Температура формы для отливки

Постоянство температуры формы для отливки имеет большое значение для получения качественных отливок при литье под давлением. Если теплосодержание металлической массы отливки достаточно велико, то изменение режима работы приводит к колебаниям температуры формы. В то же время, если теплосодержание отливки очень мало по сравнению с теплосодержанием формы, то колебания температуры формы резко влияют на тепловые условия заполнения и затвердевания отливки, особенно для отливок с развитой поверхностью и малой толщиной стенок.

Как видно из рис. 96, для достижения требуемого температурного баланса формы нужен большой период времени даже при высокой производительности машины. После 250 ударов, через 25 сек каждый, температура формы еще не достигла стабильного значения. Перерыв в работе, обозначенный на экспериментальной кривой точкой Л, приводит к резкому падению температуры до точки В. Рис. 96. Постепенное повышение температуры формы в зависимости от числа ударов

Анализ формул для определения времени заполнения, затвердевания и охлаждения металла показывает, что температура формы tф определяет тепловой режим отливки.

После достижения необходимой предварительной температуры форма начинает перегреваться за счет теплоты кристаллизации отливки. Перегрев формы вызывает появление микротрещин на ее поверхности.

Для определения количества теплоты, которое должно быть отведено от формы с целью поддержания постоянной температуры, нужно составить уравнение теплового баланса формы.

Количество теплоты Q_м потерянное расплавленным металлом при охлаждении в форме за один рабочий цикл τ_ц, должно равняться количеству теплоты Q_о.с, отводимому от формы в окружающую среду, Q_м = Q_о.с,

Q_м=Q_пер+Q_тр+Q_кр+Q_охл                      (108)
Q_пер=m_отлс'_м(t_зал-t_кр)дж                        (109)

где m_отл — масса заливаемого металла в кг; с' — удельная теплоемкость жидкого металла в дж/кг°С; Q_пер — теплота перегрева жидкого металла; t_зал — температура заливки, равная температуре металла при впуске в форму, в °С; t_кр — температура кристаллизации в °С; Q_тр — теплота трения при очень малом сечении питателя

                      (110)

где V_отл — объем отливки в м3; P_пр — усилие прессования, развиваемое машиной, в н; D_пр — диаметр камеры прессования в м.

В условиях заливки через толстые питатели теплоту трения можно не учитывать.

Теплота кристаллизации Q_кр равна

Q_кр = m_отлrдж                                       (111)

где r — удельная теплота кристаллизации сплава в дж/кг.

Теплота Q_охл, выделяемая при охлаждении затвердевшей отливки,

Q_охл = m_отлс_м (t_кр - t_кон) дж,                                 (112)

где с_м — удельная теплоемкость затвердевшего сплава в дж/кг °С; t_кон — конечная температура удаления отливки из формы в°С.

Величина Q_о.с определяется по формуле

Q_о.с= Q_нар + Q_отк + Q_в                                            (113)

Потери тепла Q_нар в окружающую среду через наружную поверхность формы составляют

Q_нар = α_нар(t_ф(нар) — t_о.с)F_нарτ_ц дж,                         (114)

где α_нар — среднее значение коэффициента теплообмена на внешней поверхности формы в вт/м2°С; t_ф(нар) — среднее значение температуры поверхности формы в °С; t_о.с — температура окружающей среды в °С; F_нар — площадь наружной поверхности формы в м2; τ_ц — время одного цикла в сек.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи α_нар при охлаждении формы на воздухе можно принять из общей теории теплопередачи равным 126 вт/м2°С (0,03 ккал/м2 х сек°С).

Потери тепла Q_отк через внутреннюю поверхность формы при ее открытии составляют

Q_отк = α_вн (t_ф(вн) — t_о.с)F_вн τ_отк дж                               (115)

где α_вн — коэффициент теплообмена на внутренней поверхности формы, который можно принять равным αнар в вт/м2°С; t_ф(вн) — температура внутренней поверхности формы в °С; F_вн — площадь поверхностей разъема плюс поверхность полости формы в м2; τ_отк — время нахождения формы в открытом состоянии в сек.

Потери тепла Q_в при охлаждении формы водой определяются выражением

_вв= α_в (t_ф—t_в)F_вτ_ц дж,                                                     (116)

где α_в — коэффициент теплообмена между металлом формы и водой на поверхности водоохлаждающих каналов в вт/м2 °С; t_ф — температура формы в °С; t_в — температура охлаждающей воды в °С; F_в — общая поверхность всех каналов охлаждения в м2.

Коэффициент теплообмена в каналах водяного охлаждения определяется формулой:

                                                  (117)

где υ_в — скорость течения воды в каналах в м/сек; d_в — диаметр каналов водяного охлаждения в м; А — коэффициент пропорциональности, определяемый в зависимости от температуры воды.

После ряда действий и преобразований найдем среднюю установившуюся температуру прессформы при условиях равенства температур воды и окружающего воздуха и t_ф(нар) = t_ф(вн) = t_ф:

Большое практическое значение имеет расчет каналов водяного охлаждения формы при условии, что температура воды не равна температуре окружающей среды.

В общем случае уравнение теплового баланса формы без учета теплоты трения имеет вид:

где t_ф — означает среднюю установившуюся температуру пресс-формы.

Из уравнения теплового баланса можно определить суммарную площадь поверхности каналов водяного охлаждения F_в:

                                   (118)

Температуру охлаждающей жидкости (воды) рекомендуется принимать равной 50—60°С.

Определим площадь поверхности каналов водяного охлаждения для отливки массой m_отл = 2 кг из сплава АЛ2, если t_ф= 100°С; t_о.с = 20°С, t_в = 60°С.

Поверхности F_нар = 1 м2 и F_отк = 0,5 м2. Время полного цикла τ_ц = 30 сек и время открытия формы τ_отк = 5 сек. Температуру заливки принимаем t_зал = 620°С, а температуру удаления отливки из формы t_кон= 350°С.

Задавшись диаметром каналов водяного охлаждения d_в = 10 мм = 0,01 м и скоростью течения воды в каналах υ_в = 0,8 м/сек, определим коэффициент теплоотдачи α_в по формуле (117):

Подставляя соответствующие цифровые значения величин в выражение (118), найдем площадь поверхности каналов водяного охлаждения:

При заданном диаметре d_в = 0,01 м, зная площадь поверхности, можно определить общую протяженность каналов:

Рекомендуется во вставках сборных форм выполнять индивидуальные каналы охлаждения (рис. 97, а и б), так же, как и в крупногабаритных стержневых знаках (рис. 97, в). Для повышения стойкости литниковых втулок каналы водяного охлаждения выполняются в неподвижной плите формы (рис. 97, г) или применяются специальные водоохлаждаемые втулки (рис. 97, д).

На рис. 97, e показано устройство для водяного охлаждения пустотелого рассекателя. Рис. 97. Различные вариангы водяного охлаждения вставок форм (а и б), стержневых знаков (в), литниковых втулок (г и д) и рассекателей (e)