二、模板设计
模板也称型板，采用模板造型简化了工序，提高了生产率，保证了铸件的尺寸精度和表面质量，因而，它在成批大量生产中被广泛使用，即使在小批生产的手工造型中，为了提高铸件质量也可应用模板造型。
（一）模板的分类
实际生产中模板的类型很多，按不同方法模板的分类如下。
1.按制造方法分类
按制造方法模板可分为装配式模板和整铸式模板。
装配式模板是模样和模底板分开单独制造，然后将模样装配在模底板上，见图17-9。这种模板加工制造容易，应用较多。
整铸式模板是模样和模底板整体铸造在一起，然后加工制成，见图17-10。这种模板加工制造较为困难，但使用寿命长，模板刚性好，主要应用于成批大量生产的小件模板。随着快速成型技术和数控机床的发展使这种模板的加工制造将变得容易。
2.按模板的结构分类
按模板的结构分类及特点见表17-4。
图17-9 装配式单面模板
1—模底板；2—模样；3—内浇口；4—销钉；5—埋头螺钉；6—定位销
图17-10 整铸式双面模板
表17-4 模板结构分类表
（二）模底板本体结构设计
模底板用来连接与支承模样、浇冒系统与定位销等。普通单面模底板的典型结构见图17-11。设计时要考虑以下几方面的问题：①模底板上布置的铸件数目；②所选用造型机的工作台面尺寸以及安装模板的方法；③浇冒系统的安放位置；④模板与砂箱或模板框的定位；⑤模板的搬运装置；⑥模底板本身强度和刚度要求；⑦加工制造的方便。
1.模底板材料
模底板材料是根据模底板尺寸大小、使用的场合、铸件的生产批量和本厂铸造车间的条件等决定的。
图17-11 普通单面模底板典型结构
1—导向销；2—吊轴；3—紧固耳；4—楔形块；5—定位销突耳；6—定位销
对模底板材料的要求是：有足够的强度，有良好的耐磨性，抗震耐压，铸造和加工性能好。常用的材料有：铸铝合金ZL101、ZL102、ZL103、ZL202；铸铁HT150、HT200；球铁QT500-7；铸钢ZG200-400、ZG270-500等。铸铝模底板主要用于模底板尺寸较小，约800mm×600mm以下尺寸的成批大量生产的中小件。对于大于500mm×400mm的大中件的模底板常用铸铁模底板。对于高比压造型为了提高模底板的强度和刚度可用球铁和铸钢模底板。木材在单件小批生产的中小件中亦可应用。
2.模底板平面尺寸的确定
模底板的平面尺寸主要决定于铸造工艺所选用的造型方法。
对于手工造型，为了减轻操作工人的劳动强度，和保证铸型质量，其板面适用的砂箱平均内框尺寸按式（17-3）设计：
式中 A，B——砂箱的内框的长和宽；
H上箱，H下箱——上箱高和下箱高。
一般应控制上下型总重不超过25kg。
对于水平分型的机器造型，则应根据所选用的造型机和所设计的砂箱内框尺寸决定。一般无论哪种方法的造型机都给出了最大允许的砂箱内框尺寸，但使用的砂箱是根据本造型机生产线上所生产产品工艺而设计的砂箱内框尺寸。因而，模底板的平面尺寸A 0和B0分别等于砂箱内框尺寸A和B各加上分型面上砂箱两边缘的宽度b，见图17-12。
图17-12 模底板和砂箱尺寸关系
若用使用模板框，则模板框的平面尺寸用上关系进行设计，而模底板可根据不同的定位方法（见模底板和砂箱的定位一节）进行设计。
对于垂直分型的挤压造型生产线，模底板的平面尺寸必须使用标准模底板尺寸。丹麦迪砂2013造型机的标准模底板见图17-13。标准模底板厚度为20mm。
图17-13 DISA2013标准模底板
1—模底板本体；2—连接销钉；3—塞；4—销套；5—刮砂板；6—镶条
3.模底板高度
手工造型用模底板，在保证强度和刚度的要求下，应尽量使其高度降低，以减小模板的重量，以利于工人操作。
普通平面式单面模底板高度H，铸铁的一般控制在80～150mm，铸铝的控制在30～90mm之间。有凹面的模板（即有吊砂的模板）的高度，应考虑凹进去的深度决定。
当模样较高，要求定位导销较高时，为保证定位导销的稳定性，模底板的定位销销耳须做成上下两层，此时模底板应考虑加高，见图17-14。
