Подпрессовка

При изготовлении толстостенных отливок несложной конфигурации идеальными условиями литья под давлением можно считать создание направленного сплошного заполнения с наименьшим захватом воздуха и с последующей передачей статического давления для уплотнения металла и ликвидации усадочной пористости во время затвердевания отливки.

Подпрессовку легче осуществить на машинах с горизонтальной камерой прессования, имеющих более короткий путь металла в литниковой системе.

Высокое конечное давление изменяет кристаллическую структуру металла, ликвидирует усадочную пористость и снимает пузырьки газов в порах. Однако давление подпрессовки не может ликвидировать воздушно-газовую пористость, которая будет проявляться при нагреве отливок в процессе термообработки.

Величина конечного статического давления подпрессовки может быть различной. Однако существует практическое ограничение величины давления подпрессовки, зависящее от конструкции машины.

Основным ограничивающим фактором является недостаточное запирающее усилие машины.

В связи с этим большое значение имеет определение момента увеличения давления на металл в форме. Если подпрессовка начинается слишком рано и усилие подпрессовки превышает запирающее усилие, то жидкий металл выплескивается по плоскости разъема и эффект повышения давления пропадает.

Гораздо чаще подпрессовка начинает действовать слишком поздно, когда поверхностные слои отливки уже затвердели. В этом случае подпрессовка не может повлиять на качество оформления наружных поверхностей отливки.

Наиболее выгодным моментом включения подпрессовки следует считать начало затвердевания металла у стенок формы.

Подпрессовка осуществляется как без увеличения конечного статического давления, так и с увеличением давления в конце заполнения.

Подпрессовку без увеличения давления можно получить на машине любой конструкции при условии сохранения жидкотекучести металла в литниковой системе и форме. Усилие подпрессовки в данном случае равняется расчетному усилию прессования.

Для передачи давления подпрессовки в утолщенные места отливки И. И. Прохоров предложил использовать питатели переменного сечения (рис. 73). В таких питателях тонкая часть 1 затвердевает, а по каналам увеличенного сечения 2 продолжает проходить расплавленный металл, питающий массивные бобышки 3. Использование питателей, переменного сечения на Заволжском моторном заводе позволило значительно повысить эффект подпрессовки при изготовлении крупногабаритных отливок.

В зависимости от условий передачи давления на затвердевающий металл можно классифицировать подпрессовку на три вида. Рис.73.  Питатель переменного ceчения для питания утолщенных бобышек отливки

Первый вид подпрессовки осуществляется при заполнении формы по принципу минимального трения через толстый питатель. Небольшая скорость потока обеспечивает сплошное заполнение, а при заливке кашеобразным сплавом — даже сплошное ламинарное заполнение без захвата воздуха и газов, выделяющихся при испарении смазки. В то же время небольшая скорость потока препятствует четкому оформлению поверхности отливки.

В данном случае подпрессовка направлена на повышение чистоты поверхности и ликвидацию усадочной пористости. Сочетание принципа минимального трения и подпрессовки дает возможность использовать литье под давлением для получения плотных толстостенных (5—8 мм) отливок простой и не очень сложной конфигурации, не имеющих воздушно-газовой и усадочной пористости. Такие отливки можно изготовлять из высокопрочных термообрабатываемых сплавов. При повышении температуры стенок формы можно осуществить подпрессовку для отливок сложной конфигурации толщиной 3—5 мм.

Второй вид подпрессовки широко применяется для изготовления отливок с неравномерной толщиной стенки. В момент заполнения, которое может проходить при различных скоростях потока, металл в тонких сечениях отливки затвердевает. Для передачи подпрессовочного усилия в утолщенные сечения необходимо в литниковой системе и форме сохранить каналы, в которых металл будет оставаться жидким.

Возможность подпрессовки должна в первую очередь учитываться конструктором детали. На рис. 74 показаны три варианта конструирования корпусной детали, имеющей утолщенные сечения в крепежных бобышках 2, значительно превышающие среднюю толщину стенки.

