Понимание литейных систем в литье: типы, проектирование и лучшие практики

В песчаном литье литейная система критически важна: её конструкция определяет качество заготовки и потери металла в литейной системе. В статье VIC подробно разбирает литейную систему в процессе литья.

Что такое литейная система в литье?

В литейном цехе литейная система — это система заливки расплава, проводящая металл в формовочную полость. Металл течёт из литейной чаши через шпрун в сток и впускные отверстия (засовы) в формовочную полость.

Проектирование литейной системы требует тщательного подхода с учётом технологии, материалов и заготовок.

Система задаёт скорость подачи металла в полость.

Слишком высокая скорость — риск эрозии формы, слишком низкая — расплав остывает до заполнения полости, что напрямую влияет на качество заготовки.

Форма и размеры литейной системы определяются при формовке. Неправильное проектирование вызывает тяжёлые дефекты.

Связаться для помощи: https://sites.google.com/view/hrv-job/

Функции литейной системы в песчаном литье

Литейная система проектируется для достижения 4 главных целей:

• Заполнение формовочной полости достаточным объёмом металла за минимальное время без повышения температуры расплава

Плавное течение металла, минимизация турбулентности, вызывающей захват воздуха

• Задание подходящего температурного диапазона, чтобы усадка происходила в литейной системе, а не в заготовке
• Комбинирование с системой удаления примесей из металла

Требования к проектированию литейной системы

Хорошо спроектированная литейная система должна удовлетворять:

• Хороший контроль потока металла. Без ударов, брызг, плавное и стабильное течение
• Не переносить шлак, примеси и газы в формовочную полость
• Быстрое заполнение полости без потери текучести металла
• Контроль температуры в полости для стабильного охлаждения металла
• Возможность доливки и минимальные потери металла
• Лёгкое разборку после затвердевания заготовки
• Экономичность и максимизацию выход пригодной заготовки (коэффициент использования металла)

При неправильном проектировании литейной системы возникают ошибки:

• Окисление металла
• Эрозия формы
• Усадка заготовки в форме
• Проникновение металла в стенку формы
• Неравномерное охлаждение заготовки

Схема литейной системы

Литейная система в песчаном литье включает:

1. Литейная чаша (Pouring basin / cup)

Воронкообразный вход наверху системы, куда из ковша вливают металл в форму.

Чаша регулирует скорость подачи металла, снижает турбулентность на входе в шпрун, разделяет осадок и шлак перед входом в шпрун.

2. Шпрун (Sprue)

Вертикальный канал от чаши к стоку и засовам. Расплав, текущий вниз по шпруну, теряет давление, но набирает скорость под действием гравитации.

Сечение шпруна может быть круглым, квадратным или прямоугольным (предпочтительно круглое). Шпрун сужается вниз для предотвращения засасывания воздуха. Верхнее сечение большее для приёма металла, нижнее соединяется со стоком.

Ножка шпруна поворачивается под прямым углом к стоку для предотвращения свободного падения расплава — образуется шпрунная яма (sprue well).

3. Поперечный сток / сток (Cross gate / runner)

Сток — горизонтальный канал, соединяющий шпрунную яму с заставами. Расплав течёт из шпруна в сток и равномерно заполняет полость. Сток гасит скорость расплава, свободно падающего в шпруне.

Сток должен быть полностью заполнен расплавом, чтобы предотвратить попадание шлака в полость и обеспечить стабильный поток.

4. Засов / впуск (Ingate / gate)

Засов — конец пути, начало формовочной полости. Направляет расплав из стока в полость. Число засов зависит от конструкции заготовки.

Два типа: большой и малый засов. Малый — для медленно затвердевающих заготовок, большой — для быстро затвердевающих.

Засов не должен иметь острых краёв — они могут трескаться при заливке, загоняя песок в расплав.

Типы засов в литье:

Засовы делят на 3 категории:

• Верхний засов (Top gate): засов в верхней половине формы (копе). Недостатки: высокая турбулентность, плохая поверхность заготовки.
• Нижний засов (Bottom gate): засов в нижней половине (драге). Расплав заполняет нижнюю часть полости и постепенно поднимается по стенкам. Преимущество: меньше хаоса и эрозии песка, чем у верхнего. Недостаток: поток может забиться из-за затвердевания до полного заполнения. Температурное поле трудно привести к стандарту — неравномерное затвердевание.
• Боковой засов по линии разделки (Parting line side gate): засов вдоль линии разделки. Нижний отсек заполняется через верхний засов, верхний — через нижний. Устраняет недостатки двух предыдущих типов.

Типы литейных систем

Два типа: Давленная (Pressurized) и Бездавленная (Unpressurized). Правильный выбор системы с корректным соотношением площадей определяет качество заготовки.

