Разовые литейные формы и стержни изготовляют из материалов, которые называют формовочными. Различают исходные формовочные материалы, формовочные и стержневые смеси, а также вспомогательные формовочные составы.

Литниковые системы

Назначение формовочных материалов

Свойства смесей

Исходные формовочные материалы разделяют на основные и вспомогательные.

К основным относят пески, являющиеся огнеупорной основой смесей, и связующие (глины, смолы и т. д.), соединяющие частицы песка между собой. Вспомогательные исходные материалы (различные добавки) предназначены для придания смесям специальных свойств, например повышенной газопроницаемости.

Для получения формовочных и стержневых смесей смешивают различные исходные формовочные материалы, при этом состав смеси и количество входящих в нее компонентов зависят от назначения смеси. Кроме свежих исходных формовочных материалов в состав смеси обычно входит бывшая в употреблении смесь, подвергнутая специальной обработке (например, охлаждению, дроблению, магнитной сепарации, просеиванию, увлажнению).

Вспомогательные формовочные составы (краски, клеи, пасты) предназначены для улучшения качества поверхности форм и стержней, придания ей определенных свойств, для соединения частей стержней.

Качество форм и стержней определяется свойствами формовочных и стержневых смесей, которые должны отвечать определенным требованиям.

Текучесть - это способность смесей перемещаться под действием внешних усилий и заполнять опоки и стержневые ящики.

Пластичность - это свойство смеси деформироваться под действием внешних усилий и сохранять полученную форму после удаления модели или стержневого ящика. Пластичность зависит от состава смеси, например в песчано-глинистых смесях от содержания в них глины и воды.

Кроме того, смеси должны обладать достаточной живучестью, т. е. сохранять свои свойства после при изготовления в течение заданного промежутка времени, малой газотворностью, т. е. не выделять большего количества газов в процессе заливки, выбиваемостью - легко удаляться из отливок после их охлаждения, негигроскопичностью.

Термохимическая стойкость – свойство смеси не вступать в физическое и химическое взаимодействие с жидким металлом, его оксидами и газами, выделяющимися в процессе заливки форм. Низкая термохимическая стойкость приводит к образованию трудно отделимого пригара, ухудшающего качество поверхности отливок и затрудняющего их очистку.

Огнеупорность - способность смеси не размягчаться и не расплавляться под действием теплоты заливаемого в форму расплава.

Газопроницаемость - свойство смеси пропускать газы, выделяющиеся при заливке и охлаждении из расплава, из стержня и самой формы, а также воздух, находящийся в ее полости. При недостаточной газопроницаемости в отливках образуются газовые раковины и поры.

Податливость - способность смеси в уплотненном состоянии деформироваться под действием сжимающих усилий, возникающих в процессе усадки при затвердевании и охлаждении отливок. При недостаточной податливости смеси в отливке могут образоваться трещины.

Прочность - способность смеси в уплотненном состоянии выдерживать не разрушаясь внешние воздействия. Она должна быть достаточной для того, чтобы фор мы и стержни не разрушались при их изготовлении, транспортировании, сборке и заливке расплавом.

Литниковой системой называют совокупность каналов и элементов литейной формы, служащих для подвода расплавленного металла в рабочую полость формы, обеспечения благоприятных условий ее заполнения, а также питания отливки при затвердевании.

На рис. 1 изображена песчаная форма с литниковой системой, включающей наиболее часто используемые в ней элементы: литниковую чашу 1, стояк 2, фильтровальную сетку 3, металлоприемник 4, литниковый ход (коллектор) 5, питатели 6, выпор 7, прибыль 8.

Литниковая чаша или воронка являются резервуарами, служащими для приема металла из разливочного устройства и подачи его через стояк и другие элементы литниковой системы в рабочую полость формы.

В литниковой чаше (рис. 2) струя расплава попадает сначала в полость М, в результате чего снижается напор металла и создаются условия для частичного отделения шлаковых включений.

