Projektowanie odlewów aluminiowych: zasady konstrukcji, które obniżają koszt i liczbę braków

Odlew aluminiowy jest tani i powtarzalny wtedy, gdy ma możliwie równe ścianki, łagodne przejścia, pochylenia zgodne z kierunkiem wyjmowania z formy i jak najmniej rdzeni. O tych cechach decyduje konstruktor: według akademickiego podręcznika „Odlewnictwo” (WNT) projektowanie to ok. 7% kosztu wyrobu, ale aż 65% wpływu na ten koszt. Zebraliśmy zasady, które warto sprawdzić, zanim model trafi do odlewni.

W skrócie

• Minimalna grubość ścianki zależy od metody: 3–6 mm w formie piaskowej, 2,5–5 mm w kokili i 0,7–1,5 mm przy odlewaniu ciśnieniowym.
• Ścianki wewnętrzne projektuj ok. 20% cieńsze od zewnętrznych, a stosunek grubości sąsiednich ścian utrzymuj do 2:1; większe różnice łagodź klinem o zbieżności najwyżej 1:4.
• Pochylenia orientacyjnie: forma piaskowa ok. 2° (minimum ok. 1°), odlewanie ciśnieniowe ok. 2° na ścianach wewnętrznych i ok. 1° na zewnętrznych; płytkie elementy i kokila wymagają większych kątów.
• Skrzyżowania ścian, połączenia T bez odciążenia i masywne zgrubienia tworzą węzły cieplne – częste źródło jam skurczowych i nieszczelności.
• Każdy dodatkowy rdzeń, podcięcie i druga płaszczyzna podziału podnosi koszt oprzyrządowania. W formach metalowych rdzenie powinny mieć wspólny kierunek wyciągania.

Dlaczego o koszcie odlewu decyduje konstrukcja?

Pełne zestawienie z tego samego źródła pokazuje, gdzie powstaje koszt, a gdzie się o nim decyduje:

Etap	Udział w koszcie wyrobu	Wpływ na koszt wyrobu
Projektowanie	7%	65%
Produkcja	33%	19%
Materiały	40%	15%
Administracja	20%	1%

Na etapie projektu zapadają decyzje o materiale i procesie, a późniejsze wybory technologa mają już stosunkowo niewielki wpływ na koszt. Dlatego zasady technologiczności konstrukcji opłaca się sprawdzić przed zamówieniem form i modeli – koszt, trwałość i warunki własności tych narzędzi opisujemy w artykule o modelach, kokilach i formach ciśnieniowych.

Zasady technologiczności dzieli się według tego, czemu służą: wykonaniu oprzyrządowania i form, zapełnieniu formy metalem, zasilaniu odlewu, ograniczeniu naprężeń oraz oczyszczaniu.

Grubość ścianek: minimum dla każdej metody i równomierny rozkład

Minimalna grubość ścianki to granica, poniżej której metal może nie wypełnić formy. Podręcznik podaje dla stopów aluminium:

Metoda odlewania	Minimalna grubość ścianki	Uwagi
Forma piaskowa (masa bentonitowa)	3–6 mm	wartość podana dla metali nieżelaznych
Kokila	2,5–5 mm	2,5 mm przy małych, 5 mm przy większych powierzchniach
Odlewanie ciśnieniowe	0,7–1,5 mm	0,7 mm dla małych, 1,5 mm dla średnich części

Minimum nie jest zaleceniem. Zbyt cienka ścianka grozi niedolewem, a duża płaska ściana – także zimnymi zlewami. Pomaga wtedy pogrubienie ścianki, a w przypadku dużej płaskiej ściany – jej pochylenie.

Drugi biegun to ścianki za grube. Grubsze przekroje stygną wolniej, mają grubszą strukturę i niższe właściwości, a w masywnych miejscach łatwo o porowatość skurczową. Jak grubość ścianki przekłada się na wytrzymałość, wyjaśniamy w artykule o właściwościach mechanicznych odlewów aluminiowych.

