Процессы формовки в литейном производстве: классификация, виды и специальные методы

Классификация процессов формовки

Формовка (Moulding Process) — создание формочной полости из формовочной смеси. Широко классифицируют по двум основаниям:

1. Ручная формовка (Hand moulding) — мелкосерийное/единичное производство.
2. Машинная формовка (Machine moulding) — крупносерийное/массовое.

По материалу формовочной смеси

1. Формовка в зеленый песок (Green Sand Moulding)

Универсальный, быстрый, дешевый метод для качественных чугунных и цветных литьев. Зеленый песок: кварцевый песок + вода + бентонит + добавки (угольная крошка для чугуна). Смешивают в пропорциях для требуемых свойств. Природные или синтетические смеси.

2. Формовка в сухой песок (Dry Sand Moulding)

Технология как для зеленого, но другая смесь и вся форма сушится в печи перед сборкой и заливкой. Зеленый песок держит форму за счет влаги и глины. Сухой — за счет добавленных связующих: мука, смола, патока, глина. Количество связующего — по размеру литья. Смесь тщательно перемешивают и влажнят тонким слоем глинистой воды.

3. Поверхностная сушка (Skin-dried Moulding)

Сушат только поверхностный слой (≈25 мм и более) газовыми горелками/нагревателями. Сочетает достоинства зеленого и сухого песка. Дешевле полной сушки (меньше времени). Для очень крупных форм или высокой точности деталей.

4. Лепная формовка (Loam Moulding)

Лепной песок = глина + песок + вода → пластичная масса. Содержит огнеупорную глиню/ганнистер. Должен прилипать к вертикальным стенкам. Требует принудительной вентиляции (поры в плотной массе): добавляют солому, навоз (лошадиный). Наносят штукатуркой на грубую кирпичную/каркасную форму, профиль задает вращающаяся шабель вокруг шпиндели. Листовые чугун/арматура укрепляют кирпич. Поверхности почернивают и сушат перед сборкой. Применение: крупные литья (цилиндры, котлы, химические ванны, крупные шестерни), где модели и фляги слишком дороги.

По методу изготовления формы

1. Верстачная и напольная формовка (Bench and Floor Moulding)

Верстачная — малые формы на верстаке удобной высоты. Напольная — тяжелые/глубокие/крупные формы прямо в песке пола цеха. Пол = нижняя фляга, верхняя — копейка или открытая заливка.

2. Ямная формовка (Pit Moulding)

Для очень крупных литьев. Яма в полу цеха — играет роль нижней фляги (не переворачивается). Песок под моделью укачивают (bedded-in) или модель подвешивают при укачке. Дно: кокс → солома → песок (укладывают/ровняют). Коксовая подушка соединена с атмосферой вертикальными вент-трубами (выход газов). Влажный пол — обкладка смолой/кирпичом/досками. Обычно одна фляга (копейка). Стволы, впуска, подливки вырезают в ней.

3. Шабельная формовка (Sweep Moulding)

Для тел вращения. Этапы: база и шпиндель в полу → засыпка/укачка песка до приближенной формы → шабельный держатель на шпиндели, шабель (профиль) болтами → вращение шабели формирует точный контур → извлечение шпинделя, заделка центра → вырез впуска → готовность к заливке.

4. Формовка на пластинах (Plate Moulding)

Модель разделена по разделяющей плоскости, половинки закреплены на пластинах с параллельными боками. Преимущества: легкая/быстрая манипуляция моделями; пластина сама формирует стык половинок фляги; быстрое извлечение модели (пластина перекрывает флягу, шплинты-направляющие).

Специальные процессы формовки (химическое отверждение)

Развиты для экономии времени/ресурсов, качества форм/сердечников, производительности. Не требуют сушки/обжига — быстрое затвердевание химической реакцией. Распространение растет.

1. CO₂-формовка (Carbon Dioxide Moulding)

Процесс отверждения форм/сердечников. Принцип: пропускание CO₂ через смесь с жидким стеклом (натрий силикат) → мгновенное гелеобразование → высокая прочность. Гель дает необходимую прочность.