На рис. 3  представлена литниковая воронка обычно имеющая форму усеченного конуса, расширяющегося вверх, что облегчает при заливке попадание в нее струи металла. При изготовлении средних по массе и крупных отливок литниковые чаши часто выполняют в отдельных надставках, как показано на рис. 4. Чаша, изображенная на рис. 4, имеет перегородку 2, обеспечивающую лучшее задержание шлака;

Рис. 1 Песчаная форма с литниковой системой для
отливки детали. Корпус из серого чугуна

Рис. 2 Заливка металла в литниковую чашу

Рис. 3 Заливка металла в литниковую воронку

Чаша, показанная на рис. 4, обеспечивает лучшее всплывание и задержание шлака приданием расплаву центробежного вращения;

Особенностью мерной чаши (рис. 5) является то, что объем ее соответствует металлоемкости литейной формы. Перед заливкой расплава в чашу выходное отверстие ее перекрывают пробкой, что позволяет накопить в чаше нужное для заполнения формы количество расплава, выдержать его для всплывания шлака и, подняв пробку, обеспечить спокойную заливку формы.

Стояк представляет собой вертикальный (реже наклонный) прямой или изогнутый канал, служащий для подачи расплава из литниковой чаши (или воронки) к другим элементам литниковой системы: металлоприемнику, литниковому ходу (коллектору), шлакоуловителям, питателям (рис. 6).

Реже стояк подводится непосредственно в рабочую полость формы. Наиболее распространенные стояки конической формы, сужающиеся книзу. Применяют стояки и цилиндрической формы, а также с овальным и прямоугольным поперечными сечениями. При литье цветных сплавов (алюминиевых, магниевых), легко окисляющихся в расплавленном состоянии, применяют в целях снижения скорости движения расплава, уменьшения опасности перемешивания его с воздухом змеевидные и щелевые стояки. При литье крупных деталей стояки выполняют часто ступенчатыми.

Металлоприемник, называемый также зумпфом, выполняется в конце стояка в виде полусферы и служит для смягчения удара падающей струи расплава, уменьшения разбрызгивания его, плавного изменения
направления движения потока.

Литниковый ход, называемый также коллектором, непосредственно примыкает к нижней части стояка или к металлоприемнику и выполняется обычно в виде горизонтально расположенного канала либо системы каналов, служащих для распределения металла в плоскости разъема формы. Обычно через литниковый ход расплав подводится непосредственно к питателям, он часто выполняет роль шлакоуловителя. Некоторые разновидности литниковых ходов приведен на рис. 1.

Шлакоуловители служат для задержания шлака и других неметаллических включений, могущих оказаться в расплаве, например оксидных плен, частиц формовочного материала и огнеупорной облицовки (футеровки) ковша. Улавливание шлака может происходить и в коллекторе, если он быстро заполняется металлом и имеет достаточную протяженность, чтобы частицы шлака успели всплыть в верхнюю часть его до попадания в питатель. Это наиболее вероятно при малых скоростях движения расплава в коллекторе, в случае литья тяжелых сплавов (чугуна, стали, латуней и бронз), когда значительно более легкие неметаллические включения быстро всплывают. При литье легких сплавов (алюминиевых, магниевых) это обычно не происходит и коллектор выполняет только роль канала, подводящего расплав к питателям в горизонтальной плоскости. Поэтому для надежного задержания шлаков и других неметаллических включений при изготовлении отливок из любых литейных сплавов в литниковой системе выполняют различные специальные шлакоулавливающие устройства, некоторые конструкции которых показаны на рис. 7.

Рис. 4 Литниковая чаша, выполненная в отдельной подставке с перегородкой для задержания шлака и втулкой, оформляющей выходное отверстие литниковой чаши. 1 – металлический кожух, 2 – перегородка из стержневой смеси, 
3 – стержневая втулка.

Рис. 5 Трехсекционная литниковая чаша для крупных форм с отделением шлака под действием центробежной силы; мерная литниковая чаша

Рис. 6. Разновидности стояков: a - с прямым коническим стояком и фильтрующими устройствами, б – co змеевидным стояком. в – цилиндрический стояк для изготовления крупной стальной отливки, выполненный в наборных втулках из огнеупорного материала, г - щелевидные стояки прямой и змеевидный, выполненные в составных песчаных стержнях, для литья легких цветных сплавов, д - ступенчатый стояк, применение которого позволяет уменьшить скорость движения расплава и предупредить размыв формы; 1 - стояк, 2 -литниковая чаша,
3 – металлическая сетка (используется преимущественно при литье алюминиевых и магнитных сплавов). 4 сетка из жаростойкой стеклоткани для фильтрования расплава, 5 - металлоприемник (зумпф), 6 – огнеупорные трубки, 7 – соединяемые (обычно склеиванием) части стержня

Ранее были показаны устройства, способствующие задержанию шлаков в литниковой чаше (см. рис. 4; 5).

