Гидромеханические явления процесса формирования отливок, страница 5

Верхняя литниковая система (верхний подвод металла) – рис. 30, отличается высоким коэффициентом выхода годного металла, а при подводе металла в прибыль и хорошими условиями питания отливки из прибыли за счет обеспечения более высокой температуры металла, попадающего в прибыль в конце заливки. Недостатком верхней литниковой системы является высокая кинетическая энергия падающей струи в полости литейной формы особенно для первого момента заливки. Большая величина кинетической энергии и силы удара первых струй расплава о дно формы могут привести к размыву – разрушению этой части формы, а также к разбрызгиванию расплава и образованию дефектов типа "корольков" (рис. 30).

Рис. 30. Схема заливки при верхней литниковой системе

Величина кинетической энергии падающего тела равна: , а для падающей струи , где r – плотность расплава; v – скорость струи в момент удара.

В гидродинамике для жидкого потока, направленного на твердую поверхность, введено понятие силы лобового сопротивления:

 (н), где w – площадь сечения перпендикулярная оси потока, т.е. площадь сечения струи; С_х – безразмерный коэффициент, учитывающий геометрические и технологические факторы и незначительно отличающийся от 1.

Таким образом, кинетическая энергия удара струи и сила лобового сопротивления пропорциональна квадрату скорости.

Из анализа выражений кинетической энергии и силы лобового сопротивления струи металла вытекают основные технологические приемы для снижения отрицательного действия верхнего подвода металла. Радикальным технологическим решением, позволяющим уменьшить силу лобового сопротивления о дно литейной формы и величину кинетической энергии, является разделение единой струи расплава на несколько струй с помощью фильтрующих сеток: керамических или стеклотканевых. В этом случае сила лобового сопротивления каждой падающей струи уменьшается в прямой пропорции к числу отверстий сетки:

, где n – число отверстий сетки, разделяющих поток на n-струи уменьшенного сечения w_с. Соответственно снижается размыв дна формы и степень разбрызгивания металла от уменьшенных струй.

Другим технологическим приемом является заливка формы в наклонном положении (рис. 31). Струя металла падает на боковую стенку под острым углом, растекается по боковой поверхности, а характер потока приближается к характеристикам пленочного течения со значительно уменьшенными скоростями.

Рис. 31. Схема заливки формы в наклонном положении

Проанализируем особенности заполнения литейной формы и методику расчета литниковой системы при нижнем подводе металла (сифонная литниковая система) рис. 32. Отличительной особенностью процесса заполнения для данного случая является отсутствие падающей струи в полости литейной формы – расплав поступает из питателя непосредственно в нижнюю часть формы, а значит более спокойно, без удара, без разбрызгивания. Недостатком сифонной литниковой системы является невысокий выход годного металла по причине большого расхода металла на литниковую систему.

Первые порции жидкого металла в стояке заполняют зумпф и последующий поток металла (его скорость гасится в зумпфе) и в питатель, а затем и в полость формы расплав поступает спокойно, без завихрений, а значит с меньшим окислением. Для уменьшения скорости движения металла и силы лобового сопротивления в зумпфе применяют зигзагообразную, а не прямую конструкцию стояка; при литье автомобильных поршней в металлической форме применяют стояк конструкции "гузнек" «гусиная шея» с этой же целью. В этом случае ряд поворотов потока расплава в стояке увеличивают гидравлическое сопротивление и снижают скорость поступления металла в питатель.

Рис. 32. Схема заполнения литейной формы при сифонной литниковой системы

Методика расчета площади сечения питателя базируется на составлении и решении дифференциального уравнения баланса металла, протекающего через сечение питателя f , и металла, поступающего в полость литейной формы постоянного поперечного сечения F (рис. 32).