图17-14 双层销耳
图17-15 模底板下要安装振动器及抽出机构
模底板下面因拔模需要，安装有振动器或活块抽出机构时，模底板高度应根据需要进行设计，见图17-15。
顶杆式造型机用的模底板，模样高度应小于顶杆的最大起模行程，整个模板的高度保证起模后，砂箱分型面高出模样最高处5～10mm，见图17-16。
图17-16 顶杆造型机起模示意图
1—模底板；2—顶杆；3—紧固螺钉；4—模样；5—横浇道；6—定位销；7—上砂箱
图17-17 顶框造型机顶框和模底板高度
顶框式造型机用的模底板，其高度H应与顶框相同，见图17-17。
翻台式造型机（见图17-18）模底板的高度按式（17-4）计算：
式中 H——翻台至托辊高度（mm）；
H箱——砂箱高度（mm）；
H模——模样高度（mm）；
H砂——砂台高度（mm）；
H托——砂箱托板高度（mm）；
5～10——防止起模后砂型与模样相擦（mm）。
垂直分型的挤压造型，当模样有较深的凹坑，不允许使用标准模底板时，应设计加厚模底板，见图17-19。若加厚模底板放在反压板上，应注意其高度，连同其上面布置的模样高度，不得超过模板摆动曲线所允许的高度，并应尽可能低于射砂口前边缘。
图17-18 翻台式造型机翻转起模示意图
4.模底板的壁厚和加强筋
模底板的壁厚和筋厚根据模板的平均轮廓尺寸和模底板所选用的材料确定。原则是在保证模底板有足够的强度和刚度的条件下，尽量减少壁厚。一般铸铝模底板壁厚在10～20mm之间，铸铁模底板壁厚在15～22mm之间。对高比压造型壁厚要适当加厚。
加强筋是为了减轻模底板的重量和提高模板的强度和刚度，尽量使加强筋的排列规则，但同时要考虑模样在装配时，螺钉和定位销不碰着加强筋。加强筋的间距根据模底板平面轮廓尺寸和材质决定，一般控制在200～400mm之间。加强筋的高度，若模底板高度较小可与底平面取平。若高度较大，为了减少机加工工作量可将筋条高度取小。但对高比压造型尽量与底平面取平，同时加强筋的数量也应适当增加，以尽量增加其刚性。
图17-19 加厚模板
5.模底板在造型机上的安装
模底板或模板框常用螺栓固定在造型机工作台上，这时模底板上应设置紧固耳。紧固耳的位置要和造型机工作台面上的T型槽相对应，不可任意设置。
紧固耳的数量一般可取4个，布置在模底板两侧。大型模底板可以增加数量，沿长度和宽度方向均布。尺寸小于750mm的模底板，允许只在两端设置紧固耳，其形状可做成梯形，参见图17-20。
垂直分型挤压造型机的模底板，常用4个螺栓固定在造型机正反压头上，为了更换模板方便和快捷，有的造型机设计了快换气锁，模底板背面装有4个连接销钉，参见图17-13，更换模板时4个连接销钉插入快换气锁的连接环内，锁紧或松开。
6.模底板的搬运结构
对中大型模底板或模板框应设计模底板安装和搬运的方便。常设置吊轴或起重孔。有时吊轴也作为铸型起模时翻转砂箱之用，这时可考虑同时设置手把，作为人工协助翻箱时把手。对模底板平面尺寸≤500mm的小型模底板，可不设吊轴，只设手把，手工脱箱造型用模底板常用销耳作为把手。
图17-20 梯形紧固耳
吊轴可以和模底板一起铸造出来，称为整铸式，见图17-21。也可以用钢材加工，在铸造模底板时铸接起来称为铸接式，一般铸铁模底板常用这种结构。为了铸接牢固，常在铸接处加工出锯齿状凸起，见图17-22。
图17-21 整铸式吊轴示例
图17-22 铸接式吊轴示例
图17-23 铸接模底板手把
手把也有整铸式和铸接式两种，常用铸接式，见图17-23。对较小模底板也可以用装配式，即用A3圆钢加工，然后用螺栓螺帽装配在模底板上。也可以在模底板上做出罗纹孔，直接将手把拧紧在模底板上。
（三）模底板和砂箱之间的定位
