Система литников в отливке

Хорошо спроектированная литниковая система - это единственный наиболее эффективный рычаг, которым располагает литейное производство для уменьшения дефектов литья, контроля динамики заполнения, улавливания шлака и обеспечения надежной подачи во время затвердевания. Правильная литниковая система снижает турбулентность, предотвращает появление включений, повышает выход годного и поддерживает воспроизводимое качество в процессах литья в песчаные формы, литья по выплавляемым моделям и литья в постоянные формы.

1. Почему стробирующая система имеет значение

Литниковая система - это сеть каналов, по которым расплавленный металл поступает из ковша в полость формы, контролируя при этом скорость, тепловые градиенты, давление и отделение шлака. Эффективная литниковая система решает несколько одновременных задач: подает металл достаточно быстро, чтобы избежать охлаждения и пропусков, поддерживает ламинарность потока на входе в полость, задерживает шлак и окалину вдали от критических поверхностей и обеспечивает направленное затвердевание с минимальными избыточными отходами металла. В совокупности эти функции делают конструкцию литников основным фактором, определяющим качество и выход отливок.

2. Основные компоненты и функциональные роли

Стандартная система заслонки состоит из нескольких связанных между собой элементов. Каждый элемент имеет функциональные компромиссы, которые влияют на время заполнения, турбулентность и давление в горле.

Основные компоненты

• Пиала или чашка: принимает металлический половник и уменьшает количество брызг.

• Шприц (downsprue): вертикальный канал, по которому металл поступает в форму. Сужение уменьшает вихреобразование и аспирацию.

• Колодец или основание носика: замедляет и сглаживает поток вблизи стыка с бегунком.

• Прогон - горизонтальный или наклонный канал, распределяющий металл по воротам.

• Затвор (ворота): конечный канал в полость, размер и форма которого позволяют контролировать локальную скорость и направление.

• Подъемник или питатель: поставляет дополнительный металл для компенсации усадки во время затвердевания и служит резервуаром для давления.

• Ским-ловушка, спин-ловушка или осадочный колодец - задерживает шлак и тяжелую окалину перед воротами.

• Вентили и вентиляционные каналы: позволяют воздуху и газам выходить во время заполнения.

3. Цели и критерии эффективности

При проектировании затворной системы инженеры оптимизируют несколько конкурирующих критериев:

• Сведите к минимуму турбулентность на затворе, чтобы избежать увлечения газа и образования оксидных пленок.

• Обеспечьте полное заполнение полости до начала значительного затвердевания.

• Контролируйте время заполнения, чтобы сбалансировать тепловые градиенты и эрозию формы.

• Расположите стояки и затворы так, чтобы способствовать направленному застыванию и подаче горячих точек.

• Задерживает включения и предотвращает попадание шлака в полость.

• Минимизируйте потери металла на бегунках и стояках, чтобы повысить производительность.

• Поддерживайте давление и скорость достаточно низкими, чтобы предотвратить эрозию формы, но достаточно высокими для полного заполнения.

4. Типы стробирующих систем и их применение

Конфигурации литников зависят от метода литья и геометрии деталей. Два широких класса - это системы под давлением и без давления. Конкретные типы затворов включают в себя верхний затвор, нижний затвор, затвор с разделительной линией, глухой затвор и многозатворные системы.

По процессу

• Литье в песок - обычно используются сети спрут - бегун - ингата с колодезными ловушками и стояками.

• Литье по выплавляемым моделям - использует дерево каналов с тщательно выверенными размерами литников, часто под естественным давлением для тонкостенных деталей.

• Литье под давлением - имеет короткие, прямые литники и дробеметные втулки, не характерные для литников расходных форм.

• Постоянная пресс-форма и гравитационная пресс-форма - используйте затвор, обеспечивающий устойчивый, контролируемый поток, уделяя внимание удалению воздуха.

Выбор зависит от прочности формы, типа расплава, толщины детали и чувствительности к турбулентности.

5. Практические правила проектирования и определения размеров

Практические правила сокращают количество циклов и ошибок. Используйте их в качестве отправной точки, а затем совершенствуйте с помощью моделирования и цеховых испытаний.

Общие рекомендации

• Конический литник: площадь поперечного сечения плавно уменьшается к основанию для поддержания практически равномерной скорости и предотвращения аспирации.

• Размер дросселя: один эффективный дроссель управляет потоком и снижает турбулентность; часто эту функцию выполняет впускной патрубок или уменьшенное сечение бегунка.

• Соотношение площадей: поддерживайте соотношение площади литника к площади бегуна и площади бегуна к площади слитка, чтобы избежать преждевременного замораживания или голодания. Обычно площадь поперечного сечения бегуна в 2-4 раза превышает площадь слива в зависимости от скорости заливки.

• Профиль бегунка: круглые или трапециевидные каналы с плавным радиусом уменьшают эрозию поверхности.

