Давление в потоке металла зависит от характера заполнения. Изменение давления в сплошном потоке в общем виде определяется формулой (26). Для алюминиевых сплавов падение давления на пути l можно подсчитать по формуле (29).
Формулы (26) и (29) справедливы при заполнении формы напорным потоком (потоком, ограниченным со всех сторон жесткими стенками).
Если принять температуру потока постоянной (если не учитывать изменения вязкости металла), то изменение давления от какой-то величины р0 до p1 на участке пути l будет
(55)
где υотл — средняя по сечению скорость движения сплошного напорного потока.
В турбулентном потоке изменение давления пропорционально квадрату скорости. В первом разделе данной главы выведена формула для определения падения давления при движении турбулентного потока в гладком канале:
(56)
где К — коэффициент, зависящий от сплава (для алюминиевых сплавов К = 0,0442).
В турбулентном потоке давление в зоне подпора, принимая его равномерным по всему сечению отливки, можно определить с помощью методики Л. Фроммера.
Если предположить, что вся втекающая жидкость остается в подпоре, то струя, имеющая сечение ƒ и скорость υ, создаст в подпоре силу P, которая равна силе давления потока на стенку формы и направлена против движения струи.
Для симметричного растекания потока эта сила определяется из уравнения импульсов:
Для прямоугольной отливки можно считать, что ƒ1=Fотл, υ1=υотл=υ ƒ/Fотл, а cos α=1.
Следовательно, среднее гидродинамическое давление p по сечению подпора Fотл составит
где υ — скорость впуска металла в форму, которая может быть выражена через скорость прессования.
Подставляя значение скорости впуска υ в предыдущее выражение, получим
Расчеты показывают, что это давление составляет небольшую величину.
Например, для отливки из цинкового сплава ЦАМ 4-3, γ'м = 70000 н/м3 (7000 кГ/м3), сечением Fотл = 10 см2 при площади питателя ƒ = 2,5 см2, заливаемой со скоростью прессования υ = 0,5 м/сек (Fпр = 0,785, D2пр = 0,785·62 = 28,3 см2), среднее гидродинамическое давление
Величина давления в форме соответствует величине гидродинамических сопротивлений, которые для ламинарного и турбулентного потоков в прямом плоском канале определяются выражениями (55) и (56).
По данным Чжу-Сэнь-Юаня, который определял давление на металл в камере прессования и в форме с помощью осцилло-графирования, давление в полости формы фиксируется только с момента окончания заполнения.
На рис. 70 представлены кривые изменения давления рпр в камере прессования и рф в форме при первоначальной величине скорости прессования υпр=0,52 м/сек.
 |
Заполнение литниковой системы сопровождается резким падением скорости прессования до 0,35 м/сек и соответствующим повышением давления в камере прессования, так как заливка проводилась на машине с вертикальной камерой. Рис. 70. Изменение скорости прессования υnp, давления в камере прессования рnр и давления в форме рф по данным Чжу-Сэнь-Юаня (кривые построены по осциллограмме) |
Заполнение формы происходит при постоянной скорости впуска и постоянном давлении. Этот период составляет примерно ⅔ от всего времени заполнения. Давление в форме настолько мало, что не ощущается тензометрическим датчиком. Исследования, проведенные M. Ф. Макельским, также подтверждают, что стенки формы начинают воспринимать давление только к окончанию заполнения.
В момент окончания заполнения как в камере прессования, так и в форме наблюдается пиковое повышение давления в результате гидравлического удара, которое достигает 8—10 Мн/м2 (80—100 кГ/см2) в камере прессования, 4—5 Мн/м2 (40— 50 кГ/см2) в форме.
Повышение давления в жидком металле определяется формулой Жуковского, применяемой для непрямого гидравлического удара.
Непрямой удар в трубопроводах наблюдается при короткой длине трубы или при медленном перекрытии потока:
где τ—время перекрытия потока; l — длина трубы.
В условиях литья под давлением время перекрытия потока соответствует времени изменения скорости прессования от конечной величины υ"пр до 0. Это время составляет около 0,001 сек.
Соответственно формула для определения повышения давления в форме принимает вид
(57)
где γ'м — удельный вес жидкого металла; υф — скорость движения металла в форме, определяемая по скорости прессования υ"пр.
lф — длина полости формы; ам — скорость распространения ударной волны в жидком металле.
