Литейные системы (Gating Systems): назначение, элементы, виды и расчет

Что такое литейная система

Впуск (gate) — канал, непосредственно вводящий расплав в формочную полость. Литейная система (gating system) — совокупность всех каналов, через которые расплав поступает в форму.

Функции литейной системы

1. Обеспечить непрерывную, равномерную подачу расплава с минимальной турбулентностью (избежать захвата воздуха и окислительных пленок/шлака).
2. Направить расплав в оптимальную точку для обеспечения направленной кристаллизации и питания усадочных полостей.
3. Заполнить форму за минимальное время (избежать температурного градиента).
4. Минимизировать излишки металла в впусках и подливках (повысить коэф. полезного выхода).
5. Предотвратить эрозию стенок формы потоком расплава.
6. Задержать шлак, песок и инородные включения (фильтрация).

Элементы литейной системы

Стандартная схема: (1) Ледяная чашка / заливная чаша (Pouring basin), (2) Ствол (Sprue), (3) Перепуск / горизонтальный канал (Runner), (4) Впуск / заслонка (Gate / Ingate).

1. Заливная чаша (Pouring Basin)

Устройство на верхней части формы (в копейке). Часто воронкообразное отверстие у верха ствола. Назначение: плавный переход из литейной ковша в ствол, поддержание требуемой скорости подачи, снижение турбулентности и вихря у входа в ствол. Должна быть достаточно большой, у стенки фляги (быстрое заполнение), глубокой (подавление вихря), и оставаться полной во всей заливке (компенсация усадки).

2. Ствол (Sprue)

Вертикальный канал через копейку, соединяющий чашу с перепуском/впуском. Сечение: круглое, прямоугольное, квадратное. Коническое сужение вниз — предотвращает засасывание воздуха и расторжение металла. До 20 мм — круглые; крупнее — прямоугольные. Круглый: мин. поверхность охлаждения, мин. сопротивление. Прямоугольный: мин. засасывание и турбулентность.

3. Перепуск (Runner)

В крупных литьях расплав от основания ствола к нескольким впускам по горизонтальному каналу. Предпочтительно в нижней фляге (иногда в копейке). Аэродинамичный профиль — ضد засасывания и турбулентности.

4. Впуск (Gate / Ingate)

Канал из перепуска в формочную полость. Расположение и сечение — чтобы скорость подачи соответствовала скорости кристаллизации. Без острых краев (могут сломаться, песок попадет в расплав). Легко удаляемые без повреждения литья.

Виды литейных систем по расположению впуска

Верхняя заливка (Top Gating)

Расплав из чаши прямо в полость. Сито (сухой песок/керамика) в чаше — контроль подачи и очистка. Легкие литья — клиновидные впуски (wedge gates). Массивные чугунные — карандашные (pencil gates): ствол = система щелей от заливной чаши; вес головы распределяется поровну → снижение эффективной высоты головы. Шлак задерживается в чаше.

Пальцевидный впуск (finger gate) — модификация клиновидного, несколько струй. Кольцевой (ring gate) — сердечник ломает падение, удерживает шлак. Преимущество: самый горячий металл наверху → правильный температурный градиент к подливкам (верху). Впуски могут служат подливками. Недостаток: эрозия формы падающим металлом — форма должна быть твердой/прочной.

Разделяющая линия (Parting-line Gating)

Расплав входит сбоку на уровне разделяющей плоскости. Позволяет установить ловушки для шлака/песка/грязи, идущих по стволу.

Скимминг-впуск (Skimming Gate)

Легкие примеси поднимаются по вертикальному колену скимминга — улавливаются. Скимминг с дросселем (choke) — ловушка шлака + регулировка расхода. Вихревой перепуск (whirlpool runner) + скимминг = вихревой впуск (whirlpool gate): шлак центробежной силой к центру → вверх в скимминг. Дроссель с подливкой (shrink bob) — двойная функция: ловушка шлака + резервуар питания усадки. Преимущества: простота, скорость, хорошие результаты при неглубокой нижней фляге, питание через подливку (горячий металл к подливке → направленная кристаллизация), экономия на чистке (нет отдельного впуска к подливке). Недостаток: возможна турбулентность при падении в полость.

Нижняя заливка (Bottom Gating)

Расплав по стволу к дну нижней фляги, поднимается вверх.

Роговидный впуск (Horn Gate)

Форма рога коровы. Форма только в копейке и нижней фляге (нет «чека»/cheek). Фонтанный эффект в полости. Вариант: сухой сердечник как нижний впуск; ствол изогнут у дна — грязеловка. Две коробки. Преимущество: мин. турбулентность, нет эрозии. Недостатки: металл остывает при подъеме → трудно направленная кристаллизация; подливка не может быть у входа (там холоднее).

Литейное отношение (Gating Ratio)

Расход расплава — функция сечений ствола, перепусков, впусков. Литейное отношение — относительные сечения: площадь основания ствола = 1, затем суммарная площадь перепусков, затем суммарная площадь впусков. Пример: ствол 1 см², перепуск 3 см², три впуска по 1 см² → отношение 1:3:3.

Отношение показывает, сужается или расширяется суммарное сечение к полости. Два типа систем:

• Давленная (Pressurised) — суммарное сечение впусков < основания ствола. Отношения: 1:0.75:0.5, 1:2:1, 2:1:1. Дроссельный эффект → давление в системе, малый объем → меньше потерь металла, выше выход. Но высокие скорости → турбулентность на стыках/углах/в полости. Для черных металлов и латуни.
• Бездавленная / свободнотекущая (Unpressurised / Free-flowing) — сечение ствола < перепуска < впусков. Отношения: 1:2:2, 1:3:3. Низкие скорости, высокие расходы → мин. турбулентность в системе и пульсации в полости. Для алюминия, магния и сплавов с высокой текучестью/склонностью к окислению.