铝合金压力铸造中压铸模水基脱模剂喷涂时液滴速度分布特征研究

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第 3卷第 5期 6V 13 o .6No. 5

山东大学学报 (工学版) J U N LO H N O G U I R IY( N IE R N CE C ) O R A FS A D N NVE ST E G N E I GS IN E

20年 1 06 0月Ot 06 c .2 o

文章编号：6236 (0 60 - 0 .4 17.9 120 )50 1 - 0 0

幸口△ 口ii=

金压力铸造中压铸模水基脱模剂喷涂时液滴速度分布特征研究胡心平，赵国群济南 20 6; 2 50 1 .山东轻工业学院机械工程学院，山东 济南 20 0 ) 5 10

( .山东大学 1

材料科学与工程学院，山东

摘要：究了铝合金压力铸造中水基脱模剂喷涂压铸模具时的液滴速度分布特征 .脱模剂喷涂过程可简化为圆形研

湍流射流和雾化过程，雾化的脱模剂液滴在射流径向方向直径大小以及液滴速度影响了模具表面的冷却强度 .根据流体力学的能量和动量方程，导出脱模卉液滴在( r处的速度与该截面的最大速度之比，引用其他研推 l】, )并究者的实验数据对该结果进行了验证 .其结果表明，实验数据与本文结果吻合良好，用紊流射流原理可以分析采脱模剂喷涂过程的某些物理特点 . 关键词：脱模剂；喷涂；速度分布；压铸模具；压力铸造中图分类号：G 4 . T 294文献标识码： A

On d o ltv lct it i to h r ce swih wa e a e e r p e eo iy dsrbu in c a a tr t t rb s d d i r la i g n pr yn n AIaly d e c sig ee sng a e ts a ig i l a tn o i

HU n p n I, ZHAO o q n Xi- i g Gu— u

( . col f a r l Si c n nier g S adn n esy J a 5 0 1 C i; 1 Sho o t a c nea dE g e n, h ogU i r t, i n20 6, h a M e s e i ni n v i n n2 Sh l f cai n ne n, S adn stt o Lg tn ut, J a 5 10 C i ) . o hnc E g er g c o Me l a i i h ogI tue f i d sy n n i h I r in 2 00, hn n aAb t a t h

e tr so rp e eo i i r uin o ae a e i ee sn g n ly dec t g sr c:T e fau e f o lt lct d s b t f trb s d de rla i ga e t n A1 o i a i d v y t i o w i l a s n

e g er g ees de . h i sr igcu ecnb ipie u dt rn j da mzt n T e n n e n r t i T ede pa n or a es l di r n r te a t i i、 i i w u d y s m f no i oe t n o ao hc l g s e gh o i s r c s if e c d b h r pe imee d v l i it b t n a n h a i o i t n t fde u f e i n u n e y t e d o ltd a tr a eo t ds u i 1 g t e r da n r a l n c y i r o o l drcin o tm z d d er la ig a e t n t e b i o n ry e u t n a d mo n u e u t n h t f i t f o e i ee n g n .O a s f e g q ai me tm q ai,t er i o e o a i s h s e o n o ao

dol e i rp t l t,r otem x u e c n n s tno i rl i gn W oc dd e v o y“( c )t h aim vl i Ur i m ot y￣ e i f ee e n aet a cnl e, x co d a g s s uw ih Wa h c e .y a o e s ac e x e me tl aa h e rs l h w ta ec n l dn aaa c r s h c s c e k d b t rr e r h r e p r na t .T ut s o t h o cu i gd t c o d n h e s i d e s h tt h x rme t aawe l n d s me p y ia e t rs i i p a i g ae e pan d b h e r fr u d o t e e p i n a d t l,a o h sc fau e n d es ryn x lie y t e t o y o o n e l l r h

t r te. oe t rn jKe r s ela i g a e t p a ig eo i i r uin;d e c t g d e i a t g y