模底板和砂箱之间必须准确定位，才可保证铸件不发生错边缺陷。一般情况下是模底板直接与砂箱定位，这种方法常称为直接定位法，见图17-24（a）。一般普通单面和双面模板都用这种方法定位。其优点是定位结构简单，定位精度高。缺点是模底板必须是一个整体结构，对大中型模板，不便于加工制造和模板的更换及保存，所以这种模底板主要应用于大批大量生产中。这种模底板有时也安装在模板框上，模板框与造型机相连，模板框与模底板之间也要用定位销定位，但由于与铸型成型无关，因此，精度要求较低，模板框主要用来放置加热器和在造型机上的定位和安装。这种模板框有的工厂称为垫模板或垫板。图17-25和图17-26为一组典型实例。
图17-24 模底板、模板框和砂箱之间的定位方法
1—砂箱；2—砂箱定位销；3—销套；4—模底板；5—模板框；6—模板定位销；7—加热器
图17-25 直接定位的单面模底板
1—模底板；2，4—销套；3—定位销；5，7—螺钉压板；6—手把；8—椭圆销套
图17-26 直接定位法的模板框（垫模板）
1—模板框；2—定位销
图17-27 组合模板的整体模底板
另一种是模底板与模板框定位，然后模板框与砂箱定位，这种定位方法称为间接定位法，见图17-24（b）。这种定位方法特点是模底板可做成大小不等的长方形与模板框用专门的装置定位和紧固。显然，模板小巧灵活，安装更换容易，存放方便，便于组织多品种、小批量铸件的生产，因而特别适合于目前产品生产的不断更新和换代。缺点是模板和砂箱之间增加了一次定位误差。为了防止铸件错边过大，模底板与模板框的定位精度要求较高，一般位置公差要求在±0.03mm的范围内。采用这种方法的模板一般称为快换模板或组合快换模板。图17-27、图17-28、图17-29是典型实例。
图17-27是整体式模底板，图17-28是1/2模底板，图17-29是模板框。根据需要还可设计出1/4模底板等，这种模板可称为四分法的组合模板，共有六种组合形式，见图17-30。
1.模底板（或模板框）与砂箱定位销孔中心距
模底板定位销孔中心距C，应根据所配用砂箱销套的中心距来确定。一般制造时常用同一个钻模钻出。当砂箱的销套中心距未定时，可按式（17-5）计算：
式中 L——箱耳尺寸，可从砂箱设计的相应表格中查得；
A——砂箱内框尺寸。
垂直分型挤压造型机的模底板，直接用销套与正反压头的销钉连接，参见图17-14。
图17-28 组合模板的1/2模底板
2.定位销和导向销的形式和尺寸
定位销和导向销的结构形式，参看图17-31和表17-5。
表17-5 模底板用定位销与导向销的尺寸 单位：mm
注 1.工作部分长度l根据生产需要选取，但其尾数最好为0或5。2.销子外经允许磨损量（按尺寸下限）为：定位销中心距小于1000mm的为0.25mm，大于1000mm为0.5mm。
若为组合模板，这种定位销装在模板框上，模底板用图17-32所示的定位销与模板框定位。
这种定位销尺寸较小，一般每块模底板上必须用两个定位销同模板框定位，一个为圆形，另一个为椭圆形。圆形的起定位作用，椭圆形的用于定向。一般定位销装在模板框上。对于四分法的组合模板，模板框上可装8个定位销，见图17-29中的Φ25H8的8个孔，以适应整体模底板、1/2模底板和1/4模底板的安装。图17-27和图17-28中的Φ25 H7是整体模底板和1/2模底板所装销套的位置。和模板框定位销对应的其他位置上则需要钻出Φ30的光孔。图17-32的两种定位销，图（a）结构简单，但磨损后更换不便；图（b）结构加工复杂，但更换时只要从模板框上部拧下中心的紧固螺钉，而不必从框的底部拧下螺帽。
图17-29 组合模板框
图17-30 四分法组合模板的六种组合形式示意图
图17-31 模底板用定位销与导向销的结构
组合模板框可用图17-31的定位销与导向销与砂箱定位，亦可用图17-33的结构。上箱、下箱合箱时也使用这种定位销和销套，所以习惯上也称其为合箱销。为了防止铸件错边过大，在造型流水线上常将定位销固定在上箱上，这时上箱模板框应装销套，一个为圆形，另一个为椭圆形，以防止卡死砂箱。相应的下箱模板框应装定位销。
图17-32 组合模板的模底板定位销的结构
