя незначительно отличается от толщины стенки. В условиях заполнения сплошным потоком через питатель, сечение которого равно сечеиию отливки, зависимость давления на металл от времени подобна изменению давления рабочей жидкости в полости прессового цилиндра (рис. 66). Рис. 66. Изменение давления жидкости в полости цилиндра за время прямого хода прессующего поршня |
В течение времени τ1 поршень перемещается до соприкосновения с расплавленным металлом в камере прессования. Значение р1 соответствует давлению, возникающему вслествие трения в гидравлической системе.
В период τ2 металл поднимается в камере прессования, заполняя ее по всему периметру и перемещаясь к литниковой системе. В машинах с вертикальной камерой в этот период металл заполняет конический литниковый. Значение p2 превышает давление р1 на величину сопротивлений в камере прессования. В машинах с горизонтальной камерой, имеющих двухступенчатый механизм прессования, рост давления р2 связан с противодавлением в штоковой полости.
За период τ3 осуществляется заполнение литниковой системы и формы. Давление р3 повышается вследствие преодоления гидродинамических сопротивлений движению металла и противодавления воздуха. При вакуумировании воздух отсасывается из камеры прессования через литниковую систему и форму. Соответственно значения давлений р2 и р3 уменьшаются (см. штриховую кривую на рис. 66).
Пиковое давление р4 отражает величину гидравлического удара, возникающего из-за инерционных сил в момент остановки прессового поршня. Величина пикового давления зависит от скорости движения прессующего поршня.
На рис. 67 приведены осциллограммы, полученные Д. Р. Акивисом на Минском мотовелозаводе для отливки головки цилиндра мотоциклетного двигателя при различных скоростях прессования, определяемых по скорости холостого хода. На осциллограммах верхние кривые показывают изменение скорости прессующего поршня от начала его движения до окончания заполнения формы, а нижние кривые показывают изменение давления жидкости в полости цилиндра прессования. При скорости холостого хода 0,35 м/сек (осциллограмма рис. 67, a) гидравлический удар отсутствует. С увеличением скорости до 0,55 м/сек (осциллограмма рис. 67, б) наблюдается небольшое пиковое давление. При скорости хода поршня 0,8 м/сек гидравлический удар возрастает—превышение пикового давления (рис. 67, в) над постоянным давлением в аккумуляторе (6,5 Мн/м2 [65 кГ/см2]) достигает 1,2—1,5 Мн/м2 (12—15 кГ/см2).
 |
Рис. 67. Нарастание гидравлического удара при повышении скорости прессования |
На величину гидравлического удара влияет также конфигурация отливки (гидродинамическое сопротивление литниковой системы и формы).
Например, при одной и той же скорости прессования 0,8 м/сек для толстостенной отливки простой конфигурации, заполняемой по принципу минимального трения, превышение пикового давления достигает 2—2,5 Мн/м2 (20—25 кГ/см2) (осциллограмма рис. 68, б), в то время как для тонкостенной отливки сложной конфигурации пиковое давление составляет 0,4—0,5 Мн/м2 (4— 5 кГ/см2) (осциллограмма рис. 68, в).
При холостом ходе поршня без заливки формы металлом (осциллограмма рис. 68, a) давление гидравлического удара почти в 2 раза превышает давление в аккумуляторе.
 |
Рис. 68. Изменение давления гидравлического удара в зависимости от гидродинамических сопротивлений в литниковой системе и форме: а — холостой удар поршня; б — заполнение по принципу минимального трения; в — заполнение по принципу максимального трения |
Повышение давления рабочей жидкости при упругом гидравлическом ударе определяется формулой Жуковского:
(53)
где аж — скорость распространения ударной волны в жидкости в м/сек.
Для гидравлического удара в полости цилиндра прессования величина аж подсчитывается по формуле
(54)
где Еж — модуль упругости рабочей жидкости, для масла Еж = = 1400 Мн/м2 (1,4·108 кГ/м2); Dц — внутренний диаметр прессового цилиндра в м; δц — толщина стенки цилиндра в м; Ец — модуль упругости материала, из которого сделан цилиндр, для стали равный 2·105 Мн/м2 (2·1010 кГ/м2).
