Определение критической скорости впуска
В момент удара струи расплавленного металла о неподвижную стенку формы поток деформируется и изменяет направление движения.
Если толщина h струи значительно меньше толщины H отливки (рис. 23), то заполнение начинается от места удара, после растекания струи до боковых стенок формы.
 |
С некоторым допущением можно считать, что скорость струи в момент удара равна скорости впуска υ, так как скорость прессования в начальный период заполнения на многих машинах постоянна. Допустим также, что при ударе струи нет потерь энергии, струя не деформируется и, следовательно, скорость вновь образовавшихся потоков равна скорости впуска. Рис. 23.Образование ламинарного пристеночного потока |
Для осуществления ламинарного заполнения форм движение потока после удара также должно быть ламинарным.
Характер движения потока определяется критерием Рейнольдca, который для движения потока металла вдоль стенки, по аналогии с движением воды в свободном русле, равен
(8)
где v—кинематическая вязкость металла в м2/сек; Rгидр — гидравлический радиус в м, равный отношению смоченной поверхности Fсм к смоченному периметру Псм.
Так как Fсм = Bl (здесь В — ширина отливки), а Псм = В, то гидравлический радиус становится переменной величиной Rгидр = l.
Особо интересен критический случай сохранения ламинарности движения в пристеночном потоке, который пройдет максимальное расстояние
После подстановки этого значения Rгидрв формулу критерия Re (8) и выделения из нее υ найдем выражение для определения критической скорости впуска при ламинарном заполнении υкр(л):
(9)
Критерий Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции к силам вязкостного трения. Нижнее критическое значение числа Re, при котором нарушается устойчивое ламинарное течение и начинается переход к турбулентному течению равно 2300.
Верхняя граница критического числа Re при движении металла в гладких каналах может достигать 10 000—12 000. Исследования Г. Биркгофа доказывают возможность сохранения ламинарности при значениях числа Re=75000.
На рис. 24,a представлена зависимость критической скорости υкр(л) от вязкости v для отливки толщиной H = 4 мм, при толщине питателя h = 3 мм при Re2 = 2000 (прямая 1) и Re2 = 10000 (прямая 2).
Для построения графиков (рис. 24,б и в) формула (9) представлена в виде, более удобном для анализа
 |
Рис. 24. Зависимость критической скорости от вязкости
(а) и отношении толщины питателя к толщине отливки для сплавов в жидком
(б) и кашеобразном (в) состоянии: |
С увеличением толщины отливки H значения критических скоростей уменьшаются — появляется возможность турбулентного возмущения потока. Добиться ламинарного заполнения и удаления воздуха из толстостенных отливок (H > 8 мм) практически очень трудно.
Из семейства кривых, приведенных на рис. 24,б и в, видно, что крутизна их резко возрастает в определенных диапазонах отношения h/H. Построение данных зависимостей определяет практические дияпазоны отношения толщины питателя к толщине отливки: для жидких сплавов (А)h/H=3/4÷1; для кашеобразных сплавов (A')h/H=1/2÷7/8.
Значения критических скоростей впуска, определяющие ламинарный характер заполнения, могут изменяться от 0,5—1,0 м/сек при заливке жидким сплавом и h/H=1/2÷3/4 и до 10—15 м/сек при заливке кашеобразным сплавом и h/H=3/4÷7/8.
Увеличение скорости впуска повышает кинетическую энергию потока и, как следствие, четкость оформления и чистоту поверхности отливок.
Ламинарное заполнение полости формы сложной конфинурации
Полости форм сложной конфигурации заполняются распространяющимся по сечению ламинарным потоком (рис. 25). Скорость потока υпот в основном теле отливки толщиной H определяется из уравнения неразрывности
 |
υпотHB = υhB, где υ — скорость впуска (υ<υлр(л)); В — ширина отливки и питателя;
Рис. 25. Нарушение ламинарности на входных участках отливки сложной конфигурации |
Скорость потока в поперечных ребрах отливки υ'nom меняется от величины
υ'пот = υ h/H при заполнении первого ребра до
υ'пот при заполнении трех ребер.
При входе расплавленного металла
в сечения поперечных ребер ламинарность потока нарушается и в первый момент
скорость одинакова по всему сечению. По мере продвижения пристеночные слои
затормаживаются и эпюра скоростей вытягивается. Длина входного участка l
определяется эмпирической формулой Шиллера:
l= 0,02875dRe', (10)
где d — характерный размер канала, равный 4Rгидр> т. е. для плоского канала толщиной Н'
Подставляя в формулу (10) значения критерия Re', получим для первого ребра
откуда
для второго ребра
откуда
для третьего ребра
откуда
В общем виде для отливки, имеющей n ребер одинаковой толщины Н', длина входного участка ln определяется по формуле:
Например, для отливки, имеющей 10 ребер толщиной H' = = 2 мм, заливаемой через питатель толщиной h = 2 мм кашеобразным алюминиевым сплавом (υ = 2,23·10-6 м2/сек) со скоростью впуска υ = 1 м/сек длина входного участка l1 будет равна
а входной участок на десятом ребре уменьшится в десять pаз l10=21 мм.
Расчеты показывают, что в отливках сложной конфигурации возможно нарушение ламинарного заполнения на большой протяженности поперечных стенок, приводящее к захвату воздуха из полости формы. Поэтому нужно обращать особое внимание на вентиляцию ребер, особенно тех из них, которые расположены вблизи места удара струи о стенку.
При ламинарном заполнении отливок, имеющих утолщенные сечения, возникает усадочная пористость.
Исследования А. Б. Зуева, проведенные на Минском мотовелозаводе, показали, что при заливке кашеобразным сплавом через питатель толщиной, почти равной толщине стенки отливки, можно значительно повысить плотность изделий.
На рис. 26 представлены зависимости плотности ϱ образцов из сплава АЛ10В. вырезанных из утолщенного места отливки (размер сечения 15 мм), от давления p на металл, скорости впуска υ и температуры заливки tpfk.
 |
Повышение плотности на графиках соответствует снижению усадочной пористости в отливках. Пористость снижается при уменьшении скорости впуска и температуры заливки. Рис. 26. Изменение плотности отливок в зависимости от давления {a), скорости впуска (б) и температуры заливки (в) |
