АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ РАСПЛАВА В ФОРМЕ ПРИ ТОЧНОМ ЛИТЬЕ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Медведева О. Л., Можаев В. М., Плющ Г. В., Черненко Н. Г., Карножицкий В. Н.


Действие на расплав центробежных и кориолисовых сил

При точном литье ювелирных изделий с центробежной заливкой жидкий металл испытывает действие различных физических сил. Под действием центробежных и касательных сил возникают гидростатические и гидродинамические явления: изменяется геометрия свободной поверхности жидкого металла, величина давления металла и закон распределения давления в слое, изменяются силы давления на стенки сосуда и скорость течения металла в каналах [1].

При снижении температуры расплава ниже температуры ликвидуса происходит кристаллизация расплава по всему объему отливки. Вследствие образования кристаллов по всему сечению расплав представляет собой гетерогенную систему. Вязкость такой системы значительно больше вязкости перегретого расплава. В результате увеличения вязкости ухудшаются условия питания и снижается жидкотекучесть кристаллизующего расплава. Для обеспечения оптимальных условий питания к распла¬ву необходимо приложить значительные давления. Такие давления создаются в расплаве при центробежной заливке.

Для расчета центробежных сил полость литника условно разделили на четыре части и определили удельное давление в центре массы выделенных участков.

Величина центробежной силы равна [2]

где m — масса выделенного элемента, кг; m = ΔrSp: S — площадь поперечного сечения литника, м2; Δr — длина участка, м; p — плотность расплава, кг/м3; n — число оборотов центробежной машины, об/сек; R — радиус центра массы участка, м.

После подстановки режимных параметров центробежного литья (n = 252 об/мин = 4,2 об/сек; p = 11 100 кг/м3; Δr = 0,0325 м; R=0,331 м) вычислили давление в центре тяжести первого элемента.

Аналогичным образом определили давление в центре тяжести других элементов: Р2 = 0,91кгс/см2; Р3 = 1,0 кгс/см2; Р4 = 1,08 кгс/см2 (рис. 1).

Как следует из (1), центробежная сила изменяется прямо пропорционально радиусу, плотности расплава и квадрату числа обротов.

Так как расплав перемещается относительно вращающейся системы, то в этой системе возни-кает кориолисова сила, равная

где θ — относительная скорость движения расплава в литниковой системе. Принято θ = 2 м/сек. Удельное давление, создаваемое корйолисовой силой, равно

Направление вектора кориолисовой силы обратно направлению вектора скорости вращения.

Следовательно, в стадии заполнения формы кориолисова сила соизмерима с центробежной силой, что может оказать влияние на гидродинамику заполнения отливок, расположенных в направлении, противоположном скорости вращения опоки. Поэтому результирующее давление в отливках, расположенных в направлении, противоположном направлению вращения опоки, значительно меньше центробежного давления. Это вызывает образование недоливов тонких каналов и одновременно уменьшение скорости движения расплава и ухудшение условий питания кристаллизующейся отливки. Отрицательное влияние кориолисовых сил можно уменьшить за счет дополнительного вращения опоки вокруг собственной оси. При таком вращении опоки создается пульсирующее динамическое воздействие на кристаллизующийся расплав, что оказывает положительное влияние на свойства отливки.

Влияние кориолисовых сил минимально при радиальном расположении отливок, но в этом случае усложняется литниковая система. Одним из вариантов литниковой системы может быть канал, имеющий форму винтовой линии. Следует учитывать, что кориолисовы силы оказывают значительное влияние только в стадии заполнения отливки. После заполнения «елочки» скорость относительного движения мала, поэтому кориолисовыми силами можно пренебречь.

Действие капиллярных сил

При движении расплава в тонких каналах (капиллярах) дополнительное сопротивление создается силами поверхностного натяжения. Капиллярное движение расплава определяется параметрами смачиваемости формы и числовыми значениями поверхностного натяжения расплава. Для несмачиваемых поверхностей направление результирующих капиллярных сил совпадает с направлением движения в том случае? если температура поверхности канала увеличивается одновременно с увеличением радиуса формы (рис. 2).

Такое распределение температуры в радиальном направлении можно получить при скачкообразном повышении температуры печи в заданном промежутке времени. При таком режиме термообработки температура периферийных слоев формы будет выше температуры центральной зоны формы.

В качестве примера определены параметры режима прогрева формы с начальной температурой Tф = 250oС при повышении температуры в печи до 1100oС.

При лучистом теплообмене суммарный коэффициент теплообмена на поверхности опоки достигает 150 вт/м2 . град, что соответствует критерию

При таком критерии Вi фронт прогрева достигает оси опоки, если критерий Фурье F01 = 0,045, т. е. в течение

Используя номограмму А. В. Лыкова [3], определяем повышение температуры периферийных слоев опоки в течение 104 сек

Аналогичным образом можно вычислить и другие режимы градиента температур в радиальном направлении формы.

Таким образом, оптимальные гидродинамические- условия заполнения и питания отливок создаются при перепаде температур по радиусу опоки. Причем минимальная температура должна быть в периферийной зоне.

Отрицательное влияние кориолисовых сил можно устранить путем вращения опоки вокруг собственной оси или размещения отливок в радиальном направлении.


ЛИТЕРАТУРА

1. Юдин С. Б., Левин М. М., Розенфельд С. Е. Центробежное литье. М., «Машиностроение», 1972.

2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М., «Наука», 1964.

3. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1968.