В первом случае (рис. 74, a) подпрессовочное давление не будет передаваться в массивные узлы даже при толщине питателя 1, равной толщине стенки отливки. В бобышках возникает усадочная пористость. При заполнении формы с высокой скоростью потока в бобышках образуется крупная воздушно-газовая пористость.

Введение в конструкцию детали поперечной перегородки 3 (рис. 74, б) дает возможность частичной подпрессовки через дополнительные ответвления питателя 4.

Наилучшие условия подпрессовки осуществляются при создании сплошных перегородок 5 (рис. 74, в), питание которых жидким металлом в процессе затвердевания продолжается по утолщенным каналам 6 питателя (метод И. И. Прохорова).

Рис. 74. Конструирование литой детали с учетом передачи давления подпрессовки в утолщенные сечения

Третий вид подпрессовки применяется при литье различных по конфигурации деталей с различной толщиной стенки, заполняемых высокотурбулентным или дисперсным потоком по принципу максимального трения. Усилие подпрессовки должно передаваться в форму с некоторым опережением (на 0,001—0,002 сек) момента окончания заполнения.

Основная цель третьего вида подпрессовки — сжатие воздушно-газовых включений во всех сечениях отливки. Уменьшение размеров пористости повышает герметичность и прочность деталей. Однако такие детали не следует подвергать высокотемпературной термообработке, которая вызовет вздутие поверхности. Детали, содержащие мелко раздробленные сжатые воздушно-газовые включения, не рекомендуется полировать, так как нагрев при полировке также может вызвать появление местных вздутий на поверхности.

Уменьшение объема в процессе подпрессовки можно подсчитать по уравнению (14), выведенному с учетом изменения модуля упругости двухфазной смеси жидкого металла и газовых пузырьков:

После замены веса газа G_г через удельный вес γ_г и объем

G_г = γ_гV_г(0) = γ_гnV_отл,

данное уравнение можно представить в следующем виде:

                          (58)

где p — давление в полости формы; р₀ — атмосферное давление (при вакуумировании остаточное давление в полости формы); Е'_м —модуль упругости расплавленного металла;
γ_г — удельный вес газов при температуре  расплавленного металла; R — газовая постоянная, для воздуха равная  29,3 дж/н°С (29,3 кГм/кГС); T — абсолютная температура расплавленного металла и газов в форме.

Ниже приведены значения изменения объема по отношению к объему отливки ΔV/V_отл, подсчитанные по уравнению (58), при некоторых значениях давления р. В расчете приняты γ_г = 4 н/м3 (0,4 кГ/м3), T = 273 + 600°С; р₀ = 0,1 Мн/м2 (1 кГ/см2); Е'_м = 7000 Мн/м2 (0,7·10⁶ кг/см2) (для алюминиевых сплавов) и n = 1, т. е. объем газов, заключенных в отливке, равен объему полости формы.

Необходимо учитывать, что уравнение (58) выведено при условии постоянства температуры жидкого металла и газов в форме. Снижение температуры, сопровождающееся усадкой металла, вызывает дополнительное уменьшение объема.

Анализ уравнения (58) показывает, что при малых значениях давления p в форме от 0,1 до 10 Мн/м2 (от 1 до 100 кГ/см2) второе слагаемое уравнения представляет очень малую величину, которой можно пренебречь.

Таким образом, для определения изменения объема двухфазной смеси металла и газов до начала осуществления подпрессовки (при малых значениях давления p) уравнение (58) упрощается:

                                 (59)

где ΔV_зап — изменение объема металла за счет предварительного сжатия газов в процессе заполнения.

В процессе подпрессовки при давлении свыше 250 Мн/м2 (2500кГ/см2) первое слагаемое уравнения (58) становится пренебрежимо малым по сравнению со вторым слагаемым, поэтому изменение объема за счет подпрессовки ΔV_под можно определять выражением

                                 (60)

Если давление подпрессовки лежит в пределах от 10 до 250 Мн/м2 (от 100 до 2500 кГ/см2), то общее изменение объема металла и сжимаемых газов подсчитывается по уравнению (58).