定位销的工作部分，分为定位部分（即定位销的圆柱面，导向销的平行平面）和导向部分。导向部分的斜度及高度应保证有导向作用和保证在放下砂箱时不致碰坏模样。销与销套的配合精度取决于铸件的尺寸精度要求和铸件的批量。合理的定位偏差可在铸件允许偏差的1/5～1/4以下。推荐使用的定位销与销套的尺寸偏差和配合间隙，见表17-6。
一般模底板的定位销（合箱销）按模底板的平均轮廓尺寸选用。注意以下几点：
（1）对小批生产的中小件模板可将导向销做成圆形的，即与定位销一样，但应注意销的定位面d不可过长。
（2）手工或用吊车起模的模底板，为了防止起模时碰坏铸型和在模板上放置砂箱时撞击模样，销的导向部分长度要适当加长，一般应高出模样20～25mm。
图17-33 合箱定位销和销套
表17-6 定位销与销套配合精度
（3）定位销材料一般可取钢20渗碳，淬火HRC45～55；或钢45，淬火HRC42～50。
（4）在高压或射压等自动造型生产线中，由于节拍加快，砂箱大多采用间隙式输送方式，惯性力较大，这时定位销的直径尺寸可适当加大5～20mm，以保证定位精度。
（5）销子在使用过程中外径逐渐磨损尺寸变小，生产中应定期检验定位销的尺寸，以防止磨损过大造成铸件错边。一般经验为，销子外径允许的磨损量可比设计的尺寸下限小，当定位销中心距小于1000mm时为0.25mm，大于1000mm时为0.5mm。
（6）导向销安装时应保证两导向平面与定位销和导向销中心连线相平行。
（四）模样在模底板上的布置和装配
1.模样在模底板上的布置
当一块模底板上允许布置多个模样时，可以布置相同的模样，也可以布置不同的模样。布置不同的模样可充分利用模板面积，往往在布置几个大的模样后在空余处插入小的模样。使用此法必须注意在同一块模板上的铸件其金属成分应相同，壁厚应相近，而且也应考虑一块模板上的各种铸件数目与所需要的铸件数目成一定的比例。但一般还是要设计同名铸件的模板以便于均衡地组织生产。
布置模样时应满足合理吃砂量的要求，否则将影响砂型硬度的均匀性。根据经验，模样距离箱壁至少要等于其高度。一般扁平模样吃砂量不少于25mm，比较高的模样应不少于75mm。各种造型方法都有合理的吃砂量要求，可参考相关的手册和资料设计。
对需要下芯的铸件，要考虑下芯的数量，使下芯的时间不超过规定的时间，若砂芯的数量太多，可考虑使几个砂芯连成一个大砂芯，以减少下芯的时间，图17-34是垂直分型挤压造型机，三通的正压模板图，使10个三通的砂芯连成一个，下芯的数量减少为4个。
图17-34 三通正压模板图
1—浇口杯；2—模样；3—水平浇道；4—垂直浇道；5—出气槽模；6，9—螺钉；7—模底板；8—芯头挂钩模；10—连接销钉；11—刮砂板；12—镶条
布置模样时还要考虑浇冒系统的位置和必要的排气装置等。图17-34三通正压模板图中的5就是用于砂芯的排气装置。
2.模样在模底板上的紧固和定位
模样在模底板上紧固有上固定法和下固定法，见图17-35。
图17-35 模样在模底板上的紧固和定位
（a）上固定法；（b）下固定法
1—模样；2—模底板；3—螺钉；4—销钉
上固定法是螺钉通过模样从上面把模样固定在模底板上。其优点是模样在模底板上的固定螺孔位置便于选择，钻孔方便，模样调整容易。缺点是模样工作表面被螺钉孔破坏，紧固后必须用塑料或铝合金填满修平。
下固定法是螺钉穿过模底板把模样固定在模底板上。优点是不破坏模样的工作表面，铸件表面质量易于保证。缺点是固定螺孔的位置受到模底板下面筋条分布的限制，安装操作较困难。紧固螺钉的直径根据模样的大小选取，一般可按模样壁厚的0.8～1.2倍。