wo d:r e n g n;s ry n;v l t d s b t s c y t i o i a i i;d e c i s n s n

模剂 .由于水基脱模剂在使用过程中，冒黑烟，不调

0引言 铝合金压力铸造中，对压铸模具喷涂时采用的脱模剂主要有油性脱模剂，基脱模剂以及粉体脱水收稿日期：060-8 20 . 0 5

节模具工作温度效率高，易实现喷涂自动化，容因而

在现代压力铸造生产中广泛使用 .水基脱模剂一般由基础材料，化剂，乳添加剂，水等十几种原料组成 . 优质的脱模剂不仅可以在高温下起到润滑作用，同

作者简介：胡心平(99,, 16 )男湖南衡东人，博士，在站博士后，副教授，主要研究方向为压力铸造、压铸模及其延寿E mal u x p@ 1 3. o - i:h x p 6 c m

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第3 6卷

时可避免金属液对型腔表面的冲刷，善模具工作改

雾化后会形成直径不同的液滴，为了评价雾化质量及表示雾化特性，工程中通常采用能够表示不同液滴直径的数量、质量和体积的液滴尺寸分布表达式或液滴平均直径来表示 .根据雾化机理的不

条件，防止粘模，降低模具的导热率和模温，调节模具各部分的温度使之达到相对稳定，改善成形性，所形成的薄膜还可以减少铸件与模具型腔特别是型芯之间的摩擦与磨损，延长模具寿命【】在铝合金压 l.卫力铸造中，如果改进水基脱模剂的喷涂工艺，善模改

具中的温度场，降低模具中热应力的产生和残余拉应力的积累，无疑将大大提高模具寿命 .脱模剂的喷涂过程，以简化为圆形湍流射流和雾化过程 .可

同，可以推导出雾化的液滴尺寸分布预测函数即理论分布函数 .假设液滴随机形成，则服从于正态分布；如果列_滴直径 D取对数，液、可以得到对数正态分布函数 ”.不过，压力铸造脱模剂喷涂过程中，们比较在人

实践表明，雾化的脱模剂液滴尺寸在射流径向方向的大小以及液滴的速度影响了模具表面的冷却强度.开展对于脱模剂喷涂的流体力学和热交换过程的基础研究，讨脱模剂对于模具表面的喷涂速度探

关心的还是脱模剂喷射后在某处截面中的液滴尺寸及其大小 .喷射到模具表面某处

的液滴尺寸大，其所包含的脱模剂的有效成分比较高，同时其在模具表面上沸腾蒸发所带走的热量也比较高，对模具表

以及喷涂雾化后液滴尺寸大小的分布，有助于把握喷涂时模具表面某处的喷涂强度，而优化喷涂过从程，为喷涂工艺制定和改进提供理论参考 .

面会有更加强烈的冷却作用 .文献【】出了不同 4给 水压下的液滴平均直径，其结果表明喷射中心部位附近液流流量大，液滴数目多 . 脱模剂的喷涂过程，当于流体力学中的射流相过程 .流时，射不论射流的速度多么小，离开出射在点不远的一段距离后，流将变为完全湍流 .同时射射流的横向尺寸将远小于纵向尺寸，向速度远小横于纵向速度，理量的纵向梯度远小于横向梯度 .物

1水基脱模剂喷涂时的雾化及其液

滴速度分布特性研究图1为铝合金压力铸造中，在采用直立式喷涂机时的水基脱模剂喷涂示意图 .脱模剂从喷管中喷射出去后，呈一定角度的圆锥射向模具表面 .喷涂脱模剂时，如果喷射压力低，模剂喷射出来后经碎脱

在忽略压：梯度的情况下，匀对于圆截面射流，根据能量守恒和动量守恒，在柱坐标系统 (图 1中的 F 如 - X坐标系统 )中有以下方程成立【 . 5】+ +旦：0,

裂会形成液片、液线及许多大颗粒液滴，同时喷出的液流在未接触模具表面前就已经偏离喷射方向而向

() 1‘ .

下落下 .而在喷涂压力比较大的情况下，脱模剂呈雾状喷出，实践表明此时的喷涂效果较好 .脱模剂的雾化是在内外力的作用下，脱模剂液体的碎裂过程.脱模剂离开喷嘴后，在空气动力的作用下，生产一

“+一：pr 3一 “—

3u

r

() z, 2

“,

分别为，方向上的速度分量，』湍流 r r为

切应力， . 0为流体密度 .