Третий вид подпрессовки можно осуществить непосредственно в форме после затвердевания металла в литниковой системе. С этой целью Л. И. Винберг, Р. А. Коротков и П. П. Москвин совместно с автором предложили устанавливать на пресс-форме дополнительный цилиндр 1 (pис.75,a, б и в), шток 3 которого служит подпрессовочным поршнем.

Заполнение формы через тонкий питатель 6 дает возможность получить четко оформленную поверхность, а последующая подпрессовка сжимает воздушно-газовую пористость в отливке 4. Подпрессовочный шток может действовать через специальное технологическое утолщение — зумпф 5 (рис. 75, a) или непосредственно на стенку отливки (рис. 75, б). Лучше располагать зумпф 5 после отливки (рис. 75, в) для обеспечения более раннего включения подпрессовочного усилия. Рис. 75. Подпрессовка отливки в форме после затвердевания металла в литниковой системе

Давление на металл рпод в процессе подпрессовки зависит от отношения площадей поршня 2 и штока 3 и от величины давления в аккумуляторе:

При диаметре цилиндра подпрессовки D_ц.п = 150 мм, штока d_ш = 30 мм и   давлении аккумулятора р_ак=12,5 Мн/м2 (125 кГ/см2) создается давление

Если подпрессовочный шток передает давление на стенку отливки, то необходимо рассчитывать величину перемещения штока l (рис. 75, б):

                                 (61)

где ΔV — изменение объема в процессе подпрессовки жидкого металла; KV_отл/100   — изменение объема отливки в результате усадки; К — коэффициент объемной усадки при изменении температуры  сплава  от температуры начала до окончания затвердевания в %. Если не учитывать предварительного сжатия газов в процессе заполнения, то изменение объема жидкого металла ΔV определяется выражением (60) или в более общем виде уравнением (58).

Если в момент начала подпрессовки давление в форме р₁ отличается от атмосферного р₀, то необходимо учитывать предварительное сжатие газов при изменении давления от р₀ до р_зап.

Будем считать, что давление подпрессовки превышает 250 Мн/м2 (2500 кГ/см2). В этом случае, используя выражение (60), можно записать

Предварительное изменение объема смеси металла и газов при заполнении определяем по упрощенному выражению (59) Подставляя значение ΔV_зап с заменой давления p на р_зап имеем

Значение ΔV подставим в формулу (61), получим расчетную формулу для нахождения величины перемещения штока l в процессе подпрессовки:

                             (62)

Определим значение l для подпрессовки отливки из алюминиевого сплава АЛ10В, V_отл = 4·10⁵ мм3, если диаметр подпрессовочного штока d_ш=30 мм и давление подпрессовки

p = 3000·105 н/м2 (3000 кГ/см2).

Количество газов (воздух и газы от смазки), заключенных в порах отливки, примем равным объему полости формы, т. е. n =  V_г(0)/V_отл=1. Удельный  вес газов (воздуха) при температуре около 600°С равен 4 н/м3 (0,4 кГ/м3). Газовая постоянная R = 29,3 дж/н °С (29,3 кГ/кГ °С).

Сплав АЛ10В имеет большой интервал кристаллизации и значительную объемную усадку в процессе затвердевания  (К = 0,2%). Модуль упругости жидкого сплава Е'_м = 7·10⁴ Мн/м2 (0.7·10⁶ кГ/см2).

Давление в форме к моменту окончания заполнения, вызванное гидродинамическими сопротивлениями движению металла, примем равным p_зап = 10·10⁵ н/м2 (10 кГ/см2). Давление в форме до заполнения р₀ = 10⁵ н/м2 (1 кГ/см2).

По формуле (62) найдем величину перемещения подпрессовочного штока: