При литье под давлением на современных машинах скорость прессования υпp и τp (рис. 15, а) остаются постоянными в начальный период заполнения.
В этом случае устанавливается постоянная скорость свободной струи, равная скорости впуска о, которая определяется уравнением неразрывности потока
где Fпр — площадь поперечного сечения камеры прессования.
Киносъемки процесса заполнения подтвердили положение Л. Фроммера о постоянстве формы и направления струи. Киносъемки установили также невозможность расширения струи при сохранении сплошного потока, вытекающего из прямого питателя, тем самым опровергая выводы В. Брандта.
 |
Если скорость прессования υпр и давление рпр в процессе заполнения продолжают возрастать (рис. 15, б), то свободная струя разрушается сразу же после выхода из питателя, распадаясь на отдельные струйки и капли жидкого металла. Рис. 15. Характер изменения давления и скорости |
Скорость впуска υ растет немного быстрее, чем скорость прессования υпр, за счет повышения давления в камере прессования.
Рассеивание свободной струи вызывает активное окисление капель металла, приваривание их к стенкам формы. Разбрызгивание увеличивает воздушную пористость и образование холодных спаев, неслитин. При литье армированных деталей разбрызгивание нарушает прочность сцепления между арматурой и металлом отливки.
Для сохранения постоянства и сплошности свободной струи на машинах, имеющих вторую ступень рабочей скорости прессования, необходимо следить за тем, чтобы процесс разгона поршня заканчивался дo выхода металла из литниковой системы.
Свободная струя сохраняет постоянную толщину и направление движения только при условии создания установившегося движения в питателе. С этой целью длина ленточного питателя 1п должна выбираться пропорционально его толщине h, причем lп>(4÷5)h.
Л. Фроммер считает, что поток металла, вытекающий из литникового отверстия в виде круглой сплошной струи, не касается стенок литникового канала, а заполняет его после выхода свободной струи из питателя.
Аналогичное явление может происходить при использовании расширяющейся литниковой системы на машинах с вертикальной камерой прессования. В этом случае расплавленный металл, выходящий из конического литника Л (рис. 16, a), проходит через подводящий канал К, не касаясь его стенок, и устремляется в питатель П, образуя в форме расширяющийся поток. В дальнейшем металл заполняет всю литниковую систему и поток выпрямляется, приобретая сечение питателя (рис. 16, б). На стенках формы остается часть расширившегося ранее потока М, которая затвердевает быстрее основной массы и не приваривается к ней.
 |
Рис. 16. Конфигурация свободного потока, проходящего через расширяющуюся литниковую систему: а и б — стадии заполнения |
На машинах с горизонтальной камерой прессования почти всегда применяется сужающаяся литниковая система и лоток приобретает установившееся движение, находясь еще в канале питателя.
Сужающаяся литниковая система устраняет захват воздуха первыми порциями расплавленного металла. В условиях расширяющейся литниковой системы захваченный воздух попадает через питатель в полость формы.
Площадь поперечного сечения питателей в литниковых системах любой конструкции меньше, чем площадь сечения подводящего канала или коллектора. Следовательно, проходя через питатель, поток металла начинает двигаться с ускорением. В ускоряющемся потоке происходит объединение и вынос пузырьков воздуха, которые могут вызвать разрыв свободной струи в начальный период заполнения.
Вынос пузырьков в ускоряющемся потоке X. Бартон объясняет, используя понятие «фактической массы» для смеси металла с воздухом.
Предположим, что легкое тело с плотностью ρ = 0,2 2/см3 выталкивается из воды, плотность которой 1,0 г/см3. В этом случае легкое тело обладает гидростатической плавучестью 5gm, где m — масса тела, и, если тело поднимается свободно, оно должно иметь ускорение, равное 4g.
В действительности тело не имеет такого ускорения, так как нужно учитывать его «фактическую массу» mф:
,
где m — масса тела в вакууме; m' — масса вытесненной жидкости.
Выталкивающая сила Рвыт будет составлять
Рвыт = ngmф
где ng— ускорение. Для рассматриваемого примера mф = 0,2 4 + 0,5 = 0,7, а ускорение вместо 4g станет равным 1,43g.
