Автоматизация литейного производства

Г. Е. ЛЕВШИН 
АВТОМАТИЗАЦИЯ 
ЛИТЕЙНОГО 
ПРОИЗВОДСТВА 
Монография 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022
1 

УДК 621.74:681.51:658.52  
ББК 34.61 
Л34 
Р е ц е н з е н т ы :  
докт. техн. наук, профессор А. А. Багаев; 
канд. техн. наук, профессор В. Г. Москалев 
 
 
Левшин, Г. Е. 
Л34 
 
Автоматизация литейного производства : монография /  
Г. Е. Левшин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 
624 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0795-3 
Рассмотрены аспекты автоматизации операций литейного производства. Изложены основные понятия, системы и средства автоматического контроля, защиты и управления. Показана разработка структурной схемы автоматизированного технологического процесса, конструктивнотехнологической и функциональной схем, алгоритмов управления, циклограммы и тактограммы. Приведены основы проектирования высокоэффективного автоматического литейного оборудования и анализ структурнокомпоновочных решений автоматических машин и линий. 
Для специалистов, занимающихся автоматизацией литейного производства, а также ученых и инженеров. Может быть полезно студентам  
и аспирантам машиностроительных и металлургических специальностей. 
УДК 621.74:681.51:658.52  
ББК 34.61 
ISBN 978-5-9729-0795-3 
” Левшин Г. Е., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ
Монография написана в связи с отсутствием аналогов, в т. ч. 
учебников, охватывающих по своему содержанию возможно больший 
объем значимых сведений по автоматизации литейного производства. 
Существующие книги, посвященные этой теме, рассматривают ее 
не полностью, а только те или иные аспекты автоматизации. Так, 
например, в учебной литературе Титова Н. Д., Сергеева Л. П. [88], 
Староверова А. Г. [83] рассматриваются простейшие схемы автоматизации изготовления песчано-глинистых форм и стержней; в брошюрах 
Озерова В. А. [54], Свердлова В. И. [71, 72] приведены краткие сведения об автоматизации изготовления отливок в песчаных формах, заливки форм, выбивки и очистки отливок; в книгах Богдана К. С. с соавторами [82], Поручикова Ю. П. [60], Немировского Р. Г. [52], Красникова В. Ф. [34–37] довольно подробно рассмотрены такие отдельные 
вопросы автоматизации как шихтовка, плавка, смесеприготовление и 
заливка, приготовление и раздача формовочной смеси, автоматические 
линии для изготовления форм и стержней, роботизированные комплексы и системы управления линиями. И только в справочнике Дембовского В. В. [21] охватывается наибольшее число направлений автоматизации, но очень кратко. К сожалению, в них не рассматривается 
автоматизация специальных способов литья. 
Все эти книги и информация, содержащаяся в них, устарели и 
часть из них стала библиографической редкостью. Большое количество необходимой информации рассредоточено в других книгах, брошюрах, информационных бюллетенях, каталогах, журнальных статьях 
и др. Ее пришлось разыскивать и обрабатывать. В этом большую помощь оказали студенты-литейщики АлтГТУ, изучавшие дисциплину 
«Автоматизация литейного производства». 
Настоящая монография охватывает практически все литейное 
производство. Она рассматривает: – технические, экономические и социальные преимущества автоматизации; – основные понятия, системы 
и средства автоматического контроля, защиты и управления; – разработку структурной схемы автоматизированного технологического 
процесса, конструктивно-технологической и функциональной схем, 
алгоритмов управления, циклограммы и тактограммы, условий выполнения каждого такта; основы проектирования высокоэффективного 
автоматического литейного оборудования; – анализ структурнокомпоновочных решений автоматических машин и линий; – состояние, 
методы и средства автоматизации производства отливок в разовых 
песчаных и магнитных формах, в кокилях, литьем под давлением, по 
3 