1. Давленная литейная система (Pressurized Gating System)

Поперечные сечения постепенно уменьшаются к формовочной полости (меньше наименьшего сечения шпрун-сток). Площадь впуска минимизируется для создания давления в системе. На заставах скорость потока почти одинакова.

Шпрун всегда полон металла, создавая избыточное давление, снижающее засасывание воздуха.

Металл движется с высокой скоростью, большая турбулентность, легко образуются вихри в заставах → эрозия.

Система особенно подходит для литья чугуна.

2. Бездавленная литейная система (Unpressurized Gating System)

Суммарная площадь засов постепенно увеличивается к полости (больше наименьшего сечения шпруна). Скорость потока на заставах различается.

Литейное соотношение (Gating ratio)

Литейное соотношение — отношение поперечного сечения шпруна к суммарному сечению стоков к суммарному сечению впусков.

Формула: As : Ar : Ag.

Для давленной системы соотношение обычно 1 : 2 : 1 или 1 : 0,75 : 0,5. Называется «система управления засовами», так как засовы контролируют поток металла.

Для бездавленной системы — 1 : 2 : 2 или 1 : 3 : 3 или 1 : 1 : 3. Называется «система управления дросселем», так как дроссель (choke) контролирует поток металла.

Таблица литейных соотношений для различных материалов:

Материал	Литейное соотношение
Алюминий	1:2:1; 1:1.2:2; 1:2:4; 1:3:3; 1:4:4; 1:6:6
Алюминиевая бронза	1:2.88:4.8
Латунь	1:1:1; 1:2:3; 1.6:1.3:1
Медь	2:8:1; 3:9:1
Шаровиднографитовый чугун	1.15:1.1:1; 1.25:1.13:1; 1.33:2.67:1

Гидростатические принципы в литейных системах

Число Рейнольдса (Reynolds number)

Предсказывает тип течения при разных режимах потока. Характер течения в литейной системе устанавливается расчётом числа Рейнольдса:

Re = ρuL/µ = uL/v

Re — число Рейнольдса

ρ — плотность жидкости (кг/м³)

u — скорость потока (м/с)

L — характерная линейная размерность (м)

µ — динамическая вязкость (Па·с)

v — кинематическая вязкость (м²/с)

• Re > 2000 — ламинарное (стабильное) течение
• Re < 2000 — турбулентное (хаотичное) течение

При турбулентном течении зёрна песка выбиваются из формы и литейной системы в полость → загрязнение заготовки, засасывание воздуха, эрозия стенок формы.

Уравнение Бернулли (Bernoulli's Equation)

Жидкий металл течёт по каналам формы по теореме Бернулли: полная нагрузка постоянна в любом сечении.

h — питовая нагрузка (м)

p — давление (Па)

V — скорость расплава (м/с)

w — удельный вес жидкости (Н/м²)

g = 9,8 (м/с²)

ρ — плотность жидкости (кг/м³)

Литейная система должна проектироваться так, чтобы расплав всегда заполнял её полностью. Все пересечения и повороты должны избегать острых углов и использовать скругления.

Как проектировать литейную систему

Проектировщик должен соблюдать требования к проектированию, изложенные выше. Ниже — формулы для расчёта подходящей литейной системы.

Детальнее: [ссылка]

1. Расчёт времени заливки

Время заливки — время заполнения формовочной полости металлом. Чем дольше время, тем выше температура заливки, и заполнение не гарантировано. Чем короче — более хаотичный поток, эрозия формы, избыточная усадка.

Оптимизация времени заливки учитывает:

• Материал заготовки
• Сложность заготовки
• Размер заготовки
• Толщину стенок

Формулы оптимального времени заливки:

• Серый чугун, масса < 450 кг:

t = K(1.41 + T/14.59)√W

K = текучесть чугуна (дюймы) / 40

K — коэффициент текучести

T — средняя толщина стенки (мм)

W — масса заготовки (кг)

• Серый чугун, масса > 450 кг:

t = K(1.236 + T/16.65)∛W

• Стальные литья:

t = (2.4335 - 0.3953 log W)√W

• Шаровиднографитовый чугун:

t = K₁√W

K₁ = 2,08 для тонких стенок
K₁ = 2,67 для толщины 10–25 мм
K₁ = 2,97 для толстых секций

• Медные сплавы:

t = K₂∛W

• Тонкостенные сложные заготовки до 450 кг:

t = K₃∛W'

W' — масса заготовки с райзерами и литейными каналами (кг)

Толщина (мм)	K₃
1,5 – 2,5	1,62
2,5 – 3,5	1,68
3,5 – 8,0	1,85
8,0 – 15,0	2,20

• Масса заготовки 450–1000 кг:

t = K₄∛(W'T)

Толщина (мм)	K₄
< 10	1,00
10 – 20	1,35
20 – 40	1,50
> 40	1,70

2. Проектирование шпруна

Идеальный шпрун — большой верх, сужающийся вниз по параболе. Для простоты производства рекомендуется конусный цилиндр. Минимальный уклон — 5%.

