Киносъёмка процесса заполнения форм

Использование скоростной киносъемки дало возможность непосредственно зафиксировать путь движения металла в полости формы.

Впервые киносъемку процесса заполнения в прозрачной форме осуществили В. Кестер и К. Геринг, применившие в качестве моделирующей жидкости сплав Вуда (50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn и 12,5% Cd). В. Кестер и К. Геринг проводили эксперименты на ручной поршневой машине с горячей камерой прессования при давлении на металл от 2 до 6 Мн/м2 (от 20 до 60 кГ/см2). Боковые стенки формы были изготовлены из жаростойкого стекла «Maxoglas» толщиной 20 мм.

Большинство киносъемок проводилось на образцах в виде прямоугольных пластинок (рис. 8, а и б) для лучшего сравнения с исследованиями Л. Фроммера и В. Брандта. Кроме того, заливались П-образные, U-образные образцы (рис. 8, в и г) и образцы для механических испытаний (рис. 8, д).

В методике исследований В. Кестера и К. Геринга были допущены три крупные ошибки, которые привели к неправильной оценке характера заполнения полости формы.

Первая ошибка состоит в том, что вязкость моделирующего сплава Вуда и, что особенно важно, поверхностное натяжение этого сплава в жидком состоянии значительно ниже, чем вязкость и поверхностное натяжение реальных сплавов, применяемых для литья под давлением.

Вторая ошибка основана иа неправильном выборе размеров и расположения питателей. Почти все киносъемки сделаны при заполнении через круглые питатели диаметром 2 мм, подводимые в центр заполняемого сечения (рис. 8, а, в, г и д). Площадь поперечного сечения питателей ƒ= 3,14 мм2 чрезвычайно мала по сравнению с площадью поперечного сечения отливки F_отл = 350 мм2. Еще меньше площадь сечения ленточного питателя (рис. 8, б), который подводился также в центр заполняемого сечения.

Рис. 8. Образцы отливок и расположение питателей, принятое В. Кестером и К. Герингом

Расположение питателей в центре полости привело к объемному заполнению и к перекрытию растекающимися потоками основной струи.

Третья ошибка заключается в использовании точечного источника света, дающего при киносъемке лишь теневые кадры движущегося металла.

На рис. 9 воспроизведены кадры скоростной киносъемки В. Кестера и К. Гсринга, фиксирующие заполнение прямоугольного образца через круглый питатель со скоростью впуска около 20 м/сек.

Рис. 9. Заполнение полости при скорости впуска около 20 м/сек

На основании кадров киносъемки В. Кестер и К. Геринг сделали выводы о подтверждении теоретических положений Л. Фроммера. Так как эти выводы поддерживаются многими исследователями и нашли широкое отражение в новом фундаментальном издании по литью под давлением, подготовленным Г. Либн, следует подробно остановиться на неправильной оценке результатов исследований, сделанной В. Кестером и К. Герингом.

Прежде всего кадр, фиксирующий процесс спустя 0,048 сек от начала впуска металла в полость формы, не соответствует полному заполнению. При постоянной скорости впуска 20 м/сек и сечении питателя 3,14 мм2 полное заполнение данного объема отливки (размеры приведены на рис. 8, а, объем полости равен 28,5 см3) произойдет только через 1,425 сек.

Если предположить, что во время заполнеиня скорость впуска повышалась до 100 м/секу то и в этом случае полное время заполнения в 6 раз больше, чем время для случая, приведенного на рис. 9.

В результате разбрызгивания и растекания металла, а также затвердевания его при соприкосновении со стеклянной поверхностью в проходящем свете точечного источника вся полость формы затемняется в начальный период заполнения. В. Кестер и К. Геринг не могли определить по теневым кадрам время окончательного заполнения формы. Теневые изображения не отражают захвата воздуха потоком жидкого металла.

Малая вязкость и поверхностное натяжение сплава Вуда приводят к рассеиванию потока даже при скорости впуска 10 м/сек (рис. 10). Рис. 10. Заполнение полости при скорости впуска около 10 м/сек

Киносъемки процесса впуска в полость формы воды, сплава Вуда и ртути, сделанные Ф. Стрингером и Г. Банном, подтвердили различие в характере заполнения вследствие изменения поверхностного натяжения заливаемых жидкостей.

Растекание потоков по стенкам формы, напоминающее гидравлический подпор Л. Фроммера, можно объяснить превышением размеров полостн формы по отношению к сечению впускной струи, так как ƒ < 1/100 F_отл.

Последующие киносъемки заполнения при двустороннем освещении показали, что сплошные теневые потоки, зафиксированные В. Кестером и К. Герингом, представляют собой непрозрачную смесь металла с воздухом, которая возникает после удара струи о стенку вследствие высокой турбулентности потока.