个横向的切应力，而使喷射液流转变为紊流状态 . 目，前在压力铸造工业中一般采用圆形喷管.

基于以上方程，结合脱模剂喷涂过程中所表现出来的特征，面，喷涂剂喷涂时时喷涂方向上喷下就

嘴出口前：某截面处的脱模剂速度分布进行推导 .疗 在喷嘴出口处，作为初始条件，可以假设空气动力作用为零，产生横向的速度，不而此时脱模剂也假

设具有均一的速度；而在无穷远处，模剂速度将衰脱减为零 .因此，脱模剂喷涂时，面方程的边界条件上为： r=0时，=, 0 r=∞时，“=0 .=0;

在整个射流中，射流总动量通量保持常数，1动型板； .动模； . . 2 3喷管组； . 4喷涂机； 5静型板； . . 6静模图 1水基脱模剂喷涂示意图Fi 1 S h mai fwae a e i ee sn g n pa ig g. c e t o trb s d d e rla ig a e ts ryn c

. J 2d,'….=:同时根据相似性，圆形射流宽度为 r且，r=

( 3 )

常数 X .

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胡心平，:等铝合金压力铸造中压铸模水基脱模剂喷涂时液滴速度分布特征研究

3

为了方程式的简便，这里不失一般性，引入比动量，=,流体力学基本方程的分析中假设它 在I ( J

处r位置的速度与最大速度的比值是

一 ( I:

U a rx n

) .

¨…

是一个常数 .

湍流切应力可以通过以下方式的处理来获得.湍流中，根据湍流切应力与粘性切应力相似的假设，局部的湍流切应力与平均速度梯度成正比，因此，

2水基脱模剂喷涂时的速度特性实 验与讨论为了研究脱模剂喷涂时的流体力学特点，Gw L等设计了一套实验装置并进行了一系列实验. i u

" P一= 1, C er P1 t 2 l=m m 3 l￡≈ a b,Z≈ 1 b,

实验测定了喷射水且喷嘴距离模具表面 3 l喷 0m l T,射中心半径为 1 m的范围内， 0m空气压力为 2b r a时，在水压分别为 2 a,. r2 8 a时液滴冲击 r24 a, . b b b r表面的平均速度及其分布情况，结果如图 2所其示【 . 4显然，】水压越高，液滴从喷嘴中喷射出来的速度越高 .另外从其实验数据中，以得到在液流的可 冲击中心部位，液滴速度最大的结论，显然符合公式(1的结果 . 1)-

上式中， z为普朗特混合长度，为湍流运动粘性 e

系数，, a a是无量纲常数，其数值由实验确定 .在求解方程 () ()为了对物理量进行无 1,2时，量纲化处理，引人流函数 ( r,, )

并且做相似变换，,得

(,=￡F )=÷. ( r。 (,— 4 ) )E0

于是，得求1a r

-,￣ a - 2 r b. r//墨永医 24br￣ u 2 a/￣: .b j 8a

1F ( )’

:

一：【,下】 5 一 J ÷了， ),( 3一

艘毁馔锯-

代人动量方程 ()得， 2,

() L () 0 ( ()等=. 6++ )边界条件是： F0 ( )= 0 0,F ( )= 0 .

—2 0一：水压~为铡量位置/ mm df r n ae rsu e ie e t trp es r w

图 2不同水压下液滴冲击表面的平均速度及其分布Fg2 Tem a r l t e c yadi ir uo i. h endo ej l i s si tni p te v o t n td tb i n

积分上式，得FF= F一 .

其满足边界条件的一个特解为：F:—1+ 1

将Gw L i的数据进行处理，到在 X= u等得() 7

.

3 m 0@不同位置 ( r的速度比， a r, )然后利用公式 ( 1计算其数学解后进行对比， 1)得到在不同水压下距模具表面 3 l处与其最大速度之比及其分布情 0in n况分别如图 3图 4和图 5示 .,所

因此，3 1

一而

’() 8

式中，r l r

() 9图 3水压为 2br a时速度比及其分布

轴线上最大速度为3 K 一

一

8t r

’

(0 1)

F g、 T e v l i ai d i it b t n u d r2 b r i- h eo t rt a t d s iui n e a c y on s r owa e r s u e tr p e s r

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第3 6卷

1 0 . 0 0 .