2. Ферросилицевая формовка (Ferro-silicon Moulding)

Принцип: натрий силикат + порошковый ферросилиций (масс. 2.25:1) → пенообразование + экзотермическая реакция → нагревание → силикатический песок образует твердую пенообразную массу. Без обжига. Для чугуна — сухой чистый песок 65 mesh; для цветных — 100 mesh. Формы покрывают облицовкой (wash).

3. Дикальциевосилицевая формовка (Dicalcium Silicate Moulding)

2–3% дикальциевого силиката (эффективный отвердитель) + 5% натрий силикат + пенинг-агенты → текучесть смеси растет, укачка не нужна, смесь сама затекает в форму. Итог — твердая масса с хорошей распадностью. Главное преимущество: огромная экономия труда и оснастки (нет сушки/обжига). Качественные литья без дефектов. Средние и крупные литья (серый чугун, сталь).

4. Цементно-песчаная формовка (Cement-Sand Moulding)

Портландцемент как связующее. Хорошая комбинация прочность/газопроницаемость/текучесть — цемент + жидкое стекло. Пенная цементная суспензия (пенинг-агенты) → укачка минимизируется. Хорошая связь: ~2% цемент, 4–5% жидкое стекло, 1% пич/патока. Гладкие точные поверхности. Недостаток: трудно выбивать форму из флаги.

5. Оболочечная формовка (Shell Moulding / Croning Process)

Вариант смольно-песчаной технологии (сталь, чугун, цветные сплавы). Тонкий песок (100–150 mesh) + термореактивная смола → нагретый металлический узор (лучше серый чугун). Нагрев → смола полимеризуется → песок сцепляется в прочную оболочку, точно повторяющую узор (половина формы). После отверждения снимают, ставят сердечники, соединяют половинки, в флягу с засыпкой — готово к заливке.

6. Горячее и холодное коробковое формование (Hot & Cold Box Moulding)

Hot-box (преимущественно сердечники): те же материалы, что shell, но смола покрывает зерна песка. Смесь надувается на нагретый узор/коробку (200–300 °C) → твердая масса (не тонкая оболочка). Спец. машины: надув, отверждение, извлечение. Выше точность и производительность, чем shell. Для мелких литьев крупных серий.

Cold-box: сухой песок + полиизоцианатная смола + алкидно-фенолная смола → надув в герметичную коробку сердечника → впрыск газообразного катализатора (триэтиламин) → уретановая смола застывает за 20–30 сек. Без нагрева узора. Простое, высокопроизводительное сердечникование для мелких литьев крупных серий.

7. Инвестиционная формовка (Investment Moulding / Lost Wax / Precision Casting)

Высокая точность, без механической обработки. Два этапа: мастер-модель (дерево/металл) → форма из желатина/сплава низкотемпературного плавления (двухчастная, разборная) → «потерянная модель» (воск/пластик). Далее — керамическая оболочка на восковой модели, выплавка воска, обжиг, заливка.

8. Гипсовая формовка (Plaster Moulding)

Форма из гипса/пластик-парيس. Гипс + тальк/асбест/волокна/силицевая мука + вода → суспензия → заливка на металлическую модель во фляге → вибрация/застывание (30 мин) → извлечение модели → сушка/обжиг 200 °C в конвейерной печи → сердечники, сборка, заливка → остывание, выбивание, удаление литейной системы.

9. Керамическая формовка (Ceramic Moulding)

Густая керамическая суспензия (спец. керамические наполнители + спиртоосновной силикоэфирный связующий) → заливка на многоразовый разборной металлический узор (на подкладной пластине) → самоуровнение, без укачки/вибрации → извлечение узора (3–5 мин) → твердитель → обжиг 980 °C (удаление связующего) → заливка расплава.

10. Вакуумная формовка (Suction Moulding / V-process)

Создают вакуум в формочном пространстве → песок засасывается, заполняет полость → укачка в модели. Для чугуна, стали, алюминия.