Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018, № 1

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования 
«Тульский государственный университет» 

16+ 
ISSN 2071-6168 

ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 

Выпуск 1 

Тула 
Издательство ТулГУ 
2018 

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ: 
 ISSN 2071-6168 

Председатель  
Грязев М.В., д-р техн. наук, проф., ректор Тульского государственного университета. 
Заместитель председателя  
Кухарь В.Д., д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе. 
Ответственный секретарь  
Ивутин А.Н., канд. техн. наук, доц., начальник Управления научно-исследовательских работ. 
Главный редактор 
Прейс В.В., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой. 

Члены редакционного совета: 
Батанина И.А., д-р полит. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Гуманитарные науки»; 
Берестнев М.А., канд. юрид. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Экономические и юридические 
науки». Часть 2. «Юридические науки»; 
Борискин О.И., д-р техн. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Технические науки»; 
Егоров В.Н., канд. пед. наук, доц., – отв. редактор 
серии «Физическая культура. Спорт»; 

Заславская О.В., д-р пед. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Педагогика»; 
Качурин Н.М., д-р техн. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Науки о Земле»; 
Понаморева О.Н., д-р хим. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Естественные науки»; 
Сабинина А.Л., д-р экон. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Экономические и юридические 
науки». Часть 1. «Экономические науки».  

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: 

Ответственный редактор 
Борискин О.И., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Заместитель ответственного редактора 
Ларин С.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Ответственный секретарь 
Яковлев Б.С., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 

Члены редакционной коллегии: 
Александров А.Ю., д-р техн. наук (Ковровская 
государственная технологическая академия  
им. В.А. Дегтярева, г. Ковров); 
Баласанян Б.С., д-р техн. наук (Государственный 
инженерный университет Армении, г. Ереван,  
Армения); 
Васин С.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Дмитриев А.М., д-р техн. наук (Московский  
государственный технический университет  
«СТАНКИН», г. Москва); 
Запомель Я., д-р техн. наук (Технический  
университет Остравы, г. Острава, Чехия); 
Ковалев Р.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Колтунович Т.Н., д-р техн. наук (Люблинский 
технологический университет, г. Люблин, Польша); 
Кристаль М.Г., д-р техн. наук (Волгоградский 
государственный технический университет,  
г. Волгоград); 
Ларкин Е.В., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула) 

Мельников В.Е., д-р техн. наук (Национальный 
исследовательский университет «МАИ», г. Москва); 
Мещеряков В.Н., д-р техн. наук (Липецкий  
государственный технический университет,  
г. Липецк); 
Мозжечков В.А., д-р техн. наук  
(АО «Тулаэлектропривод», г. Тула); 
Распопов В.Я., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Савин Л.А., д-р техн. наук (Орловский 
государственный технический университет, г. Орел); 
Семилет В.В., д-р техн. наук (АО Конструкторское 
бюро приборостроения», г. Тула);  
Сорокин П.А., д-р техн. наук (Российский  
университет транспорта «МИИТ», г. Москва); 
Степанов В.М., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Сычугов А.А., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Чуков А.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Яцун С.Ф., д-р техн. наук (Юго-западный  
государственный университет, г. Курск) 

Сборник зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г. 
Подписной индекс сборника 27851 по Объединённому каталогу «Пресса России». 
Сборник включен в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть 
опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание 
учёной степени доктора наук», утвержденный ВАК Минобрнауки РФ. 

© Авторы научных статей, 2018 
© Издательство ТулГУ, 2018 

Литейное производство 
 

 
3

 
 
 
 
 
 
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО 
 
 
 
 
УДК 621.74 
 
ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ ВЫБОРА И РАСЧЕТА  
ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ФОРМ 
 
А.И. Вальтер, А.В. Раев  
 
Разработана приближенная геометрическая модель процесса литья на основе 
моделирования литниковопитающей системы, которая описывает процесс заполнения 
металлом формы, кинетику охлаждения, кинетику кристаллизации (жидкая фаза), 
образование усадочных дефектов в металлах. 
Ключевые слова: литье в песчано-глинистые формы, литниковая система, моделирование, кристаллизация. 
 
В настоящее время широкое распространение получили системы 
CAE, т.е. системы инженерного анализа. Это связано с использованием основных физических принципов для решения задач с технической целью 
получения за приемлемое время оптимальных решений. 
Задача определения точных размеров литниковой системы в каждом конкретном случае является достаточно сложной вследствие различных труднопрогнозируемых явлений, происходящих при заполнении формы жидким металлом. Поэтому на практике используют расчетные методы, основанные на некоторых допущениях: 
- жидкий металл рассматривается как идеальная жидкость с постоянной вязкостью;  
- тепловое воздействие металла и формы (охлаждение металла и нагрев формы) при ее заполнении не учитывается;  
- движение жидкого металла рассматривается как движение тяжелой жидкости по закрытым и открытым каналам формы. 
Для решения поставленной задачи в данной системе была разработана приближенная геометрическая модель процесса литья в песчаноглинястые формы (рис. 1). 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 1 
 

 
4

Математическая модель описывает процесс заполнения металлом 
формы, кинетику охлаждения (температура), кинетику кристаллизации 
(жидкая фаза), образование усадочных дефектов в металлах. 
Для моделирования тепловых процессов, протекающих в отливке, в 
проектируемой системе используются модели решения уравнения теплопроводности в частных производных, которые описывают поля расчетных 
величин отливки и формы. 