• Форма затвора: закругленные или конические затворы создают более плавный поток на входе; прямоугольные затворы используются для крупносерийных деталей, где эффективна обрезка.

• Расположение стояков: установите стояки на самых тяжелых участках и обеспечьте минимальное расстояние подачи.

Ниже приведена таблица правил для обычного литья в песок. Это начальные цифры. Уточните их в зависимости от процесса, сплава и моделирования.

(Используйте эти значения в качестве базовых. Всегда проводите итерации с помощью моделирования или тестовых заливок).

6. Физика потока и управление турбулентностью

Заполнение формы представляет собой задачу динамики переходных процессов с теплообменом и затвердеванием. Ключевые принципы:

• Ламинарный или слаботурбулентный поток вблизи затвора предотвращает увлечение оксида. Высокие числа Рейнольдса на крутых поворотах создают вихри, которые захватывают газ.

• Плавные переходы от вертикального к горизонтальному потоку и закругленные стыки снижают локальные скачки скорости.

• Солеуловители или спин-ловушки могут вызывать вихревое движение, которое отделяет более тяжелый шлак от основного потока.

• Дроссель снижает кинетическую энергию вверх по потоку, позволяя сети бегунов действовать как буфер и позволяя шлаку всплывать вверх в колодец, прежде чем попасть в сливную горловину.

• Вентиляция вблизи ворот и тонких секций снижает противодавление, которое может стать причиной неправильного хода.

Использование функций контроля потока позволяет уменьшить холодные провалы, пористость и дефекты поверхности.

7. Специфические для алюминия соображения

Алюминиевые сплавы имеют уникальные требования к литнику. Их высокая теплопроводность и более низкая температура плавления по сравнению со сталью требуют более короткого времени заполнения и надежного удержания растворенного водорода и оксидов.

Ключевые моменты для алюминия

• Чтобы избежать охлаждения длинных тонких секций, часто требуется более высокая скорость заполнения. Это повышает риск возникновения турбулентности и образования оксидных пленок.

• Водородная пористость является одним из основных дефектов алюминиевых отливок. Растворенный водород выделяется при падении давления и образует пористость во время затвердевания. Дегазация, тщательная обработка расплава и фильтрация помогают уменьшить этот дефект.

• Фильтры из керамической пены и надлежащие литниковые/бегунковые ловушки уменьшают попадание в полость оксидных и неметаллических включений. В сочетании с хорошо расположенной ловушкой фильтрация значительно улучшает целостность поверхности.

Настольный алюминиевый литник

8. Моделирование и оптимизация

Численное моделирование является стандартной практикой при разработке современных затворов. Инструменты рассчитывают последовательность заливки, определяют "горячие точки", количественно оценивают турбулентность и захват воздуха. Моделирование помогает сократить количество пробных заливок и ускорить оптимизацию.

• Используйте моделирование течения и затвердевания на ранних этапах для сравнения нескольких вариантов литников. Инструменты автоматической оптимизации позволяют варьировать размеры затворов, расположение бегунков и геометрию стояков в рамках ограничений, чтобы найти решения с минимальным количеством дефектов.

• Проверьте моделирование с помощью набора физических пробных заливок и радиографического контроля, поскольку модели зависят от правильных исходных данных о свойствах металла и температуре отливки.

9. Дефекты, связанные с воротами, и способы их устранения

Ниже приведена компактная матрица дефектов, в которой рассматриваются основные причины и практические решения, связанные с гейтингом.

10. Практические стратегии компоновки, обрезки и сборки

• Размещайте бегунки так, чтобы минимизировать обрезку на критических поверхностях. Для автоматической обрезки используйте, по возможности, жертвенные бегунки.

• Расположите затворы на некритичных поверхностях или в зонах припуска на обработку.

• Используйте дроссели, которые оставляют разумное количество материала для обрезки и при этом контролируют поток.

• При автоматизированной сборке стандартизируйте расположение затворов в семействе деталей, чтобы обеспечить последовательное выполнение последующих операций.

11. Метрики и инспекция

Отслеживайте показатели, связанные с литниковой обработкой, для контроля качества: время заполнения, температура заливки, индекс чистоты расплава, уровень пористости, брак, связанный с литниковой обработкой. Типичные методы контроля включают рентгенографию, компьютерную томографию, ультразвуковой контроль и визуальный контроль. Проводите анализ первопричин возвращенных дефектов и обновляйте правила литниковой обработки с учетом корректирующих изменений геометрии.

12. Пример расположения затворов

Один литник с бегущей строкой и несколькими вставками: Хорошо подходит для средних, многогнездных форм, когда требуется равномерное распределение.
Несколько спусков, питающих отдельные бегущие петли: Используется для больших отливок, где длинные проточные каналы в противном случае будут слишком сильно охлаждать.
Спин-ловушка с фильтрацией перед входом: Обычно в линиях по производству алюминия механическая фильтрация сочетается с отстаиванием.