Питатели — каналы, служащие для непосредственного подвода металла в рабочую полость формы. Обычно питатели представляют собой прямые каналы трапециевидного сечения и располагаются между литниковым ходом или шлакоуловителем и отливкой. Наиболее характерно расположение питателей под литниковым ходом (рис. 9) или в нижней части его, что затрудняет попадание шлака в полость формы.

Применяют также питатели специальной конструкции: рожковые, вертикально-щелевые (рис. 10) и др.

Выпоры — элементы литниковой системы для вывода воздуха и газов из полости формы и контроля заполнения ее расплавленным металлом. В ряде случаев выпоры служат и для питания отливки металлом при ее затвердевании, т. е. выполняют роль прибыли (см. рис. 9). В соответствии с назначением выпоры представляют собой открытые сверху вертикальные или наклонные каналы обычно круглого, овального или прямоугольного сечения, устанавливаемые над наиболее возвышенными и удаленными от места подвода металла частями формы
либо примыкающими к ним сбоку (см. рис. 11).

Прибыли представляют собой открытые или закрытые полости в форме, примыкающие к наиболее массивным частям отливки и служащие для питания (см. рис. 12) отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин и рыхлот.

Литниковые дроссели — местные сужения в
литниковой системе в виде вертикальных щелевидных
каналов, используются для регулирования скорости движения расплава и заполнения формы (рис. 8).

Рис. 7. Шлакоуловители в литниковых системах различной конструкции.
a - литниковая система с шлакоулавливающими бобышками, б – схема центробежного шлакоуловителя, в – схема шлакоуловителя рожковым литниковым ходом и шлаковыпором, г - двусторонняя литниковая система с фильтрующей сеткой, шлакоуловителями и закрытыми отводными прибыльлями (питающими бобышками) 1 – стояк, 2 - литниковый ход, 3 – шлакоулавливающие бабышки, 4 – рожковый литниковый ход, 5 – шлаковыпор, 6 – надсеточный шлакоуловитель, 7 – фильтрующая сетка из стержневой смеси, 8 – подсеточный металлоприемник, 9 – промежуточный шлакоуловитель, 10 – литниковые ходы, 11 закрытые отводные прибыли (питающие бобышки), 12 – питатели.

Рис. 8 Литниковая система с дросселем.
1 – стояк, 2 металлоприемник, 3 дроссель, 4 – расширяющая часть дросселя, 5 – литниковый ход, ведущий к питателям

Рис. 9 Литниковая система с подводом металла в среднюю часть отливки.
1 – литниковая чаша, 2 – стояк, 3 – металлоприемник, 4 – литниковый ход,
5 – питатели, 6 – отливка, 7 – выпоры-прибыли

Рис. 10 Подвод металла через вертикально-щелевую литниковую систему.
1 – литниковая чаша, 2 – змеевидный стояк, 3 - фильтрующая сетка,
4 – металлоприемник, 5 – литниковый ход, 6 – обрабатываемый стояк,
7 – вертикальный щелевой питатель, 8 - прибыли, 9 - отливка

Рис. 11 Вехревая литниковая система с отводными (боковым) выпором.
1 – литниковая воронка, 2 – стояк, 3 – металлоприемник, 4 – коллектор, 5 питатель,
6 – отливка, 7 отводной (боковой) выпор

Прибыли классифицируют:

• по расположению их относительно отливки на верхние и боковые, или отводные;
• по конструкции: открытые и закрытые,
• по форме: конические, цилиндрические, полусферические, шаровидные, в виде бобышек и др.;
• по условиям работы: с атмосферным давлением, со сверхатмосферным газовым давлением, утепленные, обогреваемые экзотермическими
• вставками;
• по методу отделения от отливок: отрезные и легкоотделяемые отбивные или скалываемые.

Расположение, устройство и размеры прибыли должны быть
такими, чтобы запас жидкого металла в ней был достаточным для компенсации усадки в питаемой части отливки и затвердевание расплава в ней заканчивалось после затвердевания питаемого узла, а усадочные дефекты (раковины, пористость) полностью находились в прибыли, не переходя в отливку. Одновременно стремятся к тому, чтобы при выполнении указанных условий расход металла на прибыли был минимальным (определяют расчетом).

Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях разъема формы. По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на ряд разновидностей: верхнюю, нижнюю (сифонную), боковую (рис. 13), ярусную (рис. 14 и 15), вертикально-щелевую (рис. 10) и комбинированную (рис. 16).

Тип литниковой системы выбирают с учетом свойств литейного сплава, конфигурации и размеров отливки, расположения ее в форме и других факторов.

Применяют верхнюю литниковую систему для невысоких (в положении заливки) отливок небольшой массы и несложной формы, изготовляемых из сплавов, не склонных к сильному окислению в расплавленном состоянии, например чугунов, углеродистых конструкционных сталей, латуней.

Верхняя литниковая система (см. рис. 11; 13) имеет ряд достоинств: расход металла на нее невелик, конструкция ее обычно проста и легко выполнима при изготовлении форм; подача расплава сверху обеспечивает благоприятное распределение температуры в залитой форме (повышение ее от нижней части отливки к верхней), а следовательно, и благоприятные условия для направленной кристаллизации и питания отливки. Однако падающая сверху струя металла может размывать песчаную форму, вызывая засоры в отливке, при этом расплав разбрызгивается, возникает опасность его окисления и замешивания воздуха в поток с образованием оксидных включений. При верхней литниковой системе затрудняется улавливание шлака.

Рис. 12 Разновидности прибылей
а – открытая верхняя, б – открытая боковая (отводная), в – закрытая боковая (питающая бобышка), г – закрытая полусферическая прибыль с атмосферным давлением, д – закрытая прибыль с газовым давлением, е – закрытая легкоотделяемая прибыль.
1 – массивная (питаемая) часть отливки, 2 – прибыль, 3 – песчаный стержень с каналом для подвода атмосферного давления в среднюю часть прибыли,
4 – керамическая или стержневая разделительная пластина между прибылью и массивной частью отливки, 6 – песчаная втулка с термореактивной смесью (экзотермической), оформляющая прибыль и обеспечивающая подогрев в ней металла

Рис. 13 Конструкции литниковых систем с верхним (а), нижним (б), и боковым (в) подводом расплава к отливке

Рис. 14 Схема конструкции ярусной литниковой системы для отливки крупной стальной детали (шабота)
1 – стояк, 2 – литниковый ход, 3 – промежуточный стояк, 4 – питатели, 5 – прибыли, 6 - отливка

Рис. 15 Ярусный подвод металла в стопочных формах
1 - Литниковая воронка, 2 – стояк, 3 – питатели, 4 – металлоприемник,
5 – стопочные безопочные формы

Рис. 16 Комбинированный подвод металла при изготовлении отливки с протяженной цилиндрической частью
а – общий вид, б – вид сверху.
1 – литниковая чаша, 2 – пробка, 3 – заслонка, 4,5 – стояки, 6 – питатель, 7 – кольцевой коллектор для рассредоточенного подвода расплава сверху через дождевые питатели 8

Рис. 17 Литниковая система с нижним (сифонным) подводом расплава к отливке через несколько питателей при изготовлении корпусной отливки из алюминиевого сплава

Нижняя литниковая система (рис. 17) широко используемая для литья сплавов, легко окисляющихся и насыщающихся газами, например алюминиевых, обеспечивает спокойный подвод расплава к рабочей полости формы и постепенное заполнение ее поступающим снизу, без открытой падающей струи (под уровень потока) жидким металлом. Однако при подводе расплава снизу усложняется конструкция литниковой системы, увеличивается расход металла на нее, создается неблагоприятное распределение температур в залитой форме ввиду сильного разогрева ее нижней части. Кроме того, в нижней части отливки оказывается наиболее горячий расплав, вследствие чего могут образоваться усадочные дефекты и внутренние напряжения в отливках. При нижнем подводе металла ухудшается заполняемость формы под действием статического напора, так как по мере подъема уровня расплава в форме этот напор падает, а текучесть непрерывно охлаждающегося в процессе продвижения по форме расплава уменьшается за счет увеличения его вязкости. Поэтому при использовании нижней литниковой системы ограничена возможность получения высоких тонкостенных отливок. Так, установлено, что при литье алюминиевых сплавов песчаная форма не заполняется металлом при нижней литниковой системе, если отношение высоты отливки к толщине ее стенки Нотл/ботл ≥ 60. Таким образом, если толщина стенки отливки 4 мм, то уже при высоте ее 240 мм возникает опасность недолива (незаполнения расплавом всей полости формы).