由于用螺钉紧固模样仍有松动和位移的可能。因此，模样还必须用销钉定位。实际生产中，常把分开的两半个模样装配成对，加工成形，然后分别装于上下模底板上，若在模底板上的定位准确，在装配时就可打入定位销，若由于机加工能力等条件的限制，定位销可在上下模板经调整后才配钻打入。定位销在模样上的位置，一般选择在模样高度较低的地方，并尽量使销钉间的距离远一些。定位销的数量和尺寸大小取决于模样的尺寸。对平放式的模样，每块模样上的定位销至少是2个，最多不超过4个；对嵌入式装配的模样，定位销的数量根据嵌入情况，数量可以减少或不用。定位销的尺寸可根据模样壁厚选取，一般可取模样壁厚的0.75倍，模样在打入定位销的位置处应设置凸台。定位销采用圆柱销，也可用圆锥销。当模样与模底板需要经常拆装时，应用圆柱销，这时模样和模底板与定位销间的配合应一方为过盈配合，另一方为间隙配合。当模样和模底板不经常拆卸时，则均采用过盈配合。销钉材料可由15、35号钢制成。
3.浇冒口模和芯头模在模底板上的装配
直浇口、冒口和出气孔模等，若必须在起模前单独从铸型顶部拔出时，这类模样和模底板之间常用定位销而不紧固。图17-36是一个实例。若直浇口直径较大，为了延长直浇口的寿命，可装上销套，销套在外缘做出螺纹，拧在直浇口模上，见图17-37。
图17-36 直浇口在模底上的定位实例
1—直浇口模；2—滑动销钉；3—浇口座；4—模底板；5—弹簧垫圈；6—螺帽
冒口的定位也可与直浇口相同，但若冒口的直径较大，销钉的数量可以增加。
出气口模的定位如图17-38所示。出气销可用普通A3圆钢车出，出气片可用铝合金、铜合金和普通钢板制造。出气片常用嵌入方法固定在模样上，可用过盈配合压入。
图17-37 带销套的直浇口模的安装
图17-38 出气孔模的固定
高比压等近代造型流水生产中用的直浇口模，多做成上小下大的形式，安装在模底板上以利于起模，见图17-39。中空的浇口杯模装在压头上，在压实过程中直浇道模插入浇口杯中心孔内，多余的砂子从压头的中心孔溢出。
高比压等先进造型也可用弹簧直浇道模。直浇道体在自由状态时伸出砂面高度，当压头压实时浇口杯与其先接触，然后共同压缩弹簧，在上箱上压出浇口杯和直浇道。
为了克服直浇道模和浇口杯模之间压实后接口处不光洁的缺点，目前许多高比压造型自动线，设置了专门的钻铣机，造型后直接用铣刀铣出砂型浇口杯，见图17-40。这种方法不仅简化了模具制造，而且表面光洁、位置可调、应用方便。
图17-39 高压多触头直浇道和浇口杯造型示意图
图17-40 钻铣浇口杯
钻铣方法也可以用来制造出气孔和冒口等。
横浇道模一般高度不大，因而常用螺钉或铆钉直接紧固在模底板上。图17-41是紧固实例。有的工厂做成带螺纹的铆钉，旋入螺纹后再将上端铆紧。这种铆钉常用铝或铜做成。
组合模板常将主横浇道放在两块模板之间的填条上，这时主横浇道用螺钉与填条相连，主横浇道的宽度一般应比填条宽出4～10mm，以便使横浇道与模板上的分横浇道或内浇道相连。
为了加工制造模样方便，有时芯头模常单独制造，然后与模样本体装配。对水平式芯头往往两面靠紧，即一面靠模样，一面紧靠模底板。这时可用销钉和螺钉定位和紧固。见图17-42。
垂直芯头，尺寸较小的可直接用螺纹拧入模样本体，尺寸较大的可以用嵌入法，然后用螺钉紧固，见图17-43。
图17-41 横浇道紧固实例
（a）横绕道模；（b）铆钉紧固的直浇口窝模；（c）铆钉；（d）带螺纹的铆钉紧固
图17-42 水平芯头安装实例
图17-43 垂直芯头的装配
（五）模板装配图上模样定位尺寸的标注
造型中上下两半模样必须准确对位，才能保证铸件不致产生错边缺陷。上下两半铸型是以模板上定位销和导向销为基准的。因此，模样在模底板上的定位尺寸也必须以这个基准进行标注，以便装配。一般取定位销的中心线和定位销与导向销中心线的连线分别为垂直基准线和水平基准线。也可以取两定位销中心线的中点作垂直直线为辅助垂直基准线。因而模样上的定位尺寸在装配图上都以上两基准线为基准进行标注。见图17-44。
图17-44中a1、a 2和b1取一组标注即可，但取b1可能会多产生一次定位尺寸误差。
图17-44 模板装配图上模样定位尺寸的标注
（a）模样本体有特征基准线的标注法；（b）模样本体无特征基准线的标注法（b1尺寸是按辅助基准线标注的）