 
Рис. 1. Строение области моделирования: 1 – полость формы,  
заполненная металлом (область M); 2 – форма (область F) 
 
Уравнение теплопроводности выражает тепловой баланс для малого 
элемента объема среды с учетом поступления теплоты от источников и тепловых потерь через поверхность элементарного объема вследствие теплопроводности 

I
z
T
z
y
T
y
x
T
x
t
H
+




∂
∂
∂
∂
+








∂
∂
∂
∂
+




∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
λ
λ
λ
,                       (1) 

где λ  - коэффициент теплопроводности, Вт/см/К; I  – объемная плотность 
теплового потока внутренних источников, Вт/см3, 

t
W
I
∂
∂
=
,                                                   (2) 
где W  – удельная теплота, выделяемая или поглощаемая внутренними источниками [2]. 
Это уравнение решается в нелинейной среде, так как свойства металла M и материала формы F различаются:  




∈
λ
∈
λ
=
λ
,
,
,
,
,
,
F
z
y
x
F

M
z
y
x
M
                                         (3) 

где 
F
M λ
λ
,
 – коэффициент теплопроводности металла и материала формы, 

Литейное производство 
 

 
5













∈
ρ

∈










>
+
ρ

<
<
−
−
+
ρ

<
ρ

=

,
,
,

,
,
,

,

,

F
z
y
x
T
F
F
с

M
z
y
x

L
T
T
при
L
H
T
c

L
T
T
S
T
при
S
T
L
T
S
T
T
L
H
T
c

S
T
T
при
T
c

H
         (4) 

где 
ρ
,c
 – теплоемкость (Дж/г/К) и плотность (г/см3) металла;  
F
F
с
ρ
,
 – 
теплоемкость и плотность материала формы; 
L
T , 
S
T  – температуры ликвидуса и солидуса металла; 
L
H  – энтальпия плавления, Дж/см3. 
Начальным условием является начальное распределение температуры энтальпии в пространстве: 
,
,
,
;
,
,
;0
0
M
z
y
x
для
T
T
F
z
y
x
для
T
T
t
зал
∈
=
∈
=
=
           (5) 
где 
зал
T
 – температура металла после заливки формы. 
Граничные условия описывают расположение поверхности (отливки) в пространстве (форме) и условии теплообмена тела с внешней средой: 

),
(
0

),
(
0

),
(
0

0
max

0
max

0
max

T
T
b
z
T
z
z
z

T
T
b
y
T
y
y
y

T
T
b
x
T
x
x
x

−
−
=
∂
∂
=
∪
=

−
−
=
∂
∂
=
∪
=

−
−
=
∂
∂
=
∪
=

λ

λ

λ

                            (6) 

где b  – коэффициент теплоотдачи, Вт/см2/К. 
Численное решение модели реализовано на регулярной прямоугольной разностной сетке, узлы i,j,k которой имеют температуру и энтальпию Ti,j,k. Hi,j,k соответственно. Строение дискретного пространства 
описано трехмерным массивом U, указывающим принадлежность узла металлу или материалу формы. Решение уравнения (1) было выполнено методом конечных разностей [2].  
Программа, реализующая решение поставленной задачи, написана в 
среде программирования Borland Delphi 7. Результат представлен на рис. 2 
в виде изображения распределения температуры в плоскости симметрии 
системы «отливка – форма». 
Программа позволяет решить задачу по определению размеров питателя литниковой системы. Критерием качественного формирования отливки является отсутствие замкнутых полостей с жидкого металла в конце 
затвердевания. 
В качестве примера рассмотрен процесс затвердевания отливки из 
сплава системы «Al – Mg» в песчано-глинистой форме. Габаритные размеры отливки 600x450x450 мм. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 1 
 

 
6

При моделировании использованы следующие значения: TL =  
650 °C, TS = 500 °C, HL = 600 Дж/см3, λM = 2 Вт/см/К, λF = 0,1 Вт/см/К, b = 
0,1 Вт/см2/К 
При площади поперечного сечения питателя литниковой системы  
Fп = 2,7 см2 в процессе застывания внутри отливки сформировалась замкнутая область (рис.2, а), что недопустимо, так как при этом возникают литейные дефекты в виде усадочных раковин. 
 