Отскакивание металла и образование смеси металла с воздухом можно заметить на кадрах киносъемки (рис. 11) при боковом подводе металла через круглый литник.

Заполнение П-образных, U-образных образцов и образцов для механических испытаний через круглые питатели малого сечения показало быстрое распространение теневого потока по всей полости независимо от конфигурации отливки. Рис. 11. Заполнение при боковом подводе металла

Подсчитав скорость струи при различных давлениях на металл, В. Кестер и К. Геринг установили, что действительная скорость впуска составляет 50—60% от скорости, подсчитанной по формуле Торичелли.

Б. Закс обработал результаты В. Кестера и К. Геринга и предложил определять скорость с учетом гидравлических сопротивлений в литниковой системе:

                  (6)

где Σζ—сумма коэффициентов гидравлических сопротивлений движению расплавленного металла.

На рис. 12 представлены три кривые, построенные Г. Либи. Кривая а построена для идеальной зависимости скорости v от давления в камере прессования рпр. Кривая б построена по формуле (6) при длине литниковой системы 12 мм и Σζ,  равной 2,14; кривая в — при длине литниковой системы 134 мм и Σζ1=Σζ+Δζ=2,14+2,02=4,16. Рис. 12. Скорость впуска в зависимости от давления в камере прессования

Дополнительный коэффициент сопротивлений Δζ, по Б. Закcy, определяется формулой

где λ_л - коэффициент трения в литниковой системе (по формуле Блазиуса равен 0,029); l/d - отношение длины литника  к характерному размеру потока.

Число 0,07 означает энергию на предварительное установление профиля скоростей в потоке.

В Советском Союзе впервые осуществили киносъемку процесса заполнения Я. И. Островский и Л. И. Винберг на горизонтальной машине Рид —Прентис1½G зафиксировав при постоянной скорости прессования рассеивание потока, которое можно объяснить возрастающим противодавлением в форме в момент впуска.

Изучение движения расплавленного металла с помощью скоростной киносъемки в реальных условиях литья под давлением и без моделирования, проведенное в литейной лаборатории Московского Высшего Технического училища имени H. Э. Баумана, позволило установить зависимость характера заполнения от основных гидродинамических и тепловых параметров литья.

Применение двустороннего освещения полости формы при киносъемках исключило получение теневых кадров, искажающих истинную картину заполнения.

На рис. 13 изображена принципиальная схема экспериментальной формы с боковыми стенками из стекла. Использование закаленного жаростойкого стекла 13B, созданного во Всесоюзном научно-исследовательском институте стекла, выдерживающего заливку жидким металлом при температуре до 650°С, дало возможность осуществить заполнение свинцово-сурьмянистыми, цинковыми и алюминиевыми сплавами при скоростях впуска от 2 до 100 м/сек и давлениях на металл от 10 до 100 Мн/м2 (от 100 до 1000 кГ/см2). Рис. 13. Форма для скоростной киносъемки; 1 — неподвижная плита; 2 и 7 — сменные вставки, образующие питатель; 3 и 8 — сменные вставки, образующие полость формы; 4 и 9 — сменные вставки для вентиляции; 5 — подвижная плита; 6 и 11 — стеклянные пластинки; 10 — крышка

Для снижения ударных нагрузок на стеклянные пластинки форма сконструирована по методу «плавающих» вставок. Рабочая полость формы (см. рис. 13) образуется шестыо незакрепленными вставками, расположенными в подвижных и неподвижных плитах. Заменой вставок 3 и 8 можно изменять конфигурацию отливки. Сменные вставки 2 и 7 позволяют применять питатели различной толщины.

С целью создания плоскостного изображения заполнения ширина питателей должна соответствовать ширине отливки.

Вплотную к вставкам прикладываются стеклянные пластинки, которые через свинцовые прокладки сжимаются крышками с помощью винтов.

Конструкция формы, позволяющая вести киносъемку в процессе вакуумнровання, приведена на рис. 14. Форма имеет литой кожух 1 с застекленными отверстиями для киносъемки. В этой форме сборка вставок и боковых стеклянных пластинок осуществляется в отдельном вкладыше 3, который закрывается крышкой 4. Для поддержания постоянного теплового режима форма оборудована плитами обогрева 2 и 5. Скорость киносъемки выбирается от 3000 до 6000 кадров в секунду. При таких скоростях появляется возможность детального рассмотрения процесса движения металла в полости формы. Рис. 14. Форма для киносъемки процесса заполнения при обычном к пакуумированном литье под давлением