Определим величину повышения давления Δpг.у при гидравлическом ударе в цилиндре прессования Dц = 200 мм с толщиной стенки δц = 20 мм, если скорость прессования υпр = υж = 0,8 м/сек (в качестве рабочей жидкости используется веретенное масло с удельным весом γж = 8700 н/м3 (870 кГ/м3).
Скорость распространения ударной полны в цилиндре
Подставляя значения аж и другие числовые значения в формулу (53), определим величину повышения давления гидравлического удара в полости цилиндра прессования:
Гидравлический удар в трубе, подводящей жидкость от аккумулятора в цилиндр прессования, намного превышает значение Δрг.у для полости цилиндра.
Скорость распространения ударной волны в трубопроводе Л. И. Неверов предлагает определять по формуле, предложенной Д. В. Рогозкиным:
где Етр — модуль упругости стали, из которой изготовлен трубопровод, Етр = 2,1·105 Мн/м2 (2,1·106 кГ/см2); μ — коэффициент Пуассона, равный для стали 0,3; r и r0 — наружный и внутренний радиусы трубы в м.
Для трубы диаметром 30 мм (r0 = 15 мм) с толщиной стенки 5 мм (r = 20 мм) значение аmр, подсчитанное по данной формуле, составляет 1130 м/сек.
Повышение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе Δp'г.у определяем но формуле (53), в которой скорость жидкости заменяем через скорость прессования, при этом используем уравнение непрерывности расхода:
После затухания гидравлического удара в полости прессового цилиндра устанавливается статическое давление p5 (см. рис. 66). Если оно передается через жидкий металл в полость формы, то происходит подпрессовка отливки.
Для измерения давления рабочей жидкости в цилиндре прессования рекомендуется устанавливать тензометрические или индукционные датчики давления, передающие электрический сигнал на осциллограф или на ленточный самопишущий прибор, как, например, на машине Триульци 2200, установленной на Заволжском моторном заводе. Необходимо учитывать, что в результате большой инерционности самопишущего прибора изменение давления во времени искажается. Такими записями давления можно пользоваться только для качественного анализа процесса.
Для точной фиксации времени достижения давления на каждом этапе прессования наряду с осциллографическими записями рекомендуется применять фотографирование электронного следа на экране осциллоскопа.
По графику изменения давления можно устанавливать причины изменения качества отливок.
Повышение давления p2 при движении поршня в камере прессования до величины р'2 (рис. 69, a) по сравнению с исходным графиком, обеспечивающим качественное заполнение отливки, указывает на наличие дополнительного трения в системе. Трение может быть вызвано заеданием прессующего поршня или отсутствием смазки в камере прессования. Увеличение давления р2 отражается на увеличении давления в процессе заполнения формы р3. При этом разность между величинами давлений останется постоянной
р'2 — p2 = р3 — р3
Увеличение давления р3, снижающее скорость прессования при заполнении формы, может привести к таким дефектам отливки, как «недоливы» или нечеткое оформление острых кромок, резьбы и пр.
Повышение расхода рабочей жидкости, а следовательно, и скорости прессования при открытии дроссельного вентиля машины вызывает рост давления р3 до величины р"3 (рис. 69, б) и р4 до р"4 с одновременным уменьшением времени заполнения камеры прессования от τ2 до τ"2 и времени заполнения литниковых каналов и формы от τ3 до τ"3. Пиковое давление гидравлического удара также повышается от величины р4 до p"4.
 |
Рис. 69. Влияние технологических факторов на отклонение графической зависимости «давление рабочей жидкости в полости цилиндра — время» от исходного графика, зафиксированного при наилучшем качестве отливки: а — увеличение давления заполнения при заедании прессующего поршня и камере прессования; б — увеличение давления заполнения и гидравлического удара при повышении скорости прессования |