При движении расплавленного металла и пузырьков воздуха массой воздуха можно пренебречь и «фактическая масса» составит половину массы вытесняемого металла mф = 0,5mм. Если поток металла начнет двигаться с ускорением а = ng, то пузырьки воздуха получат в 2 раза большее ускорение, чем ocновная масса металла. Вследствие этого воздушные включения объединяются и выносятся.
 |
В связи с неравномерным распределением скоростей по сечению потока пузырьки воздуха в перемещаются к центру (рис. 17, а), откуда, объединяясь в крупные воздушные включения В, попадают в питатель (рис. 17, б). Если воздушные включения приближаются к стенкам питателя, то в момент выхода происходит отрыв отдельных масс металла M от основной струи (рис. 17, в). Рис. 17. Разрыв струи металла в начальный период впуска; а, б и в — стадии движения металла и литниковой системе |
Оторвавшиеся капли металла затвердевают на стенках формы, образуя дефекты поверхности отливки.
Разрыв в текущем потоке металла, сопровождающийся образованием пустот, возможен вследствие явления кавитации, которая возникает при резком падении давления.
Анализ уравнения Бернулли (2) показывает, что скорость не может быть чрезвычайно большой ни в одной точке потока, так как давление не может быть отрицательным. Решая уравнение (2) относительно скорости υ2 и пренебрегая вязкостью металла, получаем
Отсюда видно, что скорость υ2 будет иметь максимальное значение при р2 = 0, т. е.
Если скорость превысит значение vmax, то произойдет разрыв сплошного движения. Кавитационные полости заполняются парами металла или газами. Присутствие в металле воздушных или газовых включений существенно облегчает процесс формирования кавитационных раковин.
Явление кавитации наблюдается в расширяющейся литниковой системе. При давлении на металл 28 Мн/м2 (280 кГ/см2) скорость кавитации составляет 27 м/сек.
Если при дальнейшем движении потока в узком питателе давление в нем снова повышается, то в кавитационных полостях пары металла конденсируются и полости разрушаются, создавая локальный удар, который разрушает поверхность питателя.
Кавитационный удар возможен также при соприкосновении струи со стенкой формы. В этом случае наблюдается разрушение поверхности формы.
Кавитацию можно определять также критическим числом К:
где р1 — первичное давление в потоке; P1 — давление после расширения потока; рn—давление газов в пузырьке (давление паров жидкого металла).
Экспериментальные работы показали, что кавитация возникает, если К>1,8.
Вследствие разрушения кавитационных полостей образуются тонкие струйки, вырывающиеся с большой скоростью из основного потока. Эти тонкие струйки легко привариваются к рабочей поверхности формы, вызывая тем самым интенсивную эрозию.
С целью устранения кавитации рекомендуется применять только сужающиеся литниковые системы.
Постоянство сечения свободной струи зависит от формы питателя и плавности входа потока в питатель.
Если рассматривать истечение металла из камеры прессования или из подводящего канала в питатель, как происходящее при постоянном напоре, и обозначить потери давления Δр при истечении выражением Δр = ζ υ2/2g, где ζ—коэффициент гидравлических сопротивлений в питателе, то из уравнения Бернулли (2) получим выражение для скорости истечения (скорости впуска υ)
Если пренебречь неравномерностью распределения живых сил по сечению
потока (α2= 1) и ввести обозначение φ = 1 / √1+ζ,
то
где φ называют коэффициентом скорости истечения.
Для увеличения мощности впускной струи, несущей большую кинетическую энергию, при максимальном расходе необходимо стремиться к такой конфигурации питателя, которая обеспечивает максимальное значение коэффициента φ. Ниже приведены значения коэффициента скорости φ при истечении воды через насадки различного профиля.
 |
Насадки (рис. 18): φ Рис. 18. Истечение жидкости из различных типов насадок |
Эти значения вполне приемлемы при рассмотрении движения расплавленного металла в питателе, так как вязкость металлов при температурах выше температуры ликвидуса сравнима с вязкостью воды.
Следовательно, наиболее подходящими являются питатели сходящейся или коноидальной формы. Для ленточных питателей это означает максимальную плавность перехода от камеры прессования к подводящему каналу и от подводящего канала к питателю.
Рассеивание свободной струи наблюдается при затрудненной вентиляции, приводящей к возрастанию противодавления в форме. В этом случае В. Бабингтон и С. Клепингер, используя короткометражную киносъемку, установили, что толстые питатели создают более устойчивые и однородные потоки.