 

 
Рис. 2. Вид экрана при решении задачи о выборе элементов литниковой 
системы: а, в – Fп = 2,7 см2; б, г – Fп = 3,0 см2: 
1 – форма, область F; 2 – полость формы, заполненная металлом, 
область M; 3 – процесс кристаллизации 
 
Затем размеры были увеличены и при площади поперечного сечения питателя Fп > 3,0 см2, процесс затвердевания завершается в литниковой системе.  
Площадь сечения питателя Fп = 3,0 см2 является оптимальной, а 
дальнейшее увеличение нецелесообразно, так как это приводит к увеличению расхода металла на последующую обрезку литников. 

С некоторого момента из-за уменьшения доли жидкой фазы грани
цы теплового узла становятся непроницаемыми, усадка расплава при кристаллизации не компенсируется изменением уровня расплава в дендритном каркасе, и тепловой узел становится замкнутым (рис. 3). Это приводит 
к интенсивному понижению давления в тепловом узле, которое определяется выражением (6), и когда давление в точке теплового узла падает до 
критического значения, становится энергетически выгодным образование 

нового зеркала в зоне свободного
что для образования новой
которой дополнительной раб

Рис. 3. Схема образования

L – расплав; S – фаза кристаллизации

M – зеркало материала

Разработанная математическая

гическую задачу по оптимизации
никово-питающей системы

1. Кечин В.А., Селихов

изводство литых заготовок

2. Цаплин А.И., Никулин

процессов и объектов в металлургии
гос. техн. ун-та, 2011. 299 с

Вальтер Александр Игоревич

Россия, Тула, Тульский государственный

Раев Александр Владимирович

государственный университет

ENGINEERING ANALYSIS SELECTION AND CALCULATION 

GATING SYSTEMS FOR 

Литейное производство 
 

7

в зоне свободного расплава. Также необходимо

образования новой поверхности раздела требуется выполнение
дополнительной работы. 

образования усадочной раковины в закрытом
фаза кристаллизации термопласта; F –

зеркало материала; Vp – объем усадочной раковины

математическая модель позволяет решить

задачу по оптимизации размеров и конструкции элементов

системы. 
 
Список литературы 
 

Кечин В А., Селихов Г.Ф., Афонин А.Н. Проектирование
литых заготовок. Владимир, 2002. 228 с. 

А И., Никулин И.Л. Моделирование теплофизических

объектов в металлургии: учеб. пособие. Пермь Изд

, 2011. 299 с.

Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., valter.ale

государственный университет,

Александр Владимирович, асп., gaambit@mail.ru, Россия

университет

ENGINEERING ANALYSIS SELECTION AND CALCULATION 

GATING SYSTEMS FOR POSTANOVLENIYA FORMS

 
A.I. Walter, A.W.  Raev  

необходимо учитывать, 

требуется выполнение не
в закрытом узле: 

– пресс-форма;  

усадочной раковины

позволяет решить технолоконструкции элементов лит
Проектирование и про
лирование теплофизических 

пособие Пермь: Изд-во Перм. 

valter.alek@rambler.ru, 

Россия, Тула, Тульский 

ENGINEERING ANALYSIS SELECTION AND CALCULATION 

POSTANOVLENIYA FORMS

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 1 
 

 
8

An approximate geometric model of the casting process on the basis of modeling liticaphobia system, which describes the process of filling the metal forms, the kinetics of cooling, kinetics of crystallization (liquid phase), the formation of shrinkage defects in metals is 
developed. 
Key words: casting postanovleniye form, gating system, modeling, crystallization. 
 
Walter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, val
ter.alek@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University, 
 
Raev Alexander Wladimirovich, postgraduate, gaambit@mail.ru, Russia, Tula, Tula 
State University 
 
 
УДК 621.74.045; 678.746.22 
 
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ 
 
А.И. Вальтер  
 
Рассмотрены особенности применения технологии литья металлических 
сплавов по газифицируемым моделям. Приведены основные требования, предъявляемые 
к материалу моделей на основе полистирола. 
Ключевые слова: литье по газифицируемым моделям, литниковая система, 
формовочная смесь, кристаллизация, полистироловый гранулят. 
 
Способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) имеет ряд преимуществ, из которых следует отметить возможность применения формовочных песков без крепителей; отсутствие разъемов у форм и стержней; 
новые возможности конструирования отливок; высокий коэффициент использования жидкого металла; снижение объема зачистных операций; возможность механизации и автоматизации процессов. 
 