采用几个喷嘴就可以对整个模具型腔表面进行喷涂.

丑0 .

3结论 铝合金压力铸造中，对模具表面喷涂脱模剂过

瑙 0.

0 ..

1 0

. 5

0

5

1 0

距喷射中心距离：r ll/ n l l

程与流体力学中的紊流射流过程相似，脱模剂液滴在 ( r处的速度与该截面的最大速度之比为 , )/

Z=

图 4水压为 24br .时速度比及其分布 aF g 4 T e v lct ai n s dsr uin u d r2 4 b r i . h eo i r t a d i i i t n e . a y o t tb owa e r s u e trp e s r

(

)该果实数在射 .结与验据喷中

心附近吻合良好，而在喷射流束外缘部位，在空气动力的作用下，液滴运动速度要比理论值高 .采用紊流射流原理可以分析脱模剂喷涂过程的某些物理特点.参考文献：

[]王益志 .基涂料在压铸生产中的应用[]特种铸造及 1水 J.有色合金，99 ( )4—8 19,6:54 .WA —h . p l ain o ae -ou l lae a e ti e NG Yiz i A p i t fw trs lbe r e s g n n d c o e i

csn n l t n J .Sei atg& N n r u l y, at gp x co[] pc lC i i ui a sn ofr sAl s eo o 图 5水压为 28br . a时速度比F g 5 T e v lct ai a d i s iu i n e 8 b r i . h eo i rt t d t b t n u d r y on si r o 2. awa e r s u e trp e r

19,( 4—8 9 9 6:54 .

[] 2修毓平 .铸用水基脱模剂的选用方法[]特种铸造及压 J.有色合金，0 0 ( )7.6 20,6:57 .XI — ig h e m to s o i c t g d e r la ig a e t U Yu p n .T e h d d e a i e n g n f s n i e s

从图 345,,中可以看到，在喷射中心附近，实验数据与理论计算结果吻合较好 .说明在射流的中心部位，由于流体与外界能量与动量的交换可以忽略，因而假设的动量与能量守恒成立 .是，射流的但在边缘部位，由于外界空气的大量混入，且与之进行并激烈的能量和动量交换，流中的液滴产生一个附射加的切向运动，液滴散开，空气动力的作用下，在使

s etn[] pc at g& N n r u ly,20, e c o J .Sei C i li l a sn ofr sAl s 00 eo o( )7—6 6:57 .

[]曹建明 . 3喷雾学[ . M]北京：机械：业出版社，0 5 E 20

. C OJ - i A i T t i tnsi c[ . ei:CiaM— n a m培.Ao z i e e M] B i g h a m ao c n j n nc ie P e s 0 5 hn r s,2 0 .

[]LU G W,M R I , L Y O 4 I O S S C A T N B R.C a c rai f Y hr t i tno a es ote s ry c o ig h a r n fr iv le n a hg r su e de h p a o l e tt se ov d i ih p s r n a n e i

得实际的液滴运动速度比理论值要高 . 采用紊流射流原理可以分析脱模剂喷涂过程的某些物理特点并应用于生产实际 .在喷射的中心部

csn n esJ .I em Si 20, 9 525 1 a i p￣ s[] n J r c, 0 0 3:8—9 . tg c tT h []赵学端， 5廖其奠 .粘性流体力学[ . M]北京：机械工业出版社，9 3 19 . Z A u—u,L O Q— a .Mehn so i osf i H O X eda n I i n A i d cai fvcu u c s ld

位，由于液滴速度最大，脱模剂与模具进行热交换的 流体流量也最大，这部分的冷却速度比其他部位要快得多，因此，生产中将喷嘴对准模具受热最强烈在的地方进行喷射 .由于喷涂时脱模剂的径向运动，

[ .Bin:C i c n r s 93 M] e i j g h aMah ePe,19 . n i s

(辑：广增 )编孙