热芯盒和壳芯盒设计
（一）热芯盒
热芯盒是在热芯盒射芯机上的专用芯盒，制芯时芯盒被加热到200～260℃的高温且受到芯砂的冲刷。因此，对芯盒的要求较高，芯盒的构造也较复杂。
图17-61是单工位射芯机上用的顶杆出芯的热芯盒基本结构图。其主要由芯盒本体、定位机构、镶块、射砂口以及排气、加热和出芯机构等组成。
1.热芯盒材料
热芯盒材料应具有耐热，导热性好，比热大，热膨胀系数小，强度高，耐磨，耐腐蚀。同时，来源广泛，价格便宜，加工制造容易。热芯盒部分常用材料见表17-8。
表17-8 热芯盒各部分常用材料
2.热芯盒本体结构设计
图17-60 单工位射芯机顶杆出芯热芯盒
（1）分盒面的选择。热芯盒分盒形式有垂直分盒、水平分盒和多向分盒等几种。垂直分盒主要应用在小砂芯上，水平分盒和多向分盒主要应用在中、大砂芯上。芯盒的分盒面根据砂芯的形状决定，为了加工制造方便应尽量选择平的分合面。应该设法使砂芯留在动芯盒中，以便用出芯机构将芯脱出。为此，可采取以下措施：
1）增大动芯盒包容面法：形状简单、对称的砂芯，分盒面从砂芯中心向无顶杆一面偏移0.3～1mm，见图17-60，使有顶杆的动芯盒包容面增大，开盒时砂芯留在动芯盒内；形状复杂的砂芯，可将复杂面和深凹面放在动芯盒一边；动芯盒取较小的出芯斜度。
2）采用辅助机构：在静芯盒一边设置辅助顶杆，开盒时使砂芯留在动芯盒内，见图17-61。这种结构中弹簧因受热回火，使弹力逐渐减小是其主要缺点；在动芯盒芯头上设置“抓卡”机构，见图17-62。在开盒时“抓卡”将砂芯抓在动芯盒一边。
3）采用操作措施：两半芯盒采用不同的加热温度。有出芯机构的芯盒（一般称动芯盒）加热温度高些；喷涂不同数量的脱模剂，有出芯机构的芯盒少涂些脱模剂。
图17-61 弹簧顶杆结构
图17-62 动芯盒的“抓卡”结构
（2）芯盒壁厚和形状。热芯盒本体在制芯时起着热量储存器的作用，因此壁厚不应太薄，以免射芯时芯盒温度波动太大，加热不均和芯盒变形，影响砂芯质量。热芯盒多采用实体结构，其最小壁厚为20～30mm（不包括加热板）。当电加热棒直接安装在芯盒本体内时，加热棒边缘与芯盒内腔的距离不应小于10mm。从理论上说，为了使芯盒对砂芯加热均匀，芯盒壁厚应当均匀，但在实际生产中为了便于制造，减少散热面和增加热容量，通常将单工位垂直分盒的热芯盒做成立方体或长方体的实体。垂直分盒的热心盒，每半个芯盒一般都是整铸的。对于较大的水平分盒的芯盒如25kg和40kg以上的芯盒，为了加工方便可设计成装配式的。对芯盒上形状复杂不便于加工之处，可以制成镶块装在芯盒本体内。
简单的小砂芯，在垂直分盒的芯盒内可布置多个砂芯，这时注意使总的砂芯在分盒面上的投影面积不应超过加紧缸活塞面积的1.6倍，以免射芯时夹紧缸被胀开，发生跑砂。
（3）热芯盒工作尺寸。芯盒内腔的工作尺寸，也就是砂芯的尺寸。决定芯盒内腔尺寸应考虑以下三个因素：①铸件的尺寸和铸件的收缩率；②热芯盒加热后的膨胀；③砂芯出盒后冷却到室温的收缩。
热芯盒在工作温度下，其内腔尺寸有一定胀大。而砂芯从芯盒中顶出并冷却到室温后，其尺寸略有收缩。一般收缩量不能完全抵消芯盒的尺寸增大。因此，砂芯的尺寸稍有增大。但在实际生产中，要准确地反映其变化量是比较复杂的。因此，为了方便起见，对小砂芯可粗略地认为这两者是相等的，在设计热芯盒时，芯盒尺寸可不考虑因加热而引起的尺寸变化。但对于尺寸较大的砂芯及薄壁铸件的砂芯，则必须予以注意。为了补偿砂芯的尺寸增大，建议在设计中取铸件内孔的收缩率小于模样的收缩率。如模样的铸造收缩率取1%，则芯盒可取0.8%～0.9%。精确地确定砂芯尺寸的变化，应通过试验的方法进行测定。
热芯盒内腔尺寸换算及标注实例见图17-63。零件是图17-9的法兰，内孔尺寸为Φ50mm，内孔加工余量为1.4mm，公差为4，若取铸造收缩率为0.9%，则芯盒内腔尺寸为：（50-2×1.4-1/2×4）×（1+0.9%）=45.608，取45.6mm。
