造型线模具设计与制造
袁修坪，黄汉云
（昆山新三信模具制造有限公司， 江苏 昆山 215337）
摘要:展望造型线模具设计与制造的发展方向, 对四大造型线进行了介绍,同时也介绍了常用的模板,根据公司多年的生产经验,重点介绍了造型线上的模样。
关键词:造型线模具；设计与制造；模板；模样
在铸造生产中，工艺——模具——设备是一个不可分割的系统，在造型线中更是如此。好的工艺设计要依靠模具体现出来。铸件的尺寸精度、表面粗糙度乃至某些铸造缺陷无一不与模具质量有直接关系。中国铸造工艺水平、铸件质量、技术经济指标等较之先进国家还有很大差距。铸造工艺方法以砂型铸造为主，其中手工、半机械化造型仍占很大比例，但近年来砂型造型线生产发展迅速，极大地推动了砂型造型线模具的发展。20世纪90年代以前，造型线模具的设计使用计算机的很少，制造也主要以普通万能设备为主。进入90年代，国外先进的模具设计和制造技术的引进，促使国产造型线模具设计和制造技术水平逐步提高，一些企业已经具备设计和制造大型精密模具的能力。造型线模具设计与制造技术呈现以下几方面特点：
（1）AutoCAD被设计人员普遍使用；
（2）CAD/CAM已在造型线模具上广泛使用；
（3）快速成型制造模具已进入到实用阶段，LOS、SLS等方法应用的可靠性和技术指标达到和超过国外同类产品水平；
（4）高速加工（High speed machining,简称HSM)技术引进模具工业，提高了模具精度，大大缩短了模具制造时间；
（5）CAE、逆向工程已有部分企业应用并取得明显效果。产品开发前期的凝固模拟大大优化了工艺设计，缩短了试验时间，利用逆向工程、数字化（CAD/CAM）方法制作模具（尤其是复杂模具）更是具有周期短、精度高、一致性好及价格低等许多优点；
（6）采用优质模具材料，提高表面处理技术；
（7）提高模具标准化水平和标准件的使用率，同时加强与铸造设备厂的沟通。
模样、模底板、芯盒、组（下）芯夹具、挤压线下芯框、尺寸检具等在造型线生产中每种铸件各不相同，是专用工装，习惯上称之为造型线模具。而模具厂设计制造最多的就是模样、模底板、芯盒。下面就造型线、模样、模底板这三方面内容进行简单的说明。
1 造型线的种类
1）高压造型线：利用高压（大于0.7MPa）压实造型生产线。高压造型生产率高，所得铸件尺寸精度高和表面质量较好。同时，由于砂型紧实度高，强度大，砂型受振动或冲击而塌落的危险小。
2）射压造型线：射压造型就是利用压缩空气将型砂以很高的速度射入砂箱而得到紧实。射压造型具有很多优点：紧实度分布均匀、工作无振动、无噪、紧实速度快、机器结构比较简单等。其又分为水平分型造型线和垂直分型造型线两种。
3）气冲造型线：气冲造型就是利用具有一定压力的气体瞬时膨胀释放出来的冲击波作用在型砂上使其紧实，克服了粘土膜引起的阻力，提高了型砂的流动性。其砂型特点是紧实度均匀且分布合理，靠模样处的紧实度高于铸型背面。
4）静压造型线：静压造型就是在砂箱内填砂，对型砂施以压缩空气进行气流加压，用压实板在型砂上部压实，使其上下紧实度均匀。这种方法要求模板排气好，砂箱与模板密封好。其特点是铸件尺寸精确，生产率高。
2 常用的模板种类
模板一般是由模底板、定位销（套）、模样（含模样芯头）、浇冒口系统、排气系统、安全柱（起型导柱）等零部件通过装配定位销、螺钉螺栓等装配而成的。这种完全由组装而成的模板叫装配式模板。为了满足某些特殊需要而把模底板与模样作成为一个整体的叫整体模板。有些整体模板甚至连同部分浇冒系统、部分排气系统都做成一体。所有造型线都使用模板。按模板结构分，造型线模板可分为单面模板、双面模板、导板模板、快换模板、组合模板等组成。
