三、金属芯盒设计
图17-46 机器制芯的敞开式芯盒
金属芯盒设计的主要依据是：产品零件图、铸造工艺图、选择的制芯方法、芯砂种类、制芯设备、烘干设备、本厂模具车间的机加工能力及生产操作习惯等。
金属芯盒设计的主要内容是：选择芯盒材料、确定分盒面、计算芯盒内腔工作尺寸及每盒砂芯数量、设计芯盒的结构形式、制定对芯盒的技术要求等。
对金属芯盒的主要要求是：芯盒必须有足够的强度、刚度和耐磨性，芯盒材料选择与相应的生产批量相适应，对手工芯盒尽量减轻重量，使用操作方便，对机器制芯要考虑在制芯机上的安装固定以及操作要求，芯盒应尽量结构简单、便于加工制造等。
图17-47 铰链式垂直对开芯盒
图17-48 曲折分盒面的芯盒
（一）芯盒分盒面的确定
芯盒分合面是两半芯盒相互接触的面，它对保证砂芯完整出盒很重要。确定分盒面一般遵照下列原则：
（1）尽量使砂芯的分盒面和砂型的分型面一致，以使砂芯的起模斜度和模样的起模斜度大小和方向一致，保证铸件壁厚均匀。
（2）优先采用平直分盒面，有时为了适应砂芯的形状，需要采用曲面或折面分盒。
（3）应有较大的敞开面，以利于芯砂的充填与紧实，便于安放芯骨和开通气道。
（4）尽可能使砂芯的烘干支承面为一平面。
（5）尽量将尺寸要求高的部分放在同一半芯盒中，避免被分盒面分割。
（二）芯盒内腔工作尺寸的计算
芯盒内腔工作尺寸是指直接形成铸件内腔的尺寸，也就是砂芯的工作尺寸，因而它直接关系到铸件内腔尺寸的精度。一般按式（17-6）进行计算：
式中 A件——产品零件内腔尺寸；
A艺——铸造工艺尺寸；
K——铸造收缩率（%）；
+——因工艺尺寸使砂芯增大时；
-——因工艺尺寸使砂芯减小时。
零件铸造的工艺尺寸包括加工余量、出盒斜度增加量，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。
图17-9中砂芯直径尺寸是芯盒工作尺寸，计算如下：A工=（50-2×1.4-1/2×4）×（1+0.01）=45.65，取为45.7mm（式中1.4为要求的加工余量，4为直径的尺寸公差），砂芯高度85.9mm，芯盒结构见图17-49。
除芯盒的工作尺寸之外，其他结构尺寸，按结构设计进行尺寸计算与确定。
（三）芯盒主体结构设计
芯盒的主体结构设计包括：盒中砂芯的数量、芯盒的壁厚、加强筋、芯盒凸缘等。
1.盒中砂芯数量的确定
对于小砂芯，往往在金属芯盒中放置多个砂芯，以便提高制芯效率。手工制芯，应考虑工人制芯的操作方便，重量不可过大，芯盒中的砂芯数量不可过多。机器制芯，应考虑机器工作台面的尺寸、起芯方式及填砂方式等确定砂芯的数量，以保证砂芯的质量。
2.芯盒的壁厚
芯盒的壁厚是根据芯盒尺寸、制芯方法和芯盒材料决定。原则是在保证芯盒有足够强度和刚度条件下，尽量减小壁厚，以减轻芯盒重量。对铝芯盒一般壁厚在6～10mm。
3.芯盒的加强筋
为了增加芯盒的强度和刚度，在芯盒外壁上常设置加强筋，见图17-50。加强筋的布置要排列合理、便于制造和使用，加强筋的壁厚一般可取芯盒壁厚的0.8～1倍，即δ1=（0.8～1）δ，加强筋的高度可与支承面取平，也可减小，但不应小于壁厚的3倍。
4.芯盒的凸缘及耐磨护板
为了便于合盒，刮砂和出芯等操作上的要求，常在芯盒的分盒面、填砂面等处设置加宽加厚的凸缘，在铝制芯盒、塑料芯盒以及部分木质芯盒上，还应在凸缘上加设耐磨护板，见图17-51。Ⅰ型用于铸铁芯盒，Ⅱ型用于铝合金和塑料芯盒，凸缘尺寸可根据芯盒尺寸大小及壁厚选取，一般控制在20～40mm之间，耐磨护板可用钢板制造，一般取30号钢，厚度为3～5mm。耐磨护板的紧固螺钉大小和个数应保证在使用过程中护板不被松动和中间进砂。
5.芯盒中活块
芯盒中妨碍出芯或难以出芯的部分常设置活块。依据砂芯的形状和出芯的要求活块可以在砂芯出盒前取出，也可在出盒后从砂芯上取下。见图17-45、图17-46。
图17-49 砂芯和芯盒结构简图
图17-50 芯盒加强筋布置简图
图17-51 芯盒凸缘和耐磨护板
活块一般常用的结构形式有滑座式、燕尾槽式和定位销式等三种。(https://www.daowen.com)
滑座式活块的固定、定位是依靠在芯盒本体上设置的窝座，见图17-52。窝座可以设置在盒体壁上，也可设置在盒体的底部。为保证活块安装在芯盒种的稳定性，应将活块重心置于窝座一侧。为了防止磨损，在铝质活块刮砂板面上还应加设耐磨护板。
图17-52 滑座式活块结构
燕尾式活块的固定、定位是依靠设在芯盒本体上的燕尾槽。为了减少活块与窝槽配合面的磨损，可将活块燕尾槽部分用钢板制造。燕尾槽式活块结构形式见图17-53。
图17-53 燕尾式活块结构
图17-54 定位销式活块
定位销式活块是活块依靠安装在芯盒本体上的定位销定位和固定。为防止活块磨损，活块上应安装定位销套，见图17-54。定位销和销套常用45钢，经调质处理HRC45～50。
各类活块尽可能设计成框形结构，尺寸较大的活块还需要设置加强筋。
为了清除落入活块窝座内的芯砂，在活块窝座的底部开设除砂沟槽。除砂沟槽应开设在边角处，个数依据活块大小决定，一般宽度为5～6mm，长度为20～30mm。
制造时活块和窝座配合加工，其配合间隙一般不大于0.2mm，活块与窝座配合面应贴紧，当芯盒翻转180°后，活块应能依靠其自重而从窝座中脱落。
6.芯盒中的镶块
芯盒中的圆柱体、球体或某些精度要求较高的曲面，以及芯盒中妨碍芯盒本体加工的部分，可采用镶装的形式，将这些部件装配在芯盒本体上，这些部件称为镶块。镶块与芯盒本体的定位与紧固，同模样在模底板上的定固和紧固相似，可参考进行设计。
图17-55 螺母紧固式定位结构
7.芯盒外围结构设计
芯盒外围结构是指两半芯盒的定位夹紧装置，芯盒的手柄、芯盒搬运装置，以及机器芯盒在制芯机工作台上的固定装置等。
（1）芯盒的定位。凡是具有分盒面的芯盒都必须有定位装置，使分开的两半芯盒准确定位，同时定位部分也用于芯盒把砂芯准确的放入成形烘干器中或直接把砂芯下入铸型中。
常用的芯盒定位装置是销钉和销套以及子口定位。销钉和销套的定位结构形式分为螺母紧固式和过盈配合式两种，见图17-55。定位销的位置应尽可能放在距离较远的中心线上，或侧面，或对角线上。两半芯盒那一半装定位销要视造型制芯工艺决定。若制芯时砂芯需烘干，为了简化成型烘干器的结构，便于制造，常将定位销装在砂芯形状复杂的一半芯盒上。若是湿型砂芯直接下入铸型，则应根据下砂箱装的是销钉或是销套决定。子口定位见图17-47。设计时注意：为了防止超定位和子口的加工容易，子口的一个平行面应留出少量间隙。
（2）芯盒的夹紧装置。两半芯盒合拢后，要用夹紧装置锁紧后才可填砂紧实。常用的有蝶形螺母铰链式、双螺母铰链式和铰链卡板式三种。蝶形螺母铰链式见图17-56，其结构简易可靠，使用方便，适用于较小芯盒。铰链卡板式，见图17-57。这种结构，卡紧部分较长，锁紧力较大，可用较大的芯盒。
（3）芯盒的手柄和吊轴。为了使芯盒的操作方便和搬运，对小型手工芯盒应设置手柄，对中大型芯盒应设置手柄和吊轴，见图17-45、图17-46。
（4）芯盒在制芯机上的固定。对一般机器制芯芯盒与制芯机台面常用凸耳连接。凸耳的位置应与制芯机台面上的T型槽位置相对应，见图17-46。
图17-56 蝶形螺母铰链式夹紧装置
图17-57 铰链卡板式夹紧装置
1—夹子；2—沉头螺钉；3—垫片；4—定位销套；5—定位销；6—上芯盒；7—下芯盒；8—圆柱销；9—紧定螺钉
8.芯盒中其他附件设计
由于砂芯在浇注中的特殊恶劣环境，设计芯盒时要考虑砂芯排气装置。小型手工芯盒可以在制芯时由工人用通气针扎排气通道或挖排气通道，但这样影响制芯效率。砂芯中的排气通道可参考图17-58进行设计。
芯盒中的芯骨安放主要应满足吃砂量的要求，可参考图17-59进行设计。
图17-58 芯盒中排气针的安装结构
9.金属芯盒的技术要求
（1）芯盒（包括配合部分）工作表面粗糙度为R a=1.6μm。
（2）芯盒加工尺寸偏差按IT10级制造（除设计图中注明者外）。芯盒工作面尺寸偏差一般取负值，凸台部分取正值。对于装配砂芯的装配部分尺寸偏差，外芯内尺寸取正值，内芯外尺寸取负值。
（3）活块与芯盒活块窝座要配合加工，其间隙小于等于0.2mm。
图17-59 芯盒中芯骨的安装方法
（4）活块与其窝座配合面应在所有深度上紧贴接触，并在芯盒翻转180°时，活块能靠自重自由落下。
（5）对开式分盒面间隙小于等于0.1mm。
（6）对开式分盒面上内腔错位量根据几何形状、尺寸大小及精度要求，适当选择，一般不超过0.1mm。
（7）芯盒耐磨护板的紧固螺钉应低于工作表面。
（8）金属芯盒毛坯材料要进行人工时效处理。
（9）芯盒定位销位置偏差小于±0.15mm。