Литникова система: назначение, виды, принципы работы

Что такое? Литниковые системы — специальные конструкции, которые обеспечивают подачу расплавленного материала в формы для литья. Они используются в различных отраслях промышленности для создания металлических и пластмассовых изделий.

Как выбирать? Литниковые системы имеют разные конструкции и виды. Выбор зависит от материала, формы изделия и технологии литья и влияет на качество готового изделия и эффективность производства.

Элементы литниковой системы

Литниковая система — это совокупность каналов и резервуаров в литейной или пресс-форме, по которым расплавленный металл или полимер поступает из ковша в рабочую полость. Она обеспечивает последовательное заполнение формы и подачу материала для компенсации усадки при затвердевании отливки, позволяет регулировать скорость потока, удерживает шлак и мусор и выводит газы из формы. После застывания сырья избыточный металл (отход) удаляется механическим способом, что обеспечивает качество готового изделия.

Важно правильно выбрать и спроектировать тип литниковой системы, так как от этого зависит качество отливки, отсутствие дефектов, экономичность производства и производительность оборудования.

Конструкция литниковой системы включает: 

1. Литниковую чашу (воронку) — верхний резервуар конструкции, предназначенный для приема расплавленного металла из разливочного ковша и частичного удержания шлака и мусора. 
2. Стояк — вертикальный или наклонный канал, присоединенный к чаше, обеспечивающий плавное заполнение и питание отливки.
3. Литниковый ход (шлакоуловитель для чугунного литья и коллектор для цветного) — это горизонтальный канал, выполняющий функцию транспортировки расплавленного металла или пластика от стояка к питателям и удерживающий шлак.
4. Питатель — конечный канал, который подводит расплавленный материал в рабочую полость формы. Количество питателей в конструкции не фиксировано (может быть один или несколько). Они находятся в нижней полуформе.
5. Выпор — вертикальный канал для выпуска воздуха и газов из формы по мере заполнения ее расплавом, а также контроля окончания процесса и подпитки горячим металлом затвердевающей отливки. 
6. Прибыль — резервуар с жидким металлом, который питает массивную часть отливки в процессе затвердевания и восполняет объемную усадку (если массивных частей несколько, то и прибылей также может быть несколько).

Требования к литниковой системе

1. Обеспечение оптимальной скорости отливки и равномерное заполнение формы расплавленным металлом, а также питание отливки в процессе ее затвердевания.
2. Получение готовых изделий высокого качества (точные размеры деталей, отсутствие поверхностных дефектов и шлаковых включений).
3. Контроль направленного затвердевания металла.
4. Экономичность: минимальный расход сырья на отливку литниковой системы.
5. Легкое отделение отливки от формы.
6. Плавная подача расплавленного металла в рабочую форму.
7. Непрерывный поток расплавленного металла в рабочую полость.
8. Поддержание установленной температуры материала (сырье не должно сильно охлаждаться).
9. Шлакоуловители должны задерживать неметаллические включения из ковша.
10. Давление впрыска во всех элементах системы должно быть выше атмосферного давления.

Читайте также!

Экспертиза проектной документации и инженерных изысканий: виды и результаты

Подробнее

При несоблюдении перечисленных выше требований увеличивается риск брака, даже если отсутствуют нарушения в технологическом процессе.

Разновидности литниковых систем

Есть разные виды литниковых систем. Они отличаются формой, размерами отливки, параметрами литейного сплава и конструкцией.

По месту подвода расплавленного металла в рабочую полость формы

• Верхняя

Плюсы: экономичный расход сырья; простота изготовления конструкции и легкий монтаж; отсутствие локального перегрева из-за благоприятного распределения температуры в залитой форме (наиболее горячий металл в верхней части); создание направленной кристаллизации и использование прибыли для устранения усадки.

Верхний подвод расплава подходит для невысоких (в положении заливки) отливок, мелких деталей простой геометрии, не склонных к сильному окислению в жидком виде (чугуны, углеродистые конструкционные стали, латуни).

• Нижняя

Подходит для литья сплавов, которые легко окисляются и насыщаются газами (алюминий). Данный способ обеспечивает спокойную подачу расплава к рабочей полости формы и постепенное ее заполнение без разбрызгивания металла.

• Боковая

Обеспечивает подвод расплава через систему каналов в средней части отливки (по разъему формы).

Она используется для отливок из разных сплавов, малых и средних изделий, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. Это промежуточный вид подвода расплава в рабочую полость, сочетающий плюсы и минусы верхнего и нижнего типа.

• Ярусная

Расплавленный металл подается на нескольких ярусах. Питатели заливают расплав последовательно, начиная с нижних ярусов и по мере заполнения формы. Ярусная литниковая система позволяет осуществлять спокойную заливку. Наиболее горячие порции металла поступают в верхнюю часть. Используется для отливки крупных и тонкостенных деталей из черных и цветных сплавов.