разовым (выплавляемым, газифицируемым) моделям и т. п.; – автоматизацию процессов плавки и заливки расплава в формы, финишной 
обработки отливок; – гибкое автоматизированное производство отливок. 
Одной из целей монографии является изучение подготовленными 
и неподготовленными читателями действующих схем автоматизации 
трудоемких процессов литейного производства и формирование у них 
понимания необходимости и навыков автоматизации производственных процессов, как одной из главных составляющих технического 
прогресса и повышения производительности труда.  
К задачам, поставленным в монографии, можно отнести формирование у читателя: – умения оценить технико-экономическую эф- 
фективность применения систем автоматического управления (САУ)  
и электронных устройств и определить их основные параметры; – 
умения читать схемы управления; – представления о принципах действия САУ и электронных устройств и т. д. 
В результате изучения материала монографии можно узнать основные направления и принципы автоматизации процессов литейного 
производства, получить представление об анализе работоспособности 
и надежности вариантов схем автоматизации применительно к конкретным условиям литейного цеха, определять область использования 
конкретных схем автоматизации, их эксплуатационную эффективность, подбирать соответствующие средства механизации и контрольно-измерительную аппаратуру. 
Высокие требования к современным системам автоматизации и 
большой объём разноплановой информации по всем переделам и операциям литейного производства затрудняют её подбор и изложение.    
Наряду с новыми сведениями приведены в некоторых случаях и устаревшие, представляющие, по мнению автора, исторический и научнотехнический интерес в поэтапном развитии автоматизации какоголибо процесса, например, раздачи сыпучего материала по бункерам, 
удаления отливок из форм и др., а также об устройстве и применении 
механических реле времени, командоаппаратов, шаговых распределителей и т. п. 
Другой особенностью является то, что для автоматизации  
какого-либо процесса литейного производства необходимо доскональное знание этого процесса (и его вариантов) и известных машин 
и оборудования для его осуществления. Поэтому во многих главах 
рассматриваются кратко технологические аспекты автоматизации 
определенного процесса и известные пути решения. В результате 
анализа вероятно их изменение для получения возможности автома 
4 

тизации или повышения её эффективности. Например, при автоматизации изготовления полуформ прессованием под высоким удельным 
давлением в НИИТракторсельхозмаш рекомендовано увеличение 
формовочных уклонов на моделях, ограничена номенклатура отливок 
по сложности, высоте и наличию выступов («болванов»), разработаны специальные смеси, опоки (в т. ч. с двойным ладом), формовочные автоматы, кантователи, сборщики, распаровщики, толкатели, 
выбраны роликовые конвейеры вместо тележечных. В наиболее же 
простых случаях автоматизации ручное управление приводами механизмов машины или оборудования заменяется автоматическим 
(с применением известных датчиков). 
Автоматизацией сложных объектов занимаются, как правило, 
специалисты-литейщики совместно со специалистами-автоматчиками, 
которые имеют слабое представление о литейном производстве. 
Поэтому для первых монография поможет расширить кругозор, 
предложит для выбора известные решения, а для вторых позволит 
быстрее вникнуть в суть решаемой проблемы (задачи), а в резуль- 
тате их совместной работы найти новое решение или усовершенствовать известное, в том числе с использованием появившихся новых 
знаний. 
Ещё одна особенность проявляется в довольно быстром устаревании элементной базы систем автоматизированного управления и 
другой информации, что также затрудняет отбор наиболее ценной информации для размещения в монографии. 
Монография состоит из 10 глав. Каждая глава охватывает один из 
разделов автоматизации. В главе 1 рассматриваются общие основы автоматизации не только литейного производства, но и многих машиностроительных и заготовительных производств; в главе 2 – дозирование 
формовочных и шихтовых материалов; в главе 3 – приготовление смеси и подготовка оборотной смеси; в главе 4 – плавка металла; в гла- 
ве 5 – изготовление разовых объемных литейных форм; в главе 6 – изготовление стержней; в главе 7 – заливка форм, удаление отливок 
из форм и стержней из отливок; в главе 8 – обработка отливок; в гла- 
ве 9 – специальные способы литья; в главе 10 – литье в магнитные 
формы. 
Монография предназначена для специалистов (литейщиков и автоматчиков), занимающихся автоматизацией литейного производства, 
а также студентов, аспирантов и инженеров, изучающих ее. 
Автор глубоко признателен всем, оказавшим содействие в подготовке и выпуске монографии, и, сознавая ее несовершенство, примет 
дружеские замечания и пожелания по ее улучшению. 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Развитием науки и техники доказано, что применение автоматических устройств в производственных процессах (их автоматизация) 
позволяет: 
 устранить тяжелый физический труд рабочих и улучшить 
условия труда; 
 увеличить производительность труда и уменьшить трудоемкость выпускаемой продукции с одновременным улучшением 
ее качества; 
 выполнять операции, недоступные человеку. 
Следует иметь в виду, что полная автоматизация не всегда экономически оправдана, т. к. связана с большими капитальными затратами 
на основные средства, стоимость которых списывается в течение определенного промежутка времени и вносит некоторую постоянную долю 
С в суммарную себестоимость выпуска независимо от объема производства в некотором его интервале. На рис. 1 показано графически влияние 
степени автоматизации на экономику производства. Из него видно, что 
чем больше степень автоматизации (прямая 2), тем менее круто поднимается с ростом выпуска продукции линия переменных расходов V, в 
которую входит и оплата обслуживающего персонала. Суммарные затраты 
CV при малом выпуске получаются в 
случае малой степени автоматизации 
(прямая 1) меньшими, чем при слишком 
большой степени автоматизации, нерентабельной для такого малого выпуска. 
Наоборот, при большом выпуске экономически оправдывается высокая степень автоматизации, которая дает выигрыш 3 в годовых расходах. Таким образом, для каждого производства должна 
быть выбрана оптимальная степень автоматизации, дающая наибольший экономический эффект. 
 