13. Таблицы: сравнение и быстрые ссылки

Таблица A. Контрольный список компонентов для анализа конструкции стробирования

Таблица B: Сравнение типов затворов

14. Контрольный перечень мероприятий для литейных предприятий

1. Определите сплав для литья и требуемые механические свойства.

2. Выберите класс литника, соответствующий процессу и геометрии детали.

3. Проложите сеть из прутьев-бегунков и вереска, используя базовые коэффициенты.

4. Добавьте фильтрацию и обезжиривание для алюминиевых или грязных расплавов.

5. Моделирование заполнения и затвердевания. Проверьте наличие горячих точек и прогнозируемых дефектов.

6. Проводите небольшие пробные заливки, проверяйте и повторяйте.

7. Окончательная доработка оснастки и стандартизация строповки для серийного производства.

8. Записывайте показатели и обновляйте проект при изменении материалов или времени цикла.

15. Вопросы и ответы

1. Какое изменение является наиболее важным для уменьшения дефектов литья, вызванных литниковой системой?
Контролируйте турбулентность на затворе и добавляйте фильтрацию выше по течению или спин-ловушку. Вход с низкой турбулентностью в сочетании с фильтрацией резко снижает количество увлеченных оксидов и включений.

2. Должен ли я всегда сужать литник?
Да. Конические литники поддерживают практически постоянную скорость и снижают риск аспирации. Неконические литники вызывают образование вихрей и унос воздуха.

3. Как уменьшить водородную пористость в алюминиевых отливках?
Сочетайте дегазацию расплава, контролируемую скорость разлива, соответствующую фильтрацию и уменьшение воздействия влаги. Также помогает расположение ловушек для отбросов перед воротами.

4. Когда нижние ворота лучше верхних?
Донные затворы предпочтительны, когда при заполнении вверх возникает меньшая турбулентность на критических поверхностях или когда заполнение вверх улучшает направленное затвердевание.

5. Какого размера должен быть впуск по отношению к бегуну?
Начните с соотношения площади бегунов к площади настила от 2 до 4 в зависимости от тонкости секций, затем уточните его с помощью моделирования и пробных заливок.

6. Может ли моделирование заменить испытания в магазине?
Нет. Моделирование направляет проектирование и сокращает количество итераций, но окончательная проверка путем пробных заливок необходима, поскольку такие исходные данные, как поведение фактического оксида и чистота расплава, могут меняться.

7. Всегда ли необходимы поролоновые фильтры?
Не всегда, но они настоятельно рекомендуются для алюминия и других сплавов, образующих оксиды или содержащих включения. Они повышают качество поверхности и уменьшают количество повторных обработок.

8. Как выбор стробирования влияет на урожайность?
Более широкие прогоны и большие стояки увеличивают количество отходов и снижают урожайность. Оптимизируйте траекторию движения воронок и используйте несколько небольших стояков, где это возможно, чтобы сбалансировать эффективность подачи и выход продукции.

9. Что такое спин-ловушка и когда ее следует использовать?
Спин-ловушка - это ловушка на стыке бегунов, которая направляет поток в вихревой поток для отделения шлака. Используйте его, когда шлак и окалина являются регулярной проблемой, а одной фильтрации недостаточно.

10. Как часто следует пересматривать дизайн стробирования?
Пересмотр при изменении сплава, геометрии детали, времени цикла или при повышении уровня брака. Внедряйте процессы контролируемых изменений для обеспечения проверки обновлений стробирования.

16. Заключительные рекомендации для AdTech

1. Для алюминиевых литейных заводов следует сочетать усовершенствование затворной системы с системами дегазации расплава и керамической фильтрацией, чтобы одновременно решить проблему чистоты потока и расплава.

2. Используйте моделирование на ранних этапах проектирования для выбора перспективных топологий стробирования и определения приоритетов размещения стояков.

3. Стандартизируйте небольшой набор шаблонов строповки для семейств деталей, чтобы ускорить изготовление инструментов и упростить автоматическую обрезку.

4. Зафиксируйте показатели процесса и корреляции дефектов, чтобы конструкция стробирования стала постоянно совершенствующейся частью контура управления процессом.

Основные источники, использованные для фактологического руководства и обобщения передового опыта

• Руководства по литейному производству и современные резюме по проектированию литниковых систем, определяющие компоненты и цели литниковой системы.

• Практические описания процессов и учебники по литью в песчаные формы, в которых перечислены литниковые элементы и даны рекомендации по работе в обычном цехе.

• Технические доклады и промышленные примеры по систематической оптимизации и моделированию конструкции затворов.

• Отраслевые статьи и технические заметки о методах литников, стояках, спин-ловушках и стратегиях вентиляции.