• Вертикально-щелевая

Подвид ярусной. Используется преимущественно для цветных металлов и сплавов. Расплав спокойно подается в рабочую полость, хорошо заполняет формы тонкостенных отливок, удерживает шлаки в коллекторе и вертикальном колодце. Вертикально-щелевая система обеспечивает оптимальный тепловой режим и лучшую заполняемость тонкостенных высоких отливок, по сравнению с нижним подводом расплава.

• Комбинированная

Сочетает в себе несколько видов. Например, при комбинации нижней системы с вертикально-щелевой обеспечиваются следующие параметры отливки: рабочая полость спокойно заполняется расплавленным металлом, рационально распределяется температура по сечению отливки, что обеспечивает последовательную кристаллизацию. Основное назначение такой литниковой системы — заливка крупногабаритных деталей сложной геометрии в песчаных формах. Это оптимальный вариант, если площади горизонтальных сечений отливки резко меняются с ее высотой.

По гидродинамическому параметру

• Сужающаяся

Обеспечивает непрерывную подачу расплава во все каналы системы и предотвращает шлак. При этом в рабочую полость литейной формы металл подается с высокой скоростью, что может вызвать разбрызгивание и окисление расплава, захват воздуха и размыв формы.

• Расширяющаяся

Предназначена для спокойного заполнения формы без коррозии металла. Используется при литье сплавов, которые склонны к окислению и образуют оксиды и ржавчину. Например, цветные сплавы.

Литниковая система в производстве пластмассовых изделий

В производстве изделий из пластика используют 3 типа литниковых систем:

Точечный литник

Самый распространенный тип, который подходит для производства малых и средних деталей. У точечного литника простая конструкция. Остатки материала можно легко удалить. Имеются ограничения, связанные со скоростью заполнения рабочей полости формы и необходимостью точного расчета давления подачи пластика.

• Плюсы: бюджетная стоимость изготовления пресс-формы и контроль давления и объема впрыска, обеспечивающий точность дозирования.
• Минусы: ограниченная производительность и неравномерное охлаждение отливки.

Кольцевой литник

Используется для литья крупных формованных изделий цилиндрической или близкой к ней формы. Кольцевая система обеспечивает равномерное поступление расплава по всей окружности детали благодаря круговому впуску. Она подходит для деталей сложной конструкции и крупных объемов выпуска.

• Плюсы: качественная поверхность готового изделия и возможность отливки сложных конструкций.
• Минусы: дорогостоящее проектирование и изготовление пресс-формы.

Веерный литник

Подходит для изделий со сложной геометрией, когда необходимо распределить материал по широкой площади и разным направлениям. Веерный литник равномерно заполняет рабочую форму, даже если имеются внутренние перегородки или выступы. Система используется для повышения производительности и экономичного выпуска крупногабаритных элементов.

• Плюсы: улучшенное заполнение формы и снижение деформаций отливки.
• Минусы: необходимость высокоточной настройки оборудования и высокий расход материалов.

Читайте также!

Линейный полиэтилен низкой плотности: свойства и сферы применения

Подробнее

В современном производстве изделий из пластмассы используются две основные технологии: холодноканальные или горячеканальные литники. Каждая система имеет свою специфику, плюсы и минусы, разные области применения.

Холодноканальные литники

В такой системе расплавленный полимер проходит через разводящие каналы в полость пресс-формы. Затем материал охлаждается и застывает вместе со всей системой литниковых каналов. Пресс-форма раскрывается, и литники отделяются от готовой детали.

Плюсы холодноканальных литников:

• низкие первоначальные затраты на изготовление пресс-формы;
• простота холодноканальных форм и обслуживания;
• подходят для работы с широким спектром материалов;
• требования к квалификации специалистов ниже, чем у горячеканальных литников;
• легкость перехода с одного цвета на другой и смены материалов.

Минусы холодноканальных литников:

• увеличенное время производства из-за охлаждения материала в каналах литников;
• значительные отходы материала, которые нужно переработать;
• оборудование для дополнительной постобработки;
• высокий расход сырья (составляет от 50 до 250 % массы детали);
• трудозатратный процесс дополнительной постобработки изделий.

Горячеканальные литники

В таких литниковых системах материал поддерживается в расплавленном состоянии на протяжении всего процесса благодаря постоянному нагреву. Подвод в рабочую форму нагретого материала обеспечивает процесс литья без образования литников. Используется система контроля температуры: датчики и регуляторы для каждого сопла.

Плюсы горячеканальных литников:

• более быстрое время цикла литья (ниже на 10–20 % за счет отсутствия необходимости ожидания остывания литников перед разъемом пресс-формы);
• сокращение отходов материалов;
• экономия материала до 30–40 % по сравнению с холодноканальными литниками;
• высокое качество деталей благодаря равномерному заполнению;
• автоматизация производственного процесса в связи с отсутствием обрезки отливки;
• стабильный вес и размеры деталей.

