一、模样设计
模样设计的主要内容：选择模样材料，确定模样的尺寸和结构，以及模样在模底板上的定位和紧固的安装方式等。
（一）模样材料
目前制造模样的材料有：木材、塑料、铝合金、铜合金、铸铁、球墨铸铁、铸钢、菱苦土以及泡沫塑料等。
图17-1 水平分型造型的模样、模板和模板框
1—直浇道模；2—直浇道座；3—模样；4—模底板；5—上砂箱6—合箱销；7—销套；8—紧固螺钉；9—模板框；10—电加热管；11—模板销套；12—模板定位销
木质模样：一般是由经干燥后的优质木材，经过一定的胶合拼接制成胚料，再经过木模工人加工而制成。它加工容易，价格便宜，制模周期短，重量轻，因而仍被广泛的采用。但它强度较低，易吸潮变形和损坏，制模中使用木模专用的放尺进行尺寸的确定，多数要手工加工成形，因而尺寸精度较低。主要用于单件、小批量生产的手工造型或一般机器造型中。若在高压造型中使用，必须使用较硬的木料，而且应做成实心结构，以防止压坏。
塑料模样：是用环氧树脂塑料为主要原材料加上固化剂等附料，有时为了增加其刚度在中间加木质和金属骨架。塑料模样表面光洁，强度及硬度较高，耐腐蚀，易复制，成本低，重量较轻。但是原料若配制不好较脆，原材料在制作过程中有毒，且在生产中不能加热，因而主要应用于小批或成批生产中的手工或一般机器造型中。由于其制作工艺简单，因而特别适合于制造形状复杂难于加工的模样。
铝合金模样：铝合金是最常用的模样材料，常用的牌号为ZL102、ZL104和ZL201等，密度约为2.8g/cm3，收缩率常取1.0%～1.25%。铝模在铸造之前常制一木模作为铝模母模，其收缩率应包含两个收缩率，即铝模的收缩率和铸件金属的收缩率。由于铝合金强度较低，加工容易，表面光洁，重量轻，因而被广泛应用于成批生产条件下的手工和机器造型中，特别适合于中小件的模板造型。但其耐磨性较差，使用寿命短，不适合于大批大量生产中的重要件。
铜合金模样：铜合金常用牌号为ZCuSn5Pb5Zn5和ZCuZn38Mn2Pb2等，密度约为8.8～8.5g/cm3，收缩率常取为1.5%。铜合金加工容易，表面光洁，最大优点是耐腐蚀，耐磨，但成本较高。因而主要应用于一些大批大量生产中的重要薄小铸件或模样中容易被磨损的肋板、活块、镶块中。
铸铁模样：铸铁也是常用的模样材料。由于其得到容易，加工后表面光洁，而且强度、硬度高，耐磨损，价格低。但加工较为困难，密度约为7.2g/cm3，较重。常用牌号为HT150和HT200等，收缩率常取为0.8%～1.0%。主要应用于成批大量生产的机器模板造型中。
球墨铸铁：常用牌号为QT500-7，密度约为7.3g/cm3，收缩率常取为1.0%。因其比灰铸铁有更高的强度和硬度，因而耐磨性更好，能承受更高的压实力。但铸造及加工都较灰铁难，因而主要应用于成批大量生产的重要件。
铸钢模样：常用牌号为ZG270-500，密度为7.8g/cm3，收缩率常取为1.4%～2.0%。铸钢强度和硬度都比铸铁好，耐磨性好，但铸造及加工都较为困难，因而主要应用于制造模样的通用标准件上，如标准芯头模样、浇口、冒口模样。有的较小标准模样可以用成型钢材直接加工成形，如出气孔模样，圆柱立式芯头模样等。
菱苦土模样：是用菱苦土粉，配上锯末等附加物固化而成形，加工容易，可节约大量木材。但强度低，使用笨重，寿命短，主要应用于单件小批量生产中的中大型模样。
泡沫塑料模样：采用热塑性聚苯乙烯泡沫塑料制成一次性使用模样，这种模样重量很轻（密度约为0.015～0.038g/cm3），常制成和铸件形状一样，目前主要应用于特殊铸造工艺中，特别适合于在铸件不易起模的部位安放这种模样。
各种材料的模样使用寿命如下：铜合金、灰铸铁约20万～30万次；铝合金约9万～13万次；塑料约0.8万～1.2万次；木材约0.1万次。
为了提高模样的寿命，现已研制出许多新的模样材料和新的制模工艺。如有的汽车厂利用镁合金代替铝合金模样，耐蚀、耐磨，尺寸稳定，且可焊补修复。也有的工厂在模样表面上涂以镍磷化学涂层使模样的耐磨性大大提高。
（二）金属模样的结构设计
模样结构设计的原则是在满足铸造工艺，保证铸件质量的前提下，使模样的结构便于加工制造，重量轻，减少钳工工作量。对于形状特别复杂的金属模样，可采用陶瓷型等精密铸造法直接铸出。
模样本体结构可分为表17-1所列的几种类型。
表17-1 模样本体结构分类
模样外形轮廓尺寸小于50mm×50mm或高度小于30mm的小金属模样，一般可做成实心结构的，其余都做成空心结构的，见图17-2（a）。当尺寸较大，平均轮廓尺寸大于150mm的模样，其内部应设加强筋，以增强其强度和刚度，见图17-2（b）、（c）。
装配式模样又可分为平装式和嵌入式两种。平装式结构简单、制造、装配容易，是常用的一种。图17-2（a）、（b）、（c）都是平装式模样。
图17-2 模样结构