图17-63 芯盒内腔尺寸的确定及标注
（4）热芯盒射砂口。射砂口是砂流进入芯盒的通道。要求射砂口使进入芯盒的砂流畅通无阻，便于排气。
单工位垂直分盒热芯盒射口位置一般选在芯头处，最好放在砂芯大端或具有平面的部位。射口设在芯头处的优点是砂芯无需修补，见图17-64。若芯头部分要求定位，应将芯头封闭，另开射口。
图17-64 射口位置示意图
图17-65 射口面积大小示意图
射砂口的尺寸，要保证射出的砂流有足够的动能，也不致发生砂流的回弹现象，所以射砂口的面积不可大于射砂方向上芯盒内腔的最小断面积。在这个前提下射口尽量选取大些，以便缩短射砂时间。但过大的射砂口将降低砂流速度，使砂芯紧实度下降，影响砂芯质量，见图17-65。
砂芯重25kg以上的两工位热芯盒多采用直径较小（Φ10mm、Φ12mm、Φ14mm）数量较多的射砂口，以提高砂流速度，增加动能，使紧实度均匀。芯盒射口尺寸应比水冷射砂板射口尺寸大1～2mm。
射芯机常用的射口形式除圆柱形外，亦可用腰圆形，见图17-66。根据芯盒内腔的形状选用。
较小的芯盒，射口一般不采用衬套。但对于两工位的较大芯盒，为了防止射砂口磨损可在射砂口处镶装衬套。
（5）热芯盒的加工要求。热芯盒本体多用铸坯加工制造。这种方法，加工余量大，周期长，成本高，但芯盒尺寸精度高。因此，近些年来许多工厂用陶瓷型、壳型或自硬树脂砂型等精密铸造方法直接铸造成型。这种方法可大大减小机加工工作量，制造方法简单，生产周期短，但芯盒精度、表面光洁度较低。
对热芯盒的要求是：芯盒工作表面的粗糙度不高于
，工作尺寸精度不大于-0.2mm。芯盒的合模间隙一般不大于0.1mm，大芯盒也不超出0.3mm。热芯盒一般不留分盒负数。但对很大的砂芯考虑到涂料、胀砂等影响，要留分盒负数，一般留1mm，即每半盒留0.5mm。芯盒毛坯都需进行人工时效处理消除内应力，防止使用过程中变形。
3.热芯盒的定位
为了保证砂芯的尺寸和形状的准确，无论垂直分盒或水平分盒的芯盒，两半芯盒必须准确的定位。
图17-66 射芯机用腰圆形射口
图17-67 热芯盒定位销和销套实例
一般是在静芯盒上装定位销，在动芯盒上装定位套。定位销的尺寸，根据芯盒的大小而不同，目前多采用Φ15和Φ20两种。由于热芯盒工作时两半芯盒温度有波动，所以对定位销的要求与一般芯盒稍有不同。定位销固定端的配合要紧，可用ΦH7/r6，定位端要松，可用ΦD8/C9。且定位端长度不能过长，见图17-67。这样可避免因芯盒受热不均而造成销子与销套的咬死。为了防止销套松动，可用压板螺丝将销套固定。定位销数量，一般小芯盒用两个，一个采用圆销套，另—个采用长圆形，如图17-68（a）所示。芯盒平均外轮廓尺寸大于450mm的，可用3～4个定位销，销套全为长圆形，定位销布置，见图17-68。定位销中心应布置在芯盒接近最大轮廓的尺寸上，以保证定位精度。
图17-68 定位销布置示意图
图17-69 热芯盒排气塞排气示意图
4.热芯盒排气
热心盒排气装置的作用有两方面，一是保证射砂时芯盒内的空气能够顺利及时的排出，二是引导射入砂流的充填方向。正确的设计排气装置，对获得紧实度均匀、表面光洁的砂芯是很重要的。
芯盒排气装置应选择在：芯盒憋气的死角、芯盒最后充填部分、芯盒转角或砂流不易达到的狭长通道处、分型面处、多射孔的芯盒中砂流干扰处等。根据生产经验，芯盒的总排气面积至少应等于射砂孔总面积的0.1～0.2倍。在生产中往往根据上述原则预先确定排气位置，经试射后，根据砂芯各部的紧实度再予以调整。
热芯盒的排气方式有：排气塞排气、排气槽排气和活块排气。