Выходное круглое сечение шпруна рассчитывается по площади дросселя и литейному соотношению. Это снижает турбулентность и тепловые потери.

Формула расчёта шпруна:

A₁/A₂ = √h₂/√h₁

h₁, h₂ — гидростатическое давление на вершине и подошве шпруна

A₁, A₂ — соответствующие поперечные сечения

Проектирование шпрунной ямы: Разумная яма — цилиндр диаметром в 2 раза больше выхода шпруна и глубиной в 2 раза больше глубины стока. Скругление между ямой и стоком помогает металлу плавно поворачивать под прямым углом.

3. Проектирование дросселя (Choke)

Дроссель — контрольная площадь в шпрунной яме для регулирования потока расплава в формовочную полость так, чтобы форма заполнилась за расчётное время заливки.

Площадь дросселя ключевая в литейной системе: обеспечивает постоянный и равномерный поток. Дроссель имеет наименьшее соотношение в системе и минимальное поперечное сечение в контрольной зоне.

Формула площади дросселя:

A = W / (d·t·C·√(2gH))

A — площадь дросселя (мм²)

t — время заливки (с)

d — плотность расплава (кг/мм³): Al: 2500; Cu, Fe, Ni, Co: 7000

C — коэффициент эффективности литейной системы (= 0,8)

W — масса заготовки с фидерами и литейными каналами (кг)

g = 9,8 м/с²

H — высота шпруна (мм), расчёт H:

• Верхний засов: H = h
• Нижний засов: H = h – c/2
• Боковой засов по линии разделки: H = h – P²/2c

4. Проектирование стока

Суммарное сечение стока должно быть больше выхода шпруна для снижения скорости потока от шпруна к заставам.

Приоритетное соотношение выход шпруна : сечение стока = 1 : 2. Большие пропорции могут вызвать отрыв потока и засасывание воздуха.

При нескольких заставах сечение стока после каждого засова должно постепенно уменьшаться на площадь, равную площади засова, для стабильного потока.

5. Проектирование засова (Ingate)

Засов должен быть больше выхода шпруна для ограничения скорости металла.

• Сечение засова минимально для удобства шлифовки
• Отношение объёма к площади охлаждения должно быть меньше отношения соединённой части — избегание локальных горячих точек
• Площадь сечения засова пропорциональна размеру соединённой литьевой зоны. Чем больше зона, тем больше поток, тем больше засов

6. Проектирование райзера (фидера, хедера)

Райзер — полость с расплавом в форме, подающая металл в формовочную полость для компенсации усадки при охлаждении. Размещается в зоне последнего затвердевания, дольше остаётся жидким. Также служит для удаления газов, образующихся в форме.

Оптимальный дизайн райзера:

• Размер райзера: отношение объёма / площади поверхности райзера должно быть больше, чем у заготовки, для сохранения жидкого состояния. Если не выполняется — подогрев снаружи или экзотермические материалы в райзере
• Позиция райзера: расстояние рассчитывается на основе дальности питания райзера
• Форма райзера: рекомендуется цилиндрическая (сфера идеальна, но сложна в литье). Дно — полусферическое для увеличения отношения объём/площадь

Как проверить эффективность проектирования литейной системы?

Проверка проектирования методами:

• Вода в прозрачной форме: заполнение записывается высокоскоростной рентгеновской камерой, дефекты наблюдаются
• Высокоскоростная радиография: заполнение записывается высокоскоростной рентгеновской камерой, дефекты наблюдаются
• Открытая форма: часть верхней половины (копе) вырезается, поток расплава, заполняющий полость, записывается камерой
• Контактные датчики: провода в разных частях формы, при касании металла фиксируются многоканальным регистратором
• Вода в прозрачной форме с капельками масла/цветными маркерами: упрощает запись скоростей в разных зонах

VIC — ведущий производитель литьёных заготовок из алюминия и чугуна. Специализируемся на гирях (kettlebells) высокого качества. Вопросы и сотрудничество — email: ADMIN@MFGROBOTS.COM

Читайте также:

• Как рассчитать усадку алюминиевого литья
• Как улучшить шероховатость поверхности алюминия
• Как гири делаются песчаным литьём?

Источники:

• Casting & Welding Engineering by Dr.Ahmed Salad Abou Taleb
• https://en.wikipedia.org/wiki/Reynolds_number
• https://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli%27s_principle
• https://www.ijrerd.com/