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知识篇——铸造速度与压力的关系

根据流体力学的论述,伯努利定理适用于理想流体和稳定流动,其方程式为:

p/ρ+gz+1/2q2=Const

它是一维流动问题中最重要的一个关系,而且在整个流体力学的领域里也具有根本的重要性。它是一个能量守恒的表达式,因为每一项都代表单位质量的能量:第一项是压力所做的功,第二项是由于重力而引起的势能,而第三项是动能。

于是,按照铸造过程的金属流动来看,压室内熔融金属从冲头速度加速到内浇口的过程,便可根据伯努利方程式列出如下的表示式,即

p n/ρ+gh n+1/2v2 n=p b/ρ+gh s+1/2v2 c

    式中p n —内浇口处通过金属流之前的压力(公斤/厘米2 )

    ρ—熔融金属的密度(公斤/厘米3 )

     g —重力加速度(981厘米/秒2 )

     h n —内浇口压力头高度(厘米)

     v n —内浇口速度(厘米/秒)

     p b —压室内作用于金属上的压力(公斤/厘米2 ),此处实为填充比压,符号应为pb c,但为叙述方便,直接用p b列出

     h s —压室的压力头高度(厘米)

     v c —冲头速度(厘米/秒)

但是,对于铸造过程来说,对上述表示式可作如下的分析:

内浇口处通过金属流之前的压力p n,在模具上开有足够的排气道的情况下,相当于大气压力,而压室内作用于金属上的压力p b(实为填充比压)则甚大于大气压力,故移项后,p b-p n的差值与p b十分接近,所以p n项可忽略不计。

内浇口的压力头高度h n和压室的压力头高度相差只有几厘米,因此,可按相等看待,在等式的两边的抵消而消除。

冲头速度v c与内浇口速度v n相比,由于面积F S和F n相差十几倍甚至几十倍,故冲头速度总是比内浇口速度小十几倍或几十倍,况且在伯努利方程式中还是一个平方数,因此,v c也不予计入。

于是,表示式可简化为

1/2v2 n = p b /ρ

即  v n=(2p b/ρ)1/2   

当密度ρ用比重r来表示,即

ρ=r/g

所以,内浇口速度 v n与压力(填充比压)的关系式便可写成

   V n=(2gpb/r)1/2   

但是,熔融金属毕竟不同于理想流体,熔融金属本身的物理特性(粘性、表面张力、内磨擦等)造成的速度损失必须加以考虑,同时,金属的流动还与浇道几何形状、流动规律(撞击、转向、气体阻碍等)有关,这些都是使速度损失的因素。 因此,设η为流动时受到各种影响而使速度降低的总的系数,并称之为阻力系数。这个阻力系数可大致地定为0.358。于是内浇口速度与比压的关系在计入阻力系数后的计算式为:

v n=0.358(2gpb/r)1/2  

当内浇口速度已经选定,则比压p b(实为填充比压pb c)可由下式求得

p b=v2 nr/(2g*0.3582 )

生产中,由于机器的驱动系统、传动机构中的压力均有损失,阀门的开闭可能滞后,机器运动零部件惯性、运动时的各种摩擦阻力以及压力液的泄露等等因素的存在,使填充比压和冲头速度都有所损失,而损失的程度,则是以机器的效能而定,这种效能可以通过仪器测定。调节机器时,预定的压力(比压)和冲头速度便根据损失的程度,按计算出的压力适当加大,从而冲头速度也随之得到补偿。