 
Пенополистироловые модели в контейнере 

Литейное производство 
 

 
9

Традиционный процесс ЛГМ предусматривает изготовление отдельных элементов моделей из пенопласта; склеивание таких элементов и 
приклеивание собранных моделей к элементам литниковой системы с получением так называемой модельной елочки; размещение модельной елочки в опоке, заполняемой формовочным песком, в составе которого крепитель отсутствует; уплотнение вибрацией формовочного песка, включая и 
песок, заполняющий полости в моделях; заливку полученных форм металлическим расплавом, который, нагревая модели, обеспечивает их газификацию и занимает место моделей в форме. Альтернативный вариант  
предусматривает нанесение на поверхность модельной елочки керамической корки и проведение обжига такой корковой формы с газификацией 
модели. 
Особенности технологии производства отливок по газифицируемым моделям: 
при изготовлении моделей необходимо особое внимание обращать 
на равномерность плотности пенопласта и качество поверхности моделей; 
важным моментом при изготовлении составных моделей является 
выбор состава и технологии нанесения клея; 
если после завершения изготовления моделей последние достаточно долго хранятся на складе, то следует принимать во внимание их  
усадку; 
большое влияние на качество получаемых отливок оказывает наносимая на модели или формирующаяся около их поверхности в литейной 
форме керамическая корка, газопроницаемость которой должна обеспечивать удаление из рабочей полости литейной формы паров и газов, образующихся в результате термического разложения пенопласта; 
достаточно важно обеспечивать жесткость модельной елочки на 
уровне, исключающем ее деформирование при формовке и заливке расплава в форму; 
приготовление формовочной смеси должно гарантировать равномерность ее состава и температуры, принимая во внимание, что изменение 
фракционного состава смеси может отрицательно сказываться на газопроницаемости форм, а следовательно, и на удалении образующихся при разложении модели газов из формы; 
засыпку модели формовочной смесью и ее уплотнение следует проводить таким образом, чтобы гарантировать точное воспроизведение модели, исключив вероятность ее разрушения; 
качество отливки и наличие в ней литейных дефектов в первую 
очередь определяются качеством модели и ее поведением в процессе газификации при заполнении формы металлическим расплавом, причем наиболее часто встречающимся и трудно устранимым дефектом является появление на поверхности и в структуре чугунных отливок крупных скоплений 
блестящего углерода. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 1 
 

 
10

В качестве материала для изготовления моделей используют полистирол, содержащий 5...8 %-ный полистироловый гранулят с размером 
частиц 0,2...0,5 мм и насыпной плотностью 600 г/л. Такой гранулят в закрытых металлических емкостях можно хранить более шести месяцев. За 
счет вспенивания плотность полистирола снижают до 15...40 г/л, причем, 
как свидетельствуют многочисленные исследования, с точки зрения прочности моделей и качества их поверхности оптимальной является плотность 
их материала на уровне 20 г/л. Чтобы обеспечивать равномерную плотность моделей, фракционный состав применяемого полистиролового гранулята должен быть по возможности однородным. На долю гранул размером 0,4...0,5 мм должно приходиться до 90 % общего количества гранул [1]. 
Процесс переработки исходного гранулята предусматривает вспенивание его в специальных установках водяным паром или вакуумированием при нагреве. В процессе вспенивания размер гранул увеличивается, 
причем после вспенивания гранулы быстро охлаждают, возвращая им исходную твердость. После сушки в кипящем слое в течение 4 – 8 ч гранулы 
рекомендуется перед использованием выдержать не менее 24 ч при комнатной температуре с тем, чтобы возникающее во вспененных гранулах 
при охлаждении разряжение нивелировалось за счет диффузии в гранулы 
воздуха. 
Так как газообразный пентан образует с воздухом горючую смесь, в 
состав которой входит 1,4...7,8 % пентана, помещения для хранения гранулята и готовых моделей необходимо оснащать мощными системами вытяжной вентиляции.  
Для изготовления из вспененных гранул моделей используют очень 
точные пресс-формы, имеющие уклоны 0,5...1 град. Наиболее широко 
применяют алюминиевые модельные пресс-формы с толщиной стенок 
8...10 мм. В последние годы для изготовления моделей на ряде предприятий используют пресс-формы, получаемые методами гальванопластики. Эти пресс-формы при достаточно высокой долговечности сравнительно 
просты в изготовлении, так как равномерность толщины их стенок позволяет ликвидировать дополнительную механическую обработку для выравнивания теплоотвода. 
В модельной пресс-форме полистироловые гранулы повторно пластифицируют путем нагрева, обеспечивая условия для их взаимного сваривания. Для нагрева гранул через пресс-форму, заполненную такими гранулами, продувают перегретый пар с температурой 100...120 °С. Сразу после того, как процесс расширения гранул и их сваривания прекратился, 
модели достаточно быстро охлаждают в форме до 50 °С, обеспечивая возвращение полистиролу необходимой твердости и прочности. Длительность 
операции изготовления одной модели в пресс-форме обычно составляет 
около 1 мин. На качество поверхности модели, влажность ее материала и 
расход энергии оказывают влияние много факторов, включая технологию