（1）排气塞排气是利用尺寸大小不同的排气塞，见图17-69，装在芯盒内表面处，其后连通排气孔，使气体排除。排气塞目前有三种结构，见图17-70。一般排气塞可以用铜或钢经切削加工而成，也可用铜合金、铝合金等压铸而成，这种排气塞主要缺点是容易堵塞，不易清理。网筛排气塞是用不锈钢丝或镍铬丝制成筛网。因为网筛有弹性，因此效果较好不易堵塞。缝隙式排气塞是用0.3～0.4mm的不锈钢板，经光刻或腐蚀加工出0.3～0.4mm的缝隙，具有良好的效果。用排气塞的优点是；排气面积大，安装灵活。
图17-70 排气塞结构示意图
（2）排气槽排气，利用分盒面、射砂面、镶块以及底板等结合面开设排气槽进行。图17-71是排气槽的一般形状。排气槽的深度应根据使用芯砂的粒度而定，以排气不跑砂为原则。一般靠近芯子表面槽深0.2～0.4mm，出口端可扩大为1mm。槽宽根据需要决定，常用10～15mm。也可与总通气槽相通，使气体排到外面。但是应注意：对于多腔芯盒，各腔的排气槽不应串通，以免两腔串气互相影响，造成紧实度不均或不成型，见图17-72。排气槽制造容易，清理方便，效果较好，是常用的一种排气方法。
图17-71 排气槽形状
图17-72 排气槽的正确开设
（3）间隙排气。在芯盒本体与活块、顶杆间的配合面上制作间隙（约为0.1～0.3mm）进行排气。图17-73是采用活块与芯盒本体结合面的间隙进行排气的例子。为了使气体顺利排除，须在活块背后的芯盒壁上钻出排气孔。排气间隙制造容易，是经常采用的一种排气方法。
5.单工位垂直分盒热芯盒的出芯方法
砂芯在热芯盒内固化到一定程度后即可出芯。出芯主要靠射芯机上的开盒机构和专门的顶出机构来实现。出芯方法主要有：移动托板出芯法，顶杆出芯法和旋转出芯法。
（1）移动托板出芯法，见图17-74。开盒后砂芯留在移动托板的芯棒上，然后托板由气缸推动向外移出，即可用手工或机械取下砂芯。
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图17-73 间隙排气
（2）顶杆出芯法。顶杆出芯是当开盒时用顶杆将砂芯和芯盒分开。顶杆出芯机构见图17-60。开盒时，当动芯盒移动到靠近终点时，机器上的挡块推动芯盒上的盖板和固定板，带动顶芯杆将砂芯顶出；当闭盒时，装在同一盖板和固定板上的回位导杆使顶杆退回原位。落下的小圆棒砂芯常自动漏到工作台下面的贮存箱内。
图17-74 移动托板出芯法
图17-75 旋转出芯法示意图
顶杆出芯法生产效率高。布置顶杆时应考虑到砂芯的形状，对形状复杂、薄壁的砂芯应采用数量较多、直径较小的顶杆，布置要力求均匀对称，以防止砂芯折断。
为保证顶杆和回位导杆在芯盒加热后能顺利的工作，它们在固定板内的装配关系应设计成浮动的。顶杆孔和顶杆之间的配合间隙可取0.2～0.3mm。
（3）旋转出芯法。见图17-75，靠射芯机上的旋转气缸将动芯盒移到一定距离并旋转45°，然后用人工或顶杆将砂芯取下。适用于较复杂的砂芯。
6.热芯盒的加热
为了使砂芯迅速硬化，热芯盒上都设有加热装置，有电加热法和煤气加热法。
图17-76 电加热管装置方法示意图
电加热法加热均匀、效率高、清洁，温度易于自动控制，不受煤气源的限制，因此应用较多。电加热管可以直接装入芯盒本体内也可装在芯盒外附设的电加热板上，见图17-76。前者加热效率高，加热管根据芯盒形状布置，因此易得到均匀的温度，但往往受到芯盒附加机构如排气塞、顶芯杆等的限制，加热管孔有时布置有困难。后者因加热管布置与芯盒本身无关，所以更换芯盒方便，应用较多。
电加热管有单头出线和双头出线的两种规格，可根据芯盒结构选择。
每个芯盒上装置电加热管的数量可按下述步骤进行计算：
（1）热芯盒每小时所需电热总功率按式（17-7）计算：
式中 Q——硬化1kg砂芯所需热量，一般取251.2kJ/kg；
G——每小时生产砂芯总量（kg）；
w——每个砂芯重（kg）；
n——每个小时生产的砂芯数目；3.6×103——热功当量常数。
