Скорость прессования

При разработке технологического процесса литья под давлением определяется значение скорости прессования, необходимой для создания того или иного режима заполнения формы.

• Обеспечение необходимой скорости прессования
• Изменение скорости прессования в процессе заполнения литниковой системы и формы 
• Принципы минимального и максимального трения

Скорость прессования υ_пр связана со скоростью впуска υ уравнением неразрывности

υ_прF_пр = υƒ.                                     (38)

Величина скорости впуска в сочетании с отношением ƒ/F_jnk и жидкотекучестью сплава устанавливает гидродинамический характер заполнения.

Оптимальные значения скоростей впуска выбираются на основании изучения влияния скоростных параметров на качество отливок.

Длительное время среди литейщиков существовало два противоречивых мнения: одни считали, что наиболее качественные отливки получаются при заполнении с низкими скоростями впуска через толстые питатели; другие доказывали, что увеличение скоростей потока и применение щелевидных питателей являются главными факторами повышения механических свойств и плотности отливок

В действительности никакого противоречия не было, так как сторонники низких скоростей имели дело с толстостенными отливками простой конфигурации, а те, кто осваивал сложные тонкостенные и крупногабаритные отливки, должны были применять высокие скорости впуска.

Измерения скорости прессования с последующим расчетом скорости впуска, проведенные более чем на 20 предприятиях, показали, что отливки различной конфигурации из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов изготовляются при скоростях впуска от 0,5 до 150 м/сек.

Эти исследования дают возможность установить диапазоны скоростных режимов, обеспечивающие благоприятное распределение воздушно-газовой пористости и наивысшую чистоту поверхности для групп отливок.

В табл. 4 приведена классификация групп отливок и ориентировочные значения скоростей впуска в зависимости от применяемого сплава с учетом его жидкотекучести. Предлагаемую классификацию не следует рассматривать как универсальный справочный материал для всех видов отливок. Значения скоростей впуска зависят также от отношения ƒ/F_jnk или h/H, мощности машины, конечного статического давления на металл, тепловых условий формирования отливки, режимов смазки и от ряда других технологических факторов.

Таблица 4. Значения скоростей впуска в м/сек для отливок из различных сплавов

На каждом заводе может быть создана конкретная классификация отливок по примеру табл. 4. Вместо условных групп простой и сложной конфигурации более приемлемыми характеристиками являются такие, как отливка в виде пластины, коробчатая отливка (прямоугольная или цилиндрическая), отливка коробчатая с арматурой и т. д. Для армированных отливок необходимо учитывать толщину полости между стенкой формы и арматурой.

П. П. Москвин предлагает приближенный метод расчета скоpости впуска в зависимости от размеров и конфигурации отливки:

где K_t — коэффициент, зависящий от температуры заливаемого сплава и имеющий размерность коэффициента затвердевания в м/сек½ ; для алюминиевых и медных сплавов Kt = 0,015÷-0,030, для магниевых сплавов K_t = 0,018÷0,035 и для цинковых K_t = 0,013÷0,025; Х_отл — безразмерная величина, характеризующая отливку,

здесь L — длина отливки; H — средняя или преобладающая толщина стенки отливки; Σn — число поворотов потока в полости формы под углом 90°.

В данном методе необходимо заранее установить величину времени заполнения полости τ.

Например, для отливки сложной конфигурации (Σn = 8) из алюминиевого сплава АЛ2 (K_t = 0,02) длиной L = 400 мм со средней толщиной стенки H = 2,5 мм; при τ = 0,06 сек потребуется скорость впуска

Предлагаемый расчет дает хорошие результаты для тонкостенных отливок средних размеров длиной от 200 до 400 мм.

Увеличение габаритных размеров отливок практически не влияет на выбор величины скорости впуска.

На рис. 59 приведена крупногабаритная отливка с литниковой системой из сплава АЛ2, массой 3,7 кг, изготовленная на машине Полак 2255. Отливка имеет среднюю толщину стенок 3,5 мм и местные утолщения в крепежных бобышках до 6—7 мм. Качественное заполнение отливки обеспечивается при скорости впуска υ = 21 м/сек и площади поперечного сечения питателя ƒ=555 мм2 (отношение h/H=3/3,5). Рис. 59. Крупногабаритная отливка сложной конфигурации — средняя толщина стенки 3,5 мм

По уравнению (38) скорость прессования υ_пр для камеры диаметром D_пр = 170 мм (F_пр = 0,785 D2np) составляет

В табл. 4 приведены значения средних скоростей впуска за время заполнения. Соответственно определяется средняя скорость прессования. Необходимая скорость прессования холостого хода рассчитывается по формулам (33), (34) или (35) в зависимости от величины гидравлических сопротивлений в форме.

Несколько крупногабаритных отливок сложной конфигурации выпускаются на Ленинградском вагоностроительном заводе им. И. E. Егорова. По данным А. А. Щеголева, отливка рамы окна пассажирского вагона массой 5 кг, размерами 1108x962x18 мм, при переменном сечении от 4 до 18 мм2 имеет суммарную площадь питателей 420 мм2, а скорость впуска около 15—20 м/сек (для машины Триульци 25 M).

Отливка четырехцилиндрового блока автомобиля «Волга» массой 24 кг изготовляется на машине Триульци 2200 на Заволжском моторном заводе из сплава АЛ4. Отливка имеет сложную конфигурацию переменного сечения. В процессе освоения было установлено сечение литниковых каналов 450 мм2 и скорость впуска около 32,5 м/сек. В настоящее время на Заволжском моторном заводе изготовляется еще более крупная отливка восьмицилиндрового блока массой 42 кг. Площадь питателя — 1460 мм2 и скорость впуска до 28 м/сек.

Параллельно с литьем тонкостенных крупногабаритных деталей начинает развиваться метод изготовления толстостенных корпусных отливок, для которых выбирается отношение — близкое к единице. В научно-исследовательском технологическом институте были получены плотные отливки из сплава АЛ4, успешно выдерживающие высокотемпературную термообработку. Такие отливки сохраняют герметичность при испытаниях под давлением до 10 Мн/м2 (100 кГ/см2). Высокая плотность отливок обеспечивается созданием сплошного ламинарного заполнения при скорости впуска 0.5—0,7 м/сек и заливке кашеобразным сплавом.

Из уравнения (38) видно, что скорость прессования прямо пропорциональна не только скорости впуска, но и площади поперечного сечения питателя ƒ.

Площадь сечения ƒ зависит от выбранного значения скорости впуска и от времени заполнения τ, которое определяется из условия сохранения жидкотекучести сплава при движении в полости формы:

где m_отл - масса отливки в кг; ρ — плотность сплава в кг/л3; υ — скорость впуска в м/сек; τ—время заполнения в сек.

Для определения скорости прессования в зависимости от выбранных значений υ и τ можно пользоваться номограммой (рис. 60), построенной для различных значений диаметра камеры прессования но данным Д. Р. Акивиса. Номограмма пригодна для машин малой мощности, со скоростью движения прессующего поршня не более 1 м/сек.

Рис. 60. Номограмма для определения скорости прессования υпр в зависимости от установленных значений скорости впуска и сечения питателя

Подставляя значение ƒ из выражения (39) в уравнение (38) и заменяя F_пр = 0,785 D2_пр , получим зависимость скорости прессования от времени заполнения:

где D_пр — диаметр камеры прессования в мм.

Из данной зависимости следует, что при установленной величине скорости прессования скорость впуска и площадь сечения питателя не влияют на продолжительность заполнения.

Продолжительность заполнения можно выразить через эмпирический коэффициент затвердевания:

где δ_отл — половина преобладающей толщины отливки в мм, К — коэффициент затвердевания в мм/сек½ (табл. 5).

Таблица 5. Значения ρ и К для некоторых сплавов 

Коэффициент затвердевания определяет критическое время, при превышении которого поток металла может не успеть заполнить форму. С учетом критического времени заполнения M. Ф. Макельский предложил для определения минимально необходимой скорости прессования пользоваться формулой

Для отливки из сплава АЛ2,  изображенной  на рис. 59, при значениях m_отл = 3,7 кг, К = 3,8 мм/сек½; ρ = 2450 кг/мг; D_пр = 170 мм и δ_отл = 1,75 мм минимально необходимая скорость прессования будет равна