Главная / Технология металлов / Литейное производство / Литье под давлением / Заполнение формы сплошным турбулентным потоком

Заполнение формы сплошным турбулентным потоком

Заполнение формы сплошным турбулентным потоком наблюдается при скоростях   впуска от 0,5 до 15 м/сек (для жидких сплавов), если отношение площади поперечного сечения питателя к площади отливки ƒ/Fотл >¼.

Если отношение ƒ/Fотл  >¼, то зона сплошного турбулентного заполнения смещается в сторону меньших скоростей впуска и уже при υ > 8÷10 м/сек возможно частичное рассеивание потока после удара. Поэтому на кадрах скоростной киносъемки В. Кестера и К. Геринга фиксируется раздробление струи при скорости впуска около 10 м/сек.

В условиях заливки кашеобразными сплавами сплошное турбулентное заполнение можно осуществить при более высоких скоростях впуска, достигающих 25-30 м/сек.

Заполнение турбулентным потоком применяется для отливок разнообразных конфигураций, с толщиной стенок от 2.5 до 5 мм, имеющих местные утолщения до 10 мм.
В то же время турбулентное заполнение сопровождается захватом крупных воздушно-газовых включений, достигающих размеров 1 —1,5 мм и значительно снижающих герметичность отливок.

Механизм возникновения воздушно-газовой пористости в сплошном потоке показан на рис. 27. Аналогичная схема заполнения была теоретически разработана Л. Фроммером, ио неправильно распространялась на все виды движения металла при различных значениях скорости впуска, отношения ƒ/Fотл и вязкости сплава.

Если скорость впуска превышает критическое значение, определяемое формулой (9), то и в свободно летящей струе, и в образующихся после удара пристеночных потоках движение расплавленного металла носит турбулентный характер (рис. 27, а). Ламинарное движение сохраняется только в пограничном слое, в котором возникают силы трения о стенки формы, тормозящие весь поток. Вновь поступающие порции металла отжимаются внутрь полости, образуя сплошной поток, названный Л. Фроммером гидравлическим подпором (рис. 27, б).

 

При вихревом движении металла на поверхности гидравлического подпора захватывается воздух и газообразные продукты сгорания смазки, пузырьки которых распределяются по сечению потока в зоне максимальных скоростей (рис. 27, в).

Рис. 27. Схема образования гидравлического подпора и воздушно-газовой пористости при заполнении турбулентным потоком

После окончания заполнения и затвердевания воздух и газы остаются внутри отливки, причем в пристеночных слоях на глубине, соответствующей толщине пограничного слоя, пористость не наблюдается.

Удалить воздушную пористость из заполненной формы невозможно, ее можно только сжать под действием высокого давления на металл.

Основным методом частичного снижения пористости является создание хорошей вентиляционной системы, устраняющей повышение давления в полости формы.

В табл. 3 приведены значения критических скоростей, определяющих начало турбулентного заполнения при различных температурах для цинкового и алюминиевого сплавов, для отливки толщиной H = 5 мм при толщине питателя 3 мм.

Данные табл. 3 показывают преимущество заполнения при температурах заливки ниже начала кристаллизации. Этот метод заливки сплавов в кашеобразном состоянии широко используется в практике литейных цехов, особенно для сплавов с большим интервалом кристаллизации, например для сплава АЛ10В.

Таблица 3. Значения критических скоростей впуска

Сплав

Температура
заливки в °С

Расчетная вязкость
сплава в м2/сек

Критическая
скорость впуска в м/сек

Цинковый,
ЦАМ 4-3

450
395

0,42·10-6
1,90·10-6

0,50
2,26

Алюминиевый,
АЛ 2

650
595

0,50·10-6
2,23·10-6

0,55
2,65

АЛ10В

650
590

0,48·10-6
3,20·10-6

0,57
3,80

Расчетные значения вязкости в табл. 3 получены на основании методики Р. Вильгельма, который считает, что падение давления в трубе диаметром d и длиной l можно определять как для ламинарного, так и для турбулентного движения по формуле

где коэффициент сопротивления ζ для ламинарного движения точно выражается через отношение

Следовательно в этом случае падение давления связано со скоростью следующим уравнением:

из которого на основании замеров Δр и υ определяются расчетные значения вязкости.

Количество захваченного воздуха увеличивается при изготовлении толстостенных отливок. На рис. 28 даны диаграммы изменения воздушно-газовой пористости П в отливках при различной степени турбулентности потока.

Одновременно с воздушной пористостью в отливках из алюминиевых сплавов наблюдается выделение газов при кристаллизации. Впервые это явление было количественно оценено P. А. Koротковым.

Левые прямоугольники на диаграммах (см. рис. 28) означают пористость отливок из сплава, рафинированного гексахлорэтаном и вакуумированного в течение 15 мин в раздаточной печи.