Trzy reguły proporcji:

• Ścianki wewnętrzne o ok. 20% cieńsze od zewnętrznych (Y = 0,8X). Wnętrze odlewu oddaje ciepło wolniej, więc cieńsza ścianka wyrównuje stygnięcie.
• Żebro u nasady nie grubsze niż ok. 80% ścianki, z której wyrasta. Grubsze żebro tworzy węzeł cieplny w miejscu połączenia.
• Stosunek grubości sąsiednich ścian do 2:1. Gdy większa różnica jest nieunikniona, łącz przekroje klinem o zbieżności najwyżej 1:4. Klin powinien być co najmniej cztery razy dłuższy niż różnica grubości. Alternatywą jest podział części na dwa odlewy.

Sztywność lepiej budować żebrami niż masą. Żebrami i łącznikami usztywnia się też przekroje narażone na pęknięcia i odkształcenia.

Przejścia, zaokrąglenia i węzły cieplne

Węzeł cieplny to miejsce, w którym zbiera się więcej metalu niż w otoczeniu. Krzepnie ostatnie, więc brakuje mu ciekłego metalu do wyrównania skurczu – powstaje jama lub porowatość skurczowa.

Rozwiązanie ryzykowne	Lepsze rozwiązanie	Dlaczego
Skrzyżowanie ścian (połączenie typu X)	połączenie przesunięte (typu Z), siatka sześciokątna lub pierścień w węźle	mniej metalu w jednym miejscu
Połączenie typu T z ostrym narożem albo samym promieniem	wybranie (zagłębienie) w miejscu połączenia	bez wybrania w węźle powstaje jama skurczowa; rdzeń w węźle działa, ale jest nieekonomiczny
Ostre przejście z grubej na cienką ściankę	przejście stopniowe, zaokrąglone	mniejsze ryzyko pęknięć i paczenia
Proste ramiona i duże płaskie ściany	ramiona wygięte, ściany wygięte lub pochylone	mniejsze naprężenia odlewnicze
Masywne zgrubienie daleko od nadlewu	węzeł przesunięty w stronę nadlewu albo żebro zasilające	krzepnięcie kierunkowe, łatwiejsze zasilanie

Zaokrąglenia na połączeniach ścian są w odlewach praktycznie obowiązkowe. Promień dobiera się proporcjonalnie do grubości ścianek: zbyt mały sprzyja pęknięciom, a zbyt duży sam tworzy lokalny węzeł cieplny. Konkretne promienie najlepiej ustalić z technologiem dla danej metody i stopu.

Węzły łatwo wyszukać metodą kół wpisanych: w przekroju modelu wpisuje się okręgi w ścianki i ich połączenia. Im większe koło mieści się w węźle w porównaniu ze ścianką obok, tym większe ryzyko jamy skurczowej. Porowatość w węzłach to też częsta przyczyna przecieków – piszemy o tym w artykule o szczelności odlewów aluminiowych.

Pochylenia odlewnicze i skurcz

Pochylenie odlewnicze to zbieżność ścian równoległych do kierunku wyjmowania modelu z formy albo odlewu z formy metalowej. Bez niego model uszkadza formę piaskową przy wyjmowaniu, a odlew zakleszcza się w kokili lub formie ciśnieniowej.

Metoda	Orientacyjne pochylenie	Uwagi
Forma piaskowa	ok. 2°, minimum ok. 1°	ściany zewnętrzne i wewnętrzne
Kokila	ok. 3° przy głębokości 25–127 mm	płytsze elementy 5–10°, głębsze niż 127 mm ok. 2°; otwory na rdzeniach stalowych 3–10°
Odlewanie ciśnieniowe	ok. 2° wewnątrz, ok. 1° na zewnątrz	przy głębokości od ok. 25 mm; w wykonaniu precyzyjnym ok. 1° i 0,5°; przy głębokości 10 mm ok. 3° wewnątrz

Wartości dla odlewania ciśnieniowego pochodzą z zaleceń NADCA, dla kokili – z poradnika producenta odlewów kokilowych i AFS, dla formy piaskowej – z typowych zaleceń konstrukcyjnych. To punkty wyjścia, nie wymagania normy.