嵌入式模样是由于工艺上的某种需要才采用，图17-3（a）是因为模样表面有凹入分型面以下的内腔；图17-3（b）模样在分型面以上部分很单薄，单独加工制造困难；图17-3（c）模样的分模面上有铸造圆角；图17-3（d）模样为圆柱体，为使加工装配方便，直接用同轴圆柱体定位装配，不用销钉，使用中也不易松动和错偏。
图17-4的模样在分型面以上部分很薄、很小，为了便于安装，保证铸件质量，将几个模样整铸在一个平板上，加工后再嵌装在模底板上。
图17-3 嵌入式模样典型结构
1—模样；2—模底板
有时，一个分开式模样一半用平装式，另一半用嵌入式，见图17-5。
图17-4 薄小模样的嵌入式装备
图17-5 分开式模样实例
模样上的芯头和凸块可以与主模一起铸出，然后加工成型，也可以单独制造后装配在模底板或模样上。一般旋转体的模样多做成整体，以便在车床上同时将芯头加工出来，如图17-6（a）。而图17-6（b）、（c）、（d）的芯头都是装配式的。这主要决定于在保证铸件的质量的要求下，尽量使加工制造方便。图17-7（a），为了便于在车床上夹紧，设计了工艺卡紧块，模样制好后再把它切除。图17-7（b）模样本体绝大部分是旋转体，可用车床车制，因而凸块单独制造，然后装配到本体上。
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图17-6 芯头模样结构
1—芯头；2—模样；3—模底板
图17-7 模样上的凸块与工艺卡紧块
（三）模样的壁厚和加强筋
在保证模样使用要求的前提下，壁厚越小越好，以减轻重量和节省金属。金属模样的壁厚，可按平均轮廓尺寸的大小参照图17-8选用。
铝合金模样常用壁厚可参考表17-2选用。
表17-2 铝合金模样壁厚 单位：mm
高压造型中，为了防止模样的变形和压坏常将选取的壁厚增加50%～100%。
模样中加强筋的厚度可按壁厚的80%～100%选取，加强筋排列要力求均匀规则，尽可能使筋条错开以利于铸造。筋条的高度对于高度小于75mm的模样，可以减小5～10mm，即不与分模面取平，这样可减少机加工工作量。对于高的模样，也可以设计为拱形筋，但这种筋的最小高度不应小于壁厚的5倍。对高压造型模样加强筋的数量还应比一般造型机的增多，筋的高度应和分模面取平，以便提高模样的刚度。
（四）模样的尺寸标注和精度要求
模样的尺寸精度直接影响着铸件的尺寸精度。在所有模样尺寸中最重要的是模样的工作尺寸，即直接形成铸件的尺寸。金属模样在加工制造时都使用标准尺。因此，模样的工作尺寸应标注包括收缩率在内的实际尺寸，可按式（17-1）进行计算：
图17-8 模样壁厚的确定
式中 A模——模样的工作尺寸；A件——零件尺寸；
A艺——零件铸造工艺尺寸；
K——零件材料的铸造收缩率；
+——用于模样凸体外形尺寸；
-——用于模样凹体内形尺寸。
零件铸造的工艺尺寸包括加工裕量、拔模斜度增加量，以及其他工艺尺寸等。对零件的加工面，根据供需双方对铸件要求的加工余量和铸件尺寸公差等级的确定，工艺尺寸还应包括1/2的铸件尺寸公差。
若用铸件图上的铸件尺寸，模样尺寸可按式（17-2）计算：
有的工厂制造金属模样也直接使用缩尺（或称放尺）量制，则（1+K）可以省去。
模样本身的结构尺寸，如壁厚、加强筋等尺寸可不必按上式计算。
模样的芯头尺寸应考虑到芯头的间隙量，所以其尺寸为：砂芯尺寸+芯头间隙。
模样尺寸的标注基准也常常影响到铸件的尺寸精度，因此，也应予以重视。一般原则应使标注基准与零件图上的加工基准一致，以减少加工误差带来的偏差。
模样的制造公差一般可取为±0.2。考虑到在使用过程中的磨损，对于尺寸小于300mm的模样，凸体尺寸可取为+0.2mm；对于凹体尺寸可取为-0.2mm；中心尺寸±0.1mm。
模样尺寸标注实例见图17-9（见彩图）。该零件材质为灰铁用一般机器造型生产，供需双方约定铸件要求的加工余量和铸造公差为：GB/6414 CT11 RMA1.4（G）。
尺寸“Ф106.8”≈（100+2×1.4+1/2×5+0.394）×（1+1%）=106.75，取106.8 mm。式中：2×1.4为尺寸100要求的加工余量；1/2×5为尺寸102.8的1/2公差；0.394为拔模斜度增加量。
尺寸“Ф46.2”≈（50-2×1.4-1/2×4）×（1+1%）+0.5=46.152，取46.2mm。式中：1.4为要求的加工余量；4为公差；0.5为芯头间隙。
在直径方向零件的设计基准和加工基准都是中心线，因而模样的加工基准也应是中心线，尺寸标注以中心线为基准。在高度方向零件的基准线是Ф100的大端面，因而模样高度尺寸19.9和85.9都以大端面为基准标注。
模样工作表面的粗糙度应不低于
，分模面为
～
，定位销孔为
～
。
模样分模面与模底之间的配合间隙，根据分模面处轮廓尺寸按表17-3选取。
表17-3 模样与模底板装配间隙 单位：mm
模样毛坯多数是铸造出来的，铸造模样毛坯的模样称为母模。制造母模时，相当把模样看作一个铸造零件进行工艺设计。母模应计算两次收缩率。