Рис. 1. Зависимость расходов от
выпуска продукции при малой (1) 
и большой (2) степени автоматизации производства 
 
 
 
 
 
 
6 

1. ОБЩИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1. Способы и функциональные узлы схем 
автоматического управления 
В основе современных схем автоматического управления отдельными механизмами, технологическими машинами, агрегатами и линиями лежат разнообразные функциональные узлы, каждый из которых 
реализует заданный закон управления, преобразуя входные сигналы, 
получаемые от датчиков и других узлов схем автоматики, в выходные 
сигналы по определённой программе.  
Наиболее распространёнными являются следующие способы автоматического управления механизмами: 

в функции пути механизма и положения изделия;

в функции времени;

в функции числа импульсов;

с использованием узлов схем, осуществляющих функции запоминания и передачи информации;

в функции давления.
Очень часто эти способы применяют совместно, особенно в
сложных машинах и линиях. 
1.1.1. Управление в функции пути механизма  
и положения изделия 
1.1.1.1. Способ осуществляется десятью основными группами 
функциональных узлов схем, выполняющих следующие 
автоматические операции 
1. «Шаговое» движение механизма, характеризующееся рядом
последовательных перемещений, равных по линейному или угловому 
пути. Это перемещение таких механизмов поступательного и вращательного движения как: шагающий и шаговый транспортеры, конвейеры, поворотные столы и т. п. 
2. Возвратно-поступательное движение с постоянной или переменной длиной хода. При постоянной длине хода самые различные 
механизмы совершают рабочий ход с последующим возвратом в исходное положение. Движение с переменной длиной хода совершают 
механизмы, последовательно передающие изделия в ряд позиций технологического агрегата, например, при многорядной загрузке кольцевой печи, контейнера и т. п. 
7 

3. Возвратно-поступательное движение на рольгангах, например 
покачивание изделий во время термообработки на рольгангах в промышленных печах для равномерного их прогрева. 
4. Передача изделий от группы машин на поперечный транспортер со слежением за их перемещением, например форм или полуформ от нескольких формововочных машин на общий литейный конвейер. 
5. Контроль выдачи группы изделий, например для фиксации 
сброса группы изделий на приемный стеллаж. 
6. Поиск изделий либо свободной ячейки в накопительных 
устройствах, например при автоматизации загрузки и разгрузки накопительных устройств различного вида, служащих для хранения заготовок или готовых изделий. 
7. Блокировка от столкновения двух механизмов, движущихся по 
общему пути. Соответствующие схемы автоматически контролируют 
положение двух механизмов друг относительно друга, не допуская 
сближения на малые расстояния. 
8. Центрирование изделия по заданной оси, в том числе с обеспечением установки центра изделия удлиненной формы в заданной позиции. Эта операция необходима, например, для остановки длинных 
изделий симметрично относительно захватов клещевого кранаперекладчика, по оси платформенных весов и т. п. 
9. Точная остановка механизма в заданной позиции, в том числе 
электроприводов. Без осуществления точной остановки в заданной позиции работа автоматической линии не возможна. 
10. Автоматическое регулирование скорости движения механизма в функции его пути. Схемы этой группы находят применение в 
устройствах программного регулирования скорости в зависимости от 
координаты механизма или агрегата. Они применяются, например, для 
регулирования скорости поворота ковша с расплавленным металлом в 
функции угла наклона ковша с целью поддержания постоянной струи 
расплава; для формирования сложного закона движения кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок и т. п. 
 
1.1.1.2. Для контроля пути механизма и фиксации места  
положения изделия используют различные датчики,  
которые можно разделить на: датчики положения  
и измерители перемещения 
Датчики положения фиксируют наличие изделия или механизма 
в определенных точках его пути. Они делятся на две группы: бесконтактактные и контактные. 
 
8 

К контактным датчикам относят аппараты, электрические контакты которых приводятся в действие упорами либо кулачками, связанными с механизмом (рычажные путевые и конечные выключатели, вращающиеся кулачковые командоаппараты), а также низковольтные контактные датчики и релейные устройства фиксации положений механизма с секционированными троллеями. Эти датчики просты и дешевы,  
а точность некоторых из них достаточно высокая. Однако для них характерны: относительно невысокая предельная скорость механизма; 
ограниченный срок службы из-за износа механической части и электрической эрозии контактов; ограниченные быстродействие и допустимая 
частота включений; недостаточная защищенность от неблагоприятных 
внешних воздействий. Кроме того, они создают шум и радиопомехи. 
К бесконтактным датчикам относят: генераторные, индуктивные, 
емкостные, трансформаторные и фотореле. Они не имеют механического контакта с подвижным объектом, положение которого контролируют, и поэтому в них отсутствуют механический износ и электрическая эрозия, свойственные контактным аппаратам; надежно защищены от влияния внешней среды, так как полностью герметизированы 
эпоксидными компаундами; обеспечивают высокое быстродействие и 
не лимитируют частоту включений. Однако их точность зависит от 
стабильности напряжения питания и температуры. На выходе этих 
датчиков могут быть включены бесконтактный логический элемент 
или электрическое реле. 
Ко второму классу устройств фиксации координат перемещающихся объектов относят две большие группы измерителей перемещения: 1) аналоговые измерители с сельсинами, вращающимися трансформаторами, кольцевыми потенциометрами и т. п.; 2) цифровые измерители. Последние делятся на две подгруппы: измерители перемещения с импульсными датчиками и позиционно-кодовые преобразователи типа вал-цифра, вал-код и др. Они пока малораспространены  
в литейных цехах и описаны в [19, 21]. 
 
1.1.1.3. Основные типы электрических датчиков положения 
Автоматическое управление в функции пути наиболее распространенная форма автоматизации литейных машин, т. к. в большинстве случаев требуется управлять взаимными перемещениями механизмов машины или линии.  
Как уже отмечалось, основным элементом путевой автоматики 
является путевой переключатель, фиксирующий определенное положение движущегося изделия или элемента машины и вырабатывающий сигнал. Переключатели могут быть электрические, пневматиче 
9 

ские, гидравлические и комбинированные. Однако чаще применяют 
электрические, т. к. применение электричества в схемах автоматики 
более целесообразно из-за быстродействия электрических переключателей и большей скорости и надежности передачи электрического сигнала. Путевые переключатели, фиксирующие конечное положение механизмов, называются конечными переключателями. Часто это название распространяют на все путевые переключатели. 
Электрическая путевая автоматика является наиболее распространенной в литейных машинах и линиях, имеющих пневматический, 
гидравлический и электрический привод. На современной автоматической формовочной линии устанавливают не менее 70–100 конечных 
выключателей. Как правило, почти в любой машине электрическая путевая автоматика сочетается с другими видами управления. 
Контактные переключатели. В простейшем случае контактным 
переключателем может служить кнопочный элемент, у которого пусковая кнопка заменена нажимным штоком. При перемещении подвижного элемента машины, закрепленный на нем кулачок или упор нажимает на шток переключателя, осуществляя замыкание или размыкание 
его контактов. Контактный путевой переключатель выдает сигнал о 
положении механизма машины в виде замыкания или размыкания своих контактов.  
Для управления литейными машинами используют путевые переключатели с механизмами мгновенного действия серий КУ-700, ВК200Г, ВК-300Г, скорость размыкания контактов которых не зависит от 
скорости перемещения механизмов машины. Быстрое срабатывание 
переключателей предотвращает искрение между контактами, приводящее к быстрому их подгоранию. 
Нередко применяют малогабаритные переключатели типа МП-1, 
МП-2, МП-3, имеющие механизм мгновенного действия. Они отличаются малым перемещением нажимного штока и незначительным усилием, необходимым для их срабатывания 5–7 Н. 
К путевым переключателям для литейных машин и линий предъявляют особенно высокие требования в отношении надёжности и срока службы. Из-за износа механической части и контактных элементов 
в условиях запыленности и загазованности литейных цехов при высокой частоте срабатывания контактные переключатели становятся недостаточно надежными, поэтому в литейных цехах находят все большее применение бесконтактные путевые переключатели. 
На рис. 1.1, а показан путевой выключатель мгновенного действия серии ВК-200, в котором эти недостатки в значительной мере 
устранены. Этот выключатель имеет металлический корпус 4. Непо 
10