Из формулы (54) для определения скорости распространения ударной волны в жидкости при δц = ∞ (если считать стенки формы неупругими) можно записать
Например, для алюминиевых сплавов, принимая Е'м = 7·1010 н/м2 (0,7·106 кГ/см2),
Если принять длину полости формы 1ф = 0,2 м, скорость потока в форме в момент окончания заполнения υф = 5 м/сек, то по формуле (57) можно определить пиковое повышение давления в форме при гидравлическом ударе, которое для жидкого сплава достигает значительной величины:
В действительности при окончании заполнения сплав находится в затвердевающем состоянии и меньшему значению модуля упругости соответствует меньшая скорость распространения ударной волны.
Исследование процесса формирования литых заготовок, проведенное H. H. Белоусовым и Л. И. Неверовым, показывает, что кинетика затвердевания сплава (соотношение в нем твердой и жидкой фаз) существенно влияет на величину давления. Соответственно при заливке цинковых сплавов пиковые давления в форме оказываются больше, чем при заполнении алюминиевыми сплавами.
Ряд исследователей считают гидравлический удар положительным явлением, отождествляя его с уплотняющей подпрессовкой.
Действительно, пиковое давление непрямого гидравлического удара может непосредственно перейти в статическое давление на металл.
Если же при гидравлическом ударе наблюдаются колебания давления, то металл в форме будет попеременно сжиматься и освобождаться от давления.
Г. Ходгсон указывает, что при падении давления газы, заключенные в отливке, расширяются и прорывают перегородки между отдельными порами, создавая уже не локальную, а сплошную пористость, которая резко снижает герметичность и прочность изделий.
Измерение усилий, действующих на прессующий поршень в процессе заполнения образцов различной конфигурации из цинкового сплава, было выполнено группой японских исследователей на машине с вертикальной камерой прессования. Температура заливки сплава держалась около 420±5°С, а температура формы 120±5°С.
На рис. 71, a показана прессформа для изготовления трех образцов А, Б и Ву которые заливались или вместе, или последовательно.
На рис. 71, б представлено изменение усилия в камере прессования при совместном заполнении образцов А, Б и В. Через 0,002 сек после начала заполнения металл одновременно поступает в узкие питатели и усилие повышается до Р1.
 |
Рис.71. Изменение усилия прессования р в камере машины при заливке образцов: а-форма для изготовления трёх образцов; б-графическая зависимость «усилие-время» при совместном заполнении образцов А, Б, В |
Значительное повышение давления объясняется высоким гидродинамическим сопротивлением литниковой системы и формы. Повышение усилий Р2, Р3 и P4 соответствует окончанию заполнения образцов В, А и Б, имеющих различные объемы: VВ< VА < VБ.
Время τ1 соответствует окончанию заполнения образца В, τ2— образца А и τ3 — образца Б.
При последовательном заполнении образцов скорость прессования и время заполнения остаются прежними, а скорость впуска увеличивается в 3 раза, достигая 80—120 м/сек. Соответственно резко возрастают пиковые усилия Р1 в момент входа металла в питатель, а также усилия Р2 и Р3, отмечающие гидравлический удар в конце заполнения формы.
Совершенно иной характер изменения усилия в камере прессования наблюдается при заполнении образцов (рис 72, a) с меньшим гидродинамическим сопротивлением в литниковой системе и с постоянным нарастанием сопротивлений в полости формы.
Усилие прессования (рис. 72, б) увеличивается,достигая величины Р1 при прохождении металла через питатели, и продолжает повышаться по мере заполнения. Усилие Р2 и время τ1 соответствуют окончанию заполнения образца В1; P3 и τ2 — образца Б1; Р4 и τ3 — образца А1.
Гидравлический удар в литниковой системе полностью отсутствует. Он в конце заполнения всех трех образцов определяется повышением усилия до величины Р4. После затухания гидравлического удара на металл передается статическое усилие прессования P5.
 |
Рис.72. Изменение усилия прессования Р в камере при заливке образцов с малым гидродинамическим сопротивлением в литниковой системе: а-форма для изготовления образцов; б-графическая зависимость «усилие-время» при совместном заполнении образцов А1, Б1, В1 |