Нижний рассредоточенный подвод металла через большое количество питателей используют часто при изготовлении сложных по форме, крупных отливок из чугуна, подобных детали паровой турбины, показанной на рис. 1.18 рис.

Боковую литниковую систему (см. рис. 9) с подводом металла в среднюю часть отливки (по разъему формы) применяют весьма широко при получении отливок из различных сплавов, особенно в случае машинной формовки в парных опоках малых и средних по массе деталей, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. Являясь промежуточной между верхней и нижней, боковая литниковая система сочетает в себе как некоторые их достоинства, так и недостатки.

Ярусную литниковую систему, которая обеспечивает подачу расплава через несколько питателей, расположенных на разных уровнях по высоте формы, используют обычно при получении крупных отливок болышой массы (см. рис. 14). Ярусный подвод расплава способствует лучшему заполнению полости формы, благоприятному распределению температур в отливке и подводу наиболее горячего металла в верхнюю часть ее и прибыли. В результате улучшаются условия питания отливки в процессе затвердевания, уменьшается опасность возникновения в ней значительных перепадов температуры и внутренних напряжений. Ярусный подвод применяют также при стопочной формовке, когда для заливки собирается несколько форм с общим стояком (см. рис. 15). К недостаткам ярусных литниковых систем относят в ряде случаев сложность их конструкций, трудоемкость отделения от отливок, повышенный расход металла.

Вертикально-щелевая литниковая система (см. рис. 10) работает подобно ярусной, ее часто используют при литье цветных сплавов, особенно при изготовлении из алюминиевых сплавов высоких корпусных деталей. Расплав подводится через вертикальный щелевой питатель, постепенно заполняемый снизу вверх, как и сама рабочая полость формы. При этом совмещаются достоинства нижнего подвода расплава в начальной стадии заливки с последующей подачей его в среднюю, а затем в верхнюю часть формы. В результате не только значительно улучшается заполняемость форм и появляется возможность изготовления высоких тонкостенных отливок, но и обеспечивается благоприятное распределение в них температур. Недостаток этой литниковой системы — большой расход на нее металла и трудоемкость работ по ее отделению от отливки.

В ряде случаев используют комбинированный подвод расплава. Так, при заливке в вертикальном положении протяженных цилиндрических чугунных деталей рационально использовать верхний рассредоточенный подвод расплава через кольцевой коллектор 7 и дождевые питатели 8 (см. рис. 16). Однако ввиду большой высоты падения расплава появляется опасность разбрызгивания его в начале заливки и размыва нижней части формы. Поэтому литниковая система устроена так, что вначале расплав заливают в мерную чашу 1 при закрытых выпускном отверстии пробкой 2 и хода в кольцевой коллектор 7 заслонкой 3. После заполнения чаши открывают пробку 2. Жидкий металл через стояки и питатель подается в нижнюю часть формы и уже после образования «подушки» из расплава открывают заслонку 3, происходит заполнение коллектора 7 и заливка формы через дождевые питатели 8 сверху.

Место подвода металла к отливке выбирают с учетом как ее конструкции (конфигурации, размеров, толщины стенок), так и литейных свойств сплава: текучести при температуре заливки; усадки в процессе охлаждения, при затвердеванни и в твердом состоянии; температурного интервала кристаллизации; склонности к образованию внутренних напряжений. С учетом этих факторов стремятся обеспечить либо одновременное равномерное охлаждение всех частей отливки, либо направленное затвердевание ее от наиболее тонких частей к
массивным с питанием последних прибылями.