Ściany wewnętrzne potrzebują większego pochylenia niż zewnętrzne, bo stygnący odlew kurczy się i zaciska na rdzeniach i występach formy. Wydanie 2023 normy ISO 8062-3 wprowadziło tabele pochyleń dla poszczególnych metod (tabele 2–6). Jak pochylenia i naddatki łączą się z tolerancjami wymiarowymi, opisujemy w artykule o tolerancjach odlewów według ISO 8062-3. Pochylenia, płaszczyznę podziału i kierunek wyjmowania oznacza się na rysunku według ISO 10135.

Odlew po ostygnięciu jest mniejszy niż wnęka formy, dlatego oprzyrządowanie wykonuje się w powiększeniu o skurcz. Dla stopów aluminium przyjmuje się typowo ok. 1,2% (zakres 0,8–1,5%), a przy odlewaniu ciśnieniowym mniej – np. dla amerykańskiego stopu A380 podaje się ok. 0,6%. W formie metalowej i przy kurczeniu hamowanym przez rdzenie skurcz jest mniejszy niż w formie piaskowej. Na rysunku części podajesz wymiary nominalne, a skurcz uwzględnia odlewnia przy projektowaniu oprzyrządowania.

Płaszczyzna podziału, rdzenie i podcięcia

Najtańszy odlew ma jedną, płaską powierzchnię podziału i wymiary, które da się odtworzyć z jednej połówki formy. Daje to krótsze formowanie, tańszy zespół modelowy i większą dokładność, bo przesunięcie połówek formy nie wpływa na wymiary.

Rdzenie to osobne oprzyrządowanie i osobna operacja. Dobrze widać to na przykładzie jednej części w trzech wersjach: z trzema rdzeniami (najdroższa), z jednym i bez rdzeni (najtańsza). Proste obrysy i konstrukcje otwarte ułatwiają formowanie i zmniejszają liczbę rdzeni.

W kokili i formie ciśnieniowej obowiązują dodatkowe reguły:

• rdzenie metalowe powinny mieć wspólny kierunek wyciągania,
• unikaj w ścianach zewnętrznych podcięć równoległych do płaszczyzny podziału, bo wymagają bocznych rdzeni,
• żebra i zgrubienia przedłużaj aż do płaszczyzny podziału albo przenoś na ściany zewnętrzne,
• pamiętaj, że podcięcie, które w formie piaskowej rozwiąże rdzeń, w formie metalowej bywa trudne lub niemożliwe do wykonania.

W formie piaskowej rdzeń trzeba podeprzeć z dwóch stron, a głębokie kieszenie w masie bentonitowej trudno równo zagęścić. Dla mas bentonitowych przyjmuje się szacunkowo, że głębokość kieszeni nie powinna przekraczać połowy jej szerokości, gdy kieszeń jest zamknięta z czterech stron, jednej szerokości przy trzech ścianach i trzech szerokości przy dwóch (h/a = 0,5 / 1,0 / 3,0). Głębsza kieszeń oznacza zwykle rdzeń. Więcej o zagęszczaniu – w artykule o masach formierskich, a o technologiach rdzeni – w tekście o rdzeniach odlewniczych.

Otwory odlewane: kiedy rdzeń, a kiedy wiertło

Otwór odlany oszczędza obróbkę, ale jego głębokość jest ograniczona średnicą. Orientacyjne granice według zaleceń NADCA dla odlewania ciśnieniowego aluminium:

Średnica otworu	Maksymalna głębokość	Głębokość / średnica
3,2 mm	ok. 8 mm	ok. 2,5
6,35 mm	ok. 25 mm	4
12,7 mm	ok. 51 mm	4
19 mm	ok. 114 mm	6
25,4 mm	ok. 152 mm	6

To zalecane wartości maksymalne, a nie granice konkretnej odlewni. W kokili otwory o średnicy poniżej ok. 6 mm są zwykle niepraktyczne do odlewania, a otwory o średnicy ok. 3 mm i mniejsze wykonuje się tylko w szczególnych przypadkach, na stałych trzpieniach. Gdy otwór jest za głęboki w stosunku do średnicy, rdzeń wprowadza się z dwóch stron. Gęsto rozmieszczonych otworów zwykle się nie odlewa.

W formach piaskowych granice zależą od rodzaju rdzenia, dlatego ustal je z odlewnią, a małe otwory planuj od razu do wiercenia.

Zalewki, nadlewy i oczyszczanie

Część kosztu odlewu to oczyszczanie: usuwanie zalewek, układu wlewowego, nadlewów i masy rdzeniowej. Konstrukcja może je skrócić:

• ułóż odlew tak, by zalewki wypadały na powierzchniach obrabianych – znikną razem z naddatkiem,
• miejsca pod nadlewy projektuj płaskie, bo pozostałość po płaskim nadlewie usuwa się bez obróbki kształtowej,
• prowadź zalewki po płaskich powierzchniach zewnętrznych, bo tam usuwa się je znacznie szybciej niż we wnękach,
• rozmieść otwory tak, by z wnęk dało się łatwo usunąć przypieczoną masę.

Na powierzchniach obrabianych przewiduj naddatek, a bazy pomiarowe wybieraj z dala od linii podziału.

Lista kontrolna przed wysłaniem modelu do odlewni

1. Ścianki nie cieńsze niż minimum dla wybranej metody i możliwie równe; wewnętrzne ok. 20% cieńsze od zewnętrznych.
2. Różnice grubości do 2:1, przejścia klinowe nie bardziej strome niż 1:4, zaokrąglone naroża.
3. Brak skrzyżowań X i masywnych zgrubień; połączenia T z wybraniem.
4. Pochylenia na wszystkich ścianach równoległych do kierunku wyjmowania, większe na ścianach wewnętrznych.
5. Jedna, płaska powierzchnia podziału i wymiary krytyczne w jednej połówce formy.
6. Jak najmniej rdzeni; w formach metalowych wspólny kierunek wyciągania i brak podcięć równoległych do podziału.
7. Decyzja, które otwory odlewać, a które wiercić.
8. Oznaczone powierzchnie obrabiane i bazy; zalewki i nadlewy na powierzchniach obrabianych lub płaskich.
9. Model 3D (np. STEP) i rysunek z tolerancjami, gatunkiem stopu i planowaną liczbą sztuk.

Model 3D przyda się nie tylko do wyceny: jest podstawą wykonania oprzyrządowania na obrabiarkach CNC i symulacji procesu odlewania.

Najczęściej zadawane pytania

Sprawdzimy Twój model, zanim powstanie oprzyrządowanie

Prześlij model 3D i rysunek. Technolog oceni ścianki, pochylenia, rdzenie i płaszczyznę podziału, a model odlewniczy przygotujemy w ramach modelowania i prototypowania – także na podstawie skanu 3D istniejącej części. Odlewy wykonamy m.in. w kokili lub metodą odlewania ciśnieniowego. Wyślij model do analizy.

Źródła i normy

• M. Perzyk (red.), Odlewnictwo, WNT, Warszawa – rozdz. 3.2 (rys. 3.28, tabl. 3.11–3.16, s. 163–179), 3.3 (tabl. 3.20, s. 185–186), 3.4 (wybór procesu, s. 190–194), 5.2.2 (szczeliny w masie bentonitowej, s. 276).
• ISO 8062-3:2023 – ogólne tolerancje wymiarowe i geometryczne oraz naddatki na obróbkę odlewów; tabele pochyleń odlewniczych 2–6.
• ISO 10135:2007 (EN ISO 10135:2009) – oznaczanie części formowanych w dokumentacji technicznej (pochylenia, płaszczyzna podziału).
• NADCA (North American Die Casting Association) – zalecenia projektowe dla odlewów ciśnieniowych: pochylenia i otwory odlewane.
• AFS (American Foundry Society) – „Designing Aluminum Permanent Mold Castings”, Casting Source 2019 (na podstawie „Aluminum Casting Technology”, wyd. 3).
• Batesville Products – Design Guide for Permanent Mold Aluminum Casting (2024) – pochylenia w kokili w zależności od głębokości.
• M. Finke, Formelsammlung Gießereitechnik, wyd. 2, Verlag Europa-Lehrmittel, 2023 – skurcz odlewniczy stopów aluminium.
• Eazall, karta stopu A380 – skurcz przy odlewaniu ciśnieniowym 0,006 in/in (0,6%).