Минусы горячеканальных систем:

• высокая первоначальная стоимость проектирования, изготовления и установки горячеканальных литников;
• сложность обслуживания и ремонта;
• высокий расход электроэнергии для поддержания температуры;
• высокие требования к квалификации специалистов;
• риск термической деструкции при возникновении неполадок;
• нужен качественный материал.

На качество заполнения, механические параметры и внешний вид готовой детали влияют форма и расположение впускного литника. На производстве могут использовать разные типы впускных литников в зависимости от конструктивных особенностей готового изделия:

• Центральный литник используется для толстостенных отливок и переработки высоковязких материалов при низких температурах. Требует последующего удаления и обработки.
• Точечный литник открывается автоматически через пневматическое сопло и обеспечивает чистое отделение изделия от литниковой системы при раскрытии формы.
• Туннельный литник работает как система впрыска, где впуск расплава поступает в формы сбоку через конический канал, что оставляет почти незаметные следы на готовой детали.
• Щелевой литник используется для плоских изделий, снижает внутреннее напряжение и предотвращает деформации.
• Дисковый литник используется для деталей цилиндрической формы, обеспечивая подачу расплава с внутренней стороны без образования линий спая.

Выбор типа литниковой системы

Выбор холодноканального и горячеканального типа литниковой системы зависит от бюджета, технических требований и производственных объемов. Решение принимается после комплексного анализа всех факторов. Правильный выбор типа литника обеспечивает оптимальное соотношение качества готовых изделий, производительности и затрат.

Холодноканальные литники оптимальны в следующих случаях:

• для малосерийного или опытного производства;
• при низком бюджете на изготовление пресс-формы;
• для переработки термочувствительных материалов;
• при частой смене материалов;
• для изготовления крупногабаритных деталей простой формы.

Горячеканальные литники рекомендуются в следующих случаях:

• при высоких объемах выпуска;
• для переработки дорогостоящих полимеров без потерь сырья;
• для минимизации отходов;
• при высоких требованиях к качеству и внешнему виду изделия;
• для сложных и многогнездных пресс-форм.

Горячеканальные литники быстро окупаются при высоких объемах выпуска, так как обеспечивают экономичный расход материала и высокую скорость процесса отливки. Они стоят дороже на старте, но в дальнейшем позволяют экономить каждый грамм материала и время производства.

Выбор литниковой системы зависит от ряда факторов:

• Конфигурация и вес отливки (размер, толщина стенок). Для сложных геометрических деталей могут понадобиться специальные методы литникового контроля, обеспечивающие равномерное заполнение формы и отсутствие дефектов. 
• Вязкость и текучесть материала. Работа с высококристаллическими полимерами предполагает строгий контроль температуры и давления на входе.
• Требования к качеству готового изделия: для получения высококачественной поверхности нужны ворота с незаметными следами или изъянами. 
• Объем выпуска. При высоких производственных объемах подойдут горячеканальные литники. Холодноканальные литники используются для малосерийного производства. 
• Бюджет на проектирование, изготовление, установку и обслуживание пресс-формы. 

Литниковая система выбирается индивидуально, исходя из специфики производства и требований к качеству готовых изделий.

Часто задаваемые вопросы о литниковой системе

В чем основное отличие холодного литника от горячего?

Холодноканальный литник охлаждается вместе с деталью и отделяется как отход, требующий переработки. Система подогрева горячеканального литника поддерживает материал в расплавленном состоянии. Поэтому нет отходов, не остаются холодные литники, а производственный цикл сокращается на 10–20 %.

Читайте также!

Литье полиамида: этапы и добавки

Подробнее

Почему пресс-формы с горячими каналами дороже, чем с холодными?

Это связано со сложной конструкцией, включающей систему подогрева, термодатчики, контроллеры температуры и прецизионные сопла. При высоком объеме выпуска затраты окупаются за счет экономии материала и сокращения цикла.

Какие материалы подходят для горячеканальных литников?

Такие системы работают с большинством термопластов: полиэтиленом, полипропиленом, полистиролом, АБС-пластиком, поликарбонатом. Важное условие — качественное первичное сырье и тщательная очистка расплава для предотвращения засорения каналов.

Как выбрать литниковую систему для производства?

Нужно ориентироваться на форму и геометрию отливки и материала. Внутренние литниковые системы используют для элементов с крупными отверстиями, что позволяет уменьшить размеры формы. Нижние подходят для легко окисляющихся сплавов и обеспечивают спокойную подачу расплава, но могут усложнить конструкцию и вызвать неравномерное распределение температур. Система с сеткой используется для ответственных отливок для фильтрации шлака.

Что учесть при проектировании литниковой системы?

Важно обеспечить спокойное заполнение формы без разбрызгивания и пористости сырья и предотвратить турбулентность, унос газов и шлаки.

Литниковая система является неотъемлемой частью производства изделий методом литья. Важно правильно спроектировать литники и управлять отходами. Выбор вида литниковой системы зависит от специфики производства. Грамотно спроектированная система литников увеличивает эффективность производства и качество готовой продукции. Рекомендуется обратиться за консультацией к профильными специалистам и инженерами литейного производства.