Одновременное, равномерное охлаждение и затвердевание всех частей отливки можно обеспечить рассредоточенным подводом расплава в наиболее тонкие ее части. Такой подвод используют обычно при литье сравнительно равностенных, не имеющих значительных массивных узлов, преимущественно плоских деталей (плит, крышек, рам и др.), из сплавов с небольшой усадкой, например из серого чугуна. При этом уменьшается опасность возникновения в отливках внутренних напряжений, следовательно, их коробления и растрескивания, а также снижается расход металла на прибыли. Если отливка имеет толстостенные части, массивные узлы, а изготавливается из сплава со значительной усадкой (сталей, высокопрочных и ковких чугунов, алюминиевых сплавов и специальных бронз), рассредоточенный подвод металла через тонкие стенки не обеспечит получения качественной отливки, без усадочных раковин и пор. В этом случае расплав подводят в наиболее массивные части отливки, устанавливая здесь прибыли, которые будут заполняться в конце заливки наиболее горячим металлом. Таким образом обеспечивается направленная кристаллизация: от наиболее удаленных от места подвода расплава тонких частей отливки, заполняющихся наиболее охлажденным металлом, к ее массивным частям, питаемым прибылями. Однако при таком методе подвода возникает опасность образования в отливке значительных внутренних напряжений из-за неравномерного охлаждения ее, а также незаполнения расплавом тонких частей, в которые он поступает наиболее охлажденным. Поэтому при литье крупных деталей переменного сечения с массивными частями, например стальных лопастей турбин, корпусов, шаботов массой в несколько тонн, приходится использовать комбинированную ярусную систему подвода с несколькими стояками и разветвленной системой коллекторов и питателей, при которой расплав заливается сначала в тонкие части отливки, а затем в конце заливки подается в прибыли, установленные над ее наиболее массивными частями, как показано на рис. 14.

В некоторых случаях выравнять время затвердевания расплава в толстых и тонких частях отливки, обеспечить одновременное, а при необходимости направленное затвердевание ее можно, применяя внешние или внутренние металлические холодильники как показано на рис. 19, 20, 21.

Рис. 18 Литниковая система с нижним (сифонным) подводом расплава к отливке через три стояка с помощью разветвленной системы питателей при изготовлении крупной тонкостенной отливки из чугуна (корпуса турбины)
1 – литниковая чаша, 2 – стояк, 3 – зумпф, 4 – литниковая чаша, 5 – питатели, 6 – отливки, 7 – прибыль, 8 - выпоры

Рис. 19 Примеры применения внешних холодильников
а – охлаждение массивного фланца плоским кольцевым холодильником, б – охлаждение бобышки плоским дисковым холодильником, в – охлаждение узла в месте сочленения стенок отливки плоским (пластинчатым) холодильником, г – охлаждение Т-образного узла двумя фасонными холодильниками

Обладая высокой теплопроводностью и способностью аккумулировать теплоту, внешний холодильник значительно ускоряет процесс затвердевания расплава в массивном узле, ввиду чего уменьшается опасность образования в нем усадочных дефектов. Внутренние холодильники делают из сплава, близкого по составу с заливаемым в форму. Внутренний холодильник расплавляется заполнившим охлаждаемый узел расплавом или сваривается с ним, на что расходуется значительное количество теплоты. В результате расплав в массивном
узле быстро охлаждается и затвердевает, не образуя усадочных дефектов. Однако подготовка и установка холодильников усложняет процесс изготовления форм, вызывает опасность образования некоторых дефектов в отливках, например газовых раковин, если поверхность холодильника окислена, загрязнена или покрыта влагой. Необходима тщательная подготовка холодильников (очистка, лужение и т. п.). Кроме того, возможности регулирования скорости охлаждения отдельных частей отливки с помощью холодильников ограничены. Поэтому ‚в целях получения плотных отливок нередко холодильники применяют в сочетании с прибылями (см. рис. 20).

Расчет литниковых систем. Для получения качественной отливки не менее важное значение, чем правильный выбор места подвода и конструкции литниково-питающей системы, имеет определение ее размеров и соотношения площадей сечений основных элементов: стояка, коллектора (шлакоуловителя), питателей. Конструкция и размеры литниковой системы должны обеспечивать оптимальные скорости движения расплава как в ней, так и в полости формы и определенное время заполнения ее расплавом. При течении металла во всех каналах литниковой системы должно быть давление не менее атмосферного, чтобы не происходило подсоса и замешивания в поток расплава воздуха и газов. Недопустимо фонтанирование расплава и перемешивание его потоков на выходе из питателей в полость формы. При этом должны быть выполнены указанные ранее требования: литниковая система должна задерживать шлак и другие неметаллические включения, расход металла на нее должен быть минимальным.