1）单面模板：上、下模样分别位于上、下模底板上，组成一付单面模板。常用的材料以铸铁、钢材为主。
2）双面模板：上、下模样分别位于同一模底板两面，用于小型铸件成批大量生产的脱箱造型。材料以铝合金、钢材为主。有些双面模造型线对模具总重量有要求，所以要确保模具总重量不超过设备规定的要求，模板常选用铝合金制作。
3）导板模板：导板常用的材料以铸铁、钢为主。内廓形状与模样分型处的外廓形状相同。起模时，模样不动，导板和砂型同时提起。常用的材料以铸铁、钢材为主。
4）快换模板：由模板和模板框两部分组成，模板框固定在造型机工作台上，而可换的模板固定在模板框中，可减少更换模板的时间。常用的材料以铸铁、钢材为主。
5）组合模板：同一模板框内，可安放多种模板，可以任意更换其中一块或几块模板，实现多品种生产，合理的组织生产。为调节生产周期、减少模板调换次数和提高砂箱使用面积，组合快换模板在生产中的使用日益广泛。组合快换模板是在快换模板的基础上将模板分割成几块，即一个模板框由几块不同或相同尺寸的模底板以及填条组合，组成后的模板尺寸与模板框内尺寸相符。常用的由四块和六块模底板组成，即所谓的四分法和六分法组合快换模板。
3 造型线上的模样
模样用来形成铸型型腔和铸件表面，是造型线上必不可少的工艺装备。模样的设计质量和制造质量直接关系着铸件的几何形状、尺寸精度和表面质量。模样的设计和选择还直接影响着模样制造的工艺性和经济性，也直接影响着模样的使用性能和寿命。因此，在保证产品质量、满足工艺要求的前提下，根据实际情况，正确的选择和设计模样是极为重要的。
1）模样材料的选择
造型线上的模样材料通常都是金属材料。一般采用铝合金、铜合金、球铁、钢材等。建议采用球铁制作模样，这样具有好的加工性能、高的强度和很好的表面光洁度。对于特殊要求的模样可采用锻件制作，能得到很好的模具质量，但制作成本也会非常高。
2）模样的起模斜度
模样的起模斜度一般有正斜度、负斜度、正负斜度三种。为了保证顺利造型而又避免选用较大的起模斜度，应该在工艺设计和模具设计时采取一些有利与起模的技术措施，如：喷涂高质量脱模剂，设置通气塞和通气槽，设置反弹起模块，强化起模振动，选用起模性能好的模具材料，以及手工放置芯骨等。
3）模样壁厚及加强筋
在保证满足模样使用要求的前提下，壁厚应越小越好，以减轻重量和节约金属。中大型模样可制作成空心体，并在内腔附设加强筋，以保证其强度和刚度。加强筋的排列有矩形和辐射两种，筋条可以正交或错交，错交能减小模样制造时的铸造应力。在考虑模样壁厚及加强筋时，还应根据造型线的工作情况予以调整。一般震击式造型机对模样的压力不大，因而模样的变形破坏的可能性小，其主要考虑如何防止模样在震击过程中的松动。但对与高压造型用的模样，由于它要承受较高的压力，特别是压力分布局部不均的情况下，模样有可能被破坏或变形。因此高比压所用模样壁厚要大些，加强筋数量要多些，筋的高度应设计成与分模面齐平。
4）模样与模底板的装配
对一些薄的、细小的不便安装的模样可采用与模板一起做成整体式。一般情况下都是装配式。对于装配式的模样可分为平放式和嵌入式，应尽可能采用嵌入式，在采用嵌入式时，应注意以下几点：
（1）分型面的圆角
在加工技术较高的条件下，把原可平装的两半模样，都采用嵌入式，可提高装配精度和可靠性，并可在分型面处做出小圆角，以改善该处砂型的紧实情况，见图1中A 处。
底板
图1 分型面处做出小圆角
（2）分型面设置防压环