 

Рис. 28. Диаграммы изменения воздушно-газовой пористости в отливках толщиной 3—5 мм (а) и 10—15 мм (б) при заполнении сплошным турбулентным потоком

Правые прямоугольники построены с учетом газовой пористости, так как сплав не рафинировался и не вакуумировался.

Если с увеличением скорости впуска от 5 до 20 м/сек воздушная пористость также возрастает из-за усиления турбулентности потока, то газовая пористость уменьшается.

Уменьшение газовыделения объясняется сокращением времени заполнения и ростом скорости кристаллизации. При изменении скорости впуска от 5 до 20 м/сек количество выделившихся газов сокращается почти в 2 раза.

В отливках толщиной 10—15 мм (рис. 28, б) воздушная пористость достигает 3,5%, а газовая 0,6—0,7%.

Заполнение формы гидравлическим подпором следует рассматривать как заполнение двухфазным потоком, состоящим из жидкого металла и воздушно-газовых пузырьков. Как отмечает X. Бартон, даже если масса воздуха очень мала по сравнению с массой металла, воздух оказывает значительное воздействие на характер движения потока.

Воздушные включения изменяют гидродинамический режим заполнения и тепловые условия формирования отливки. В условиях турбулентного заполнения при переходе потока из толстого в тонкое сечение полости формы скорость потока возрастает. Первоначальное ускорение вызывает объединение воздушных включений и расширение сжатых в них газов вследствие падения давления в потоке расплавленного металла (рис. 29,a).

 

В предельном случае воздушная раковина разрывает поток у стенок, отделяя какую-то массу металла от основного потока (рис. 29, б). Этот металл продолжает двигаться вперед под совместным влиянием инерции и давления воздуха. Изолированная масса металла охлаждается быстрее, чем основной поток, и на поверхности формы образуются затвердевшие слои металла (рис. 29, в), плохо соединяющиеся с остальным потоком и нарушающие чистоту поверхности тонких сечений отливок.

Рис. 29. Образование слоев затвердевшего металла в результате объединения воздушных включений в турбулентном потоке

Давление, возникающее в месте образования гидравлического подпора, заставляет турбулентный поток заполнять все разветвленные полости отливки.

Полость формы можно рассматривать как совокупность тел различных конфигураций, при заполнении которых происходит накопление металла в отдельных местах.

 

Коробчатые отливки чаще всего представляют собой совокупность прямоугольных полостей. На рис. 30 дана схема заполнения коробчатой отливки, построенная на основании скоростной киносъемки.

Рис. 30. Заполнение коробчатой отливки сплошным потоком

Скорость впуска около 10 м/сек при отношении ƒ/Fотл=⅓ и заливка жидким металлом при температуре 610°С обеспечивает сплошное турбулентное заполнение. Гидравлический подпор, образующийся спустя 0,01 сек после начала впуска, движется навстречу входной струе и одновременно продвигается по другим сечениям отливки, заполняя сразу полость I и полость II.

Вихревое движение и захват воздуха происходят в обеих полостях.

Если сечение полостей I и II одинаковое, равное Fотл, то скорость движения гидравлического подпора и υотл также одинаковая

и обе полости заполняются одновременно.

Если полости I и II имеют различные сечения F1 и F2, то в каждой полости устанавливаются скорости подпора υ1 и υ2, связанные между собой уравнением неразрывности:

ƒυ = F1υ1 + F2υ2.

Заполнение отливок с тонким и толстым сечением необходимо вести с учетом максимального выхода воздуха по плоскости разъема через вентиляционные каналы.  Для улучшения вентиляции полости формы желательно создавать турбулентный подпор в наиболее тонком сечении с последующим выходом его в толстое сечение.

Если струя металла ударяется в поперечно расположенный стержень, то полость формы за стержнем может оказаться незаполненной. В этом случае следует впускную струю направлять вдоль стенки формы мимо стержня.

На рис. 31 показано заполнение прямоугольной отливки с промывником цинковым сплавом ЦАМ4-3 при скорости впуска 12 м/сек и давлении на металл в камере прессования 40 Мн/м2 (400 кГ/см2).

Отливка соединена с промывником каналом толщиной 2 мм и шириной, равной ширине отливки.

 

После удара о стенку заполнение идет аналогично заполнению прямоугольной отливки. По мере заполнения полости турбулентным подпором первые порции металла с захваченным воздухом вытесняются в промывник. Отливка и промывник заполняются почти одновременно, что способствует максимальному вытеснению воздуха.

Рис. 31. Турбулентное заполнение отливки с промывником

 



 
 
Добавить предприятие
 


 
 
 
 
 
 
 
Тел.: (8552) 39-71-29
промышленные предприятия Условия использования материалов сайта Политика конфиденциальности
 
Создание сайта Вебцентр