Для определения размеров элементов литниковой системы предложены различные методы расчетов, основанные как на теоретических положениях, так и на опытных (эмпирических) данных. Расчеты производятся с помощью формул, таблиц, программного обеспечения. По одному из распространенных методов расчета вначале определяют площадь наименьшего поперечного сечения (Fн.с) литниковой системы (обычно питателей или нижней части стояка):

где G — масса отливки, г; ρм, — плотность расплава (для чугуна ρм, = 7 г/см3); t — продолжительность заливки, с; μ — коэффициент расхода литниковой системы, учитывающий сопротивление течению в ней расплава (трение о стенки формы, повороты и др.); g — ускорение свободного падения, сообщаемое частицам расплава силой тяжести, см/с2; Нр — расчетный статический напор, см.

Для определения t предложен ряд эмпирических формул, в которых продолжительность заливки связывается с массой G заливаемого металла, толщиной стенки, природой сплава и другими факторами.

Значения коэффициента и определены опытным путем и приводятся обычно в справочных таблицах, например для чугуна 0,35—0,6, а для стали 0,25—0,5 (в зависимости от сложности конструкции ‘литниковой системы и отливки, а также состояния формы).

где H0 — первоначальный максимальный напор, равный расстоянию от уровня металла в литниковой чаше (воронке) до места подвода его в форму, см; Р — расстояние от самой верхней точки отливки до места подвода расплава в форму, см; С — высота отливки, см.

В отдельных частных случаях формула для определения статического напора приобретает следующий вид: при заливке сверху, когда Р = 0, Нр = H0; при заливке снизу Р = С и Нр = H0 - (С/2); при подводе металла сбоку, когда отливка располагается симметрично в отношении плоскости разъема и Р = С/2, Нр = H0 = (С/8).

После расчета Fн.с  определяют площади сечений других элементов литниковой системы, используя закономерности гидравлики и установленные опытным путем оптимальные соотношения этих сечений. Так, для тонкостенных мелких чугунных отливок Fп : Fк : Fст = 1:1,06: 1,11; для средних — 1:1,5:2; а для крупных 1:1,2:4.

При литье алюминиевых и магниевых сплавов, легко окисляющихся на воздухе, в целях обеспечения спокойного заполнения формы без повышения скорости потока при входе в ее рабочую полость применяют расширяющуюся литниковую систему, например, с соотношением
Fст : Fк : Fп = 1 : 2 : 4 или 1 : 3 : 6.

Значительно упрощается расчет литниковых систем при использовании специальных программ, с помощью которых, зная массу отливки, преобладающую толщину ее стенок и расчетный напор, можно определить сечение питателя.

Новым, весьма важным направлением является автоматизация проектирования технологии литейных процессов, позволяющая технологу, зная указанные выше основные характеристики отливки, определить с помощью программного обеспечения оптимальное положение отливки в форме, тип литниковой системы, размеры ее элементов.

Расчетный статический напор Нр, определяют по формуле:

В зависимости от соотношения площадей поперечных сечений различают сужающиеся и расширяющиеся литниковые системы. Если обозначить сечения стояка Fс.т, коллектора (шлакоуловителя) Fк, а питателя либо питателей, если их несколько, Fп, то у сужающейся литниковой системы Fс.т > Fк  > Fп, а у расширяющейся Fс.т < Fк < Fп. Таким образом, определяемым наименьшим поперечным сечением Fн.с в сужающихся системах является Fп, а в расширяющихся Fс.т (наиболее узкая, нижняя часть стояка). Выбор типа литниковой системы во многом зависит от вида литейного сплава. Для чугуна часто используют быстро заполняющуюся расплавом сужающуюся литниковую систему, так как при этом создаются наиболее благоприятные условия для улавливания в ней шлака. Для литья легко окисляющихся алюминиевых сплавов более пригодна расширяющаяся литниковая система с большой суммарной площадью Fп, что обеспечивает спокойное (без перемешивания) поступление расплава в полость формы. Для расчета Fн.с по приведенной формуле необходимо знать t, μ, Нр.

Рис. 20 Схема литейной формы для изготовления стальной отливки с применением прибылей с холодильников
1 – верхняя часть формы, 2 – средняя часть формы, 3 – нижняя часть формы,
4 – холодильники, 5 – питатель, 6 – литниковый ход, 7 – стояк, 8 – закрытая прибыль, 9 – открытые прибыли

Рис. 21 Примеры охлаждения бобышек различными внутренними холодильниками
а – гвоздями, б – проволочной спиралью, в – прутком