（2）根据热芯盒的大小及射芯机的特点等，选择合适型号和长度的电加热管。
（3）所需电加热管的数量m按式（17-9）计算：
式中 r——每根电加热管的额定功率。
一般每半个芯盒最少放三根电加热管，其布置应力求使芯盒上温度均匀。若电加热管直接放在芯盒本体内，注意使加热管距离芯盒内腔不少于10mm。若电加热管放在加热板上，应使芯盒与加热板紧密配合。
7.射砂头、水冷射砂板和导砂面
一般新购入的射芯机都附有标准射砂头。在设计热芯盒时必须根据砂芯的特点（形状、大小、壁厚等）选择标准射砂头的型式，同时设计必要的射砂板和导砂面，总装后的情况见图17-77。
为了防止射头内的芯砂因受热硬化而堵塞射孔，多用水冷射砂板，其结构为中空的，冷却水可以在其中按一定方向流动。射砂板上射口的形状与尺寸应与芯盒的射口一致。
为了保证射砂时砂流集中、畅通和便于清理射头内的余砂，通常在射头内设置导砂面，导砂面的形状应有利于射砂时砂流的流动。导砂面可以用铝合金制成，也可以用石膏、水泥等浇灌在射头内，然后按需要塑出适合的形状。
（二）壳芯盒设计
壳芯与热芯比较具有重量轻、节约芯砂，砂芯通气性好，铸件表面光洁的优点。因此，在成批大量生产中，砂芯尺寸较大、形状复杂以及内腔要求较高的铸件常采用壳芯。
壳芯是在专门的壳芯机上用壳芯盒制造的。壳芯盒的工作条件与工作方式与热芯盒大致相同，因此热芯盒的设计原则，一般都可以于壳芯盒的设计。这里仅就壳芯盒的一些特殊问题加以说明。
图17-77 射头、导砂面、
水冷射砂板和芯盒
1.壳芯盒本体结构
（1）壳芯盒主要尺寸的决定。壳芯盒的平面尺寸应符合壳芯机加热板尺寸的规定。
砂芯的高度应根据砂芯最高点在加热板上的位置进行验算，以免壳芯在开盒后打开机门时与壳芯机门的外框相碰。图17-78是壳芯机门开启示意图，现以其为例说明验算过程。
图17-78 摇摆式壳芯机门开启示意图
设砂芯最外侧（相对旋转门轴E）的最高点为M（水平投影为M′，偏心距为e），M点至门轴的距离为A，至EF轴线的距离为x，M点到EG轴线的距离为y=H+h。M点能顺利的通过门框避免相碰则必须满足式（17-10）：
式中 S——偏心距为e时门框上M″点至门旋转轴E的距离。
利用式（17-11）可验算M点能否通过门框。
（2）芯盒结构。当采用电加热时，芯盒一般多为实体结构。当采用煤气加热时，通常煤气管安装在加热板内，芯盒做成均匀壁厚的结构，壁厚可取20～25mm，见图17-79。为保证砂芯加热均匀，在芯盒中高度大的凸起部分，可用导热率高的材料（如铜合金）制成镶块。芯盒应设计有适当高度的空腔作为煤气燃烧室。燃烧室高度取45～60mm，芯盒加强筋的布置不应分割燃烧室，还应适当地设计进气口和烟火逸出口。
图17-79 煤气加热壳芯盒结构
2.吹砂口
壳芯盒吹砂口一般开设在芯头处。翻斗式壳芯机为顶吹式，常设计较大的吹砂口，以保证有足够的芯砂能顺利的吹入芯盒，并使未固化的芯砂能全部地倒回吹砂斗。底吹式壳芯机的吹砂口不宜过大，以保证向上喷射的砂流具有一定的速度。
水冷吹砂板的吹砂口其尺寸应满足式（17-12）：
式中 Ф——水冷吹砂板的吹砂口尺寸；
D——壳芯盒吹砂口尺寸；
t——壳层厚度。
这样设计可防止芯盒表面产生皱纹和缩颈现象，也可防止吹砂口附近的砂子脱落而造成壳厚过薄。
形状复杂的壳芯，应设计多个吹砂口，以保证壳芯质量。当吹砂孔设计在工作表面上时，则还应用另一只小壳芯片将吹砂口的孔洞堵住，并用粘合剂粘牢，以免钻铁水。
3.壳芯盒的加固销钉
壳芯盒的加固销钉见图17-80，是为了增强壳芯局部地方的强度而设置的。在结壳时，在加固销钉周围也结硬了一层由壳芯砂形成的一个中空的圆柱形砂柱，将上下两层壳连接起来，增强了这个部位的强度。
图17-80 壳芯盒的加固销钉
当加固销钉位于铸件的成型表面部分时，应用另一芯片将销孔堵住，并用粘合剂粘牢。