Температурное поле потока металла, заполняющего форму, А. И. Вейник предлагает определять по формуле:
(99)
где t — температура металла на расстоянии x от конца потока; Rпoт — приведенный размер потока в м,
Fпoт — площадь поперечного сечения потока в м2; Sпoт — длина периметра поперечного сечения потока, по которому происходит теплообмен, в м; Vпoт — скорость течения металла, определяемая уравнением неразрывности потока, в м/сек; τ — время, отсчитываемое от момента начала заполнения (без учета времени свободного полета струи), в сек.
Так какт τ= Х/υпoт (Х — длина пути, пройденного потоком к моменту τ), то формулу (99) можно представить в следующем виде:
(100)
Из формулы (100) следует, что при x = X температура потока равна температуре начала заполнения tзал. С уменьшением x температура потока падает. Необходимо помнить, что при выводе формул (99) и (100) начало подвижной системы координат помещено на конце потока и ось x направлена против движения потока.
Наибольшее охлаждение металла происходит на конце потока.
Подставляя в формулу (100) значения коэффициента тепловой аккумуляции формы bф для стали и теплофизических характеристик для различных сплавов, а также принимая для тонкостенной отливки Rпoт=H/2, получим
где K2— постоянная величина, равная для магниевых сплавов 0,0037, алюминиевых 0,0026 и для цинковых 0,0015.
Наибольший интерес представляет распределение температур в конце процесса заполнения, когда величина X принимает максимальное значение, равное длине отливки X = L.
Рассчитаем температурные поля отливки из различных сплавов длиной L = 0,1 л, толщиной H = 4 мм при заполнении сплошным потоком со скоростью υпот = 15 м/сек.
Для магниевого сплава МЛ6 (температура заливки tзал = 650° С и температура формы tф→tк = 500° С) найдём
где x — расстояние от конца потока до рассматриваемого сечения в м.
 |
Характер изменения температуры по длине отливки показан на рис. 93 (кривая 1). Затвердевание потока наступает раньше окончания заполнения, так как время заполнения, равное отношению длины отливки к скорости потока, превышает максимально допустимое по условиям теплоотдачи. Рис. 93. Изменение температуры по длине потока в момент окончания заполнения |
Для алюминиевого сплава АЛ2 (tзал = 620°C и tф→tк = 500°С) имеем
Расчету по этой формуле соответствует кривая 2 на рис. 93, из которой видно, что температура потока приближается к температуре окончания затвердевания tсол = 580°С в момент прохождения потоком всей отливки.
В сечениях, расположенных ближе к концу потока, наблюдается более интенсивное охлаждение металла.
Для цинкового сплава ЦАМ 4-3 (tзал = 420°С и tф→tк = 300°С) имеем
Характер изменения температуры по длине отливки из цинкового сплава (кривая 3) показывает, что затвердевание потока наступает после окончания заполнения формы.
Расчеты по вышеприведенным теоретическим формулам не выявляют температурного интервала затвердевания, при котором возможно продолжение движения затвердевшего металла.
Необходимо выбирать такие тепловые параметры процесса, чтобы участок затвердевания на конце потока имел минимальную длину. При этом, несмотря на наличие некоторого объема твердой фазы, металл сохраняет жидкотекучесть и при встрече отдельных потоков или капель будет хорошо свариваться.
После окончания заполнения наилучшими тепловыми условиями формирования отливки будут такие условия, которые могут обеспечить процесс подпрессовки расплавленного металла.
Для создания непрерывного питания отливки жидким металлом необходимо, чтобы питатель затвердевал позже отливки или хотя бы одновременно с ней после действия подпрессовочного усилия.
При заполнении формы по принципу минимального трения сплошным потоком через питатель (толщина которого приближается к толщине отливки) создаются наиболее благоприятные условия для осуществления направленного затвердевания.
При изготовлении литьем под давлением тонкостенных отливок сложной конфигурации неизбежно применение принципа максимального трения с заполнением через тонкий щелевидный питатель. Так как площадь поперечного сечения питателя намного меньше сечения отливки, то питатель затвердевает раньше отливки.
Для эффективного использования усилий прессования и подпрессовки с целью повышения качества отливок необходимо найти тепловой режим формы, при котором возможна направленность затвердевания.
Исходя из формулы (76) можно для питателя и формы написать следующие зависимости:
tпит = t'пит + Kt (пит) (t'м — t'ф); tф = t'ф + Kt (ф) (t'м-t'м)
где tпит и tф—температуры поверхности стенок питателя и формы в момент времени τ; t'пит и t'ф —начальные температуры подогрева питателя и формы, которые можно считать равными друг другу; Kt (пит) = φ1(z) и Кt (ф) = φ2(z)—коэффициенты, характеризующие степень приращения температур на поверхности питателя и формы, определяемые по номограмме (см. рис. 87).
Нетрудно установить, что tпит > tф, так как скорость движения металла в питателе υпит выше, чем скорость движения металла в форме υф и, следовательно, Kt (пит) > Кt (ф) поскольку величина z определяется критериальным уравнением
z = 6,35υi0,65τi0,5
Таким образом, всегда можно найти значения τпит, υпит, τф и υф, при которых tпит больше tф на величину, обеспечивающую одновременное затвердевание На основе расчетов А. И. Вейника с введением значений tпит и tф получена формула для определения площади сечения питателя Fпит:
(101)
где Sпит — периметр питателя в см; Vотл — объем отливки в см3; Fотл — площадь поверхности отливки в см2.
Отношение Vотл/Fотл=Mотл является приведенным размером, который для тонкостенной плоской или коробчатой отливки приближенно равен Мотл≈Н/2.
Отношение Fпит/Sпит = Rпит является приведенным размером питателя; для щелевидного питателя Rпит = h/2.
После подстановки значений приведенных размеров питателя и отливки в формулу (101) имеем
(102)
Следовательно, при литье под давлением между толщиной стенки отливки и толщиной питателя можно установить соотношение, характеризующее взаимосвязь гидродинамических и тепловых режимов заполнения формы.
В выражении (102) температура жидкого металла соответствует температуре заливки t'м = tзал.