为避免上、下型合型时相互之间碰撞，可以设置防压环，见图1中B处。
（3）芯头设置落砂槽
下芯时，可能有些砂粒会落到型腔内，加了落砂槽，可以让砂粒落到落砂槽内，见图2。
头
槽
图2 芯头设置落砂槽
（4）不易起模的地方，如拐角、深凹处要安装通气塞。
（5）对特别不易起模的地方，可嵌入耐磨黄铜制作。
（6）为使起模平稳，可在模板合适的地方设置３～４处辅助起模销。
（7）单面模板的排气比较好安排，对双面模板，可将上下模样分开制作成嵌入式，利用上下模样背面预留的空隙，集中将排气引到模板的侧面。
（8）浇冒口系统也要做出分型面圆角，以免冲砂，见图3中C处。
图3 浇冒口系统的分型面圆角
参考资料：
[1] 中国机械工程学会铸造分会编 .铸造手册. 机械工业出版社
[2] 中国模具设计大典编委会.中国模具设计大典. 江西科学技术出版社
造型线模具设计与制造
袁修坪，黄汉云
（昆山新三信模具制造有限公司， 江苏 昆山 215337）
摘要:展望造型线模具设计与制造的发展方向, 对四大造型线进行了介绍,同时也介绍了常用的模板,根据公司多年的生产经验,重点介绍了造型线上的模样。
关键词:造型线模具；设计与制造；模板；模样
在铸造生产中，工艺——模具——设备是一个不可分割的系统，在造型线中更是如此。好的工艺设计要依靠模具体现出来。铸件的尺寸精度、表面粗糙度乃至某些铸造缺陷无一不与模具质量有直接关系。中国铸造工艺水平、铸件质量、技术经济指标等较之先进国家还有很大差距。铸造工艺方法以砂型铸造为主，其中手工、半机械化造型仍占很大比例，但近年来砂型造型线生产发展迅速，极大地推动了砂型造型线模具的发展。20世纪90年代以前，造型线模具的设计使用计算机的很少，制造也主要以普通万能设备为主。进入90年代，国外先进的模具设计和制造技术的引进，促使国产造型线模具设计和制造技术水平逐步提高，一些企业已经具备设计和制造大型精密模具的能力。造型线模具设计与制造技术呈现以下几方面特点：
（1）AutoCAD被设计人员普遍使用；
（2）CAD/CAM已在造型线模具上广泛使用；
（3）快速成型制造模具已进入到实用阶段，LOS、SLS等方法应用的可靠性和技术指标达到和超过国外同类产品水平；
（4）高速加工（High speed machining,简称HSM)技术引进模具工业，提高了模具精度，大大缩短了模具制造时间；
（5）CAE、逆向工程已有部分企业应用并取得明显效果。产品开发前期的凝固模拟大大优化了工艺设计，缩短了试验时间，利用逆向工程、数字化（CAD/CAM）方法制作模具（尤其是复杂模具）更是具有周期短、精度高、一致性好及价格低等许多优点；
（6）采用优质模具材料，提高表面处理技术；
（7）提高模具标准化水平和标准件的使用率，同时加强与铸造设备厂的沟通。
模样、模底板、芯盒、组（下）芯夹具、挤压线下芯框、尺寸检具等在造型线生产中每种铸件各不相同，是专用工装，习惯上称之为造型线模具。而模具厂设计制造最多的就是模样、模底板、芯盒。下面就造型线、模样、模底板这三方面内容进行简单的说明。
1 造型线的种类
1）高压造型线：利用高压（大于0.7MPa）压实造型生产线。高压造型生产率高，所得铸件尺寸精度高和表面质量较好。同时，由于砂型紧实度高，强度大，砂型受振动或冲击而塌落的危险小。
2）射压造型线：射压造型就是利用压缩空气将型砂以很高的速度射入砂箱而得到紧实。射压造型具有很多优点：紧实度分布均匀、工作无振动、无噪、紧实速度快、机器结构比较简单等。其又分为水平分型造型线和垂直分型造型线两种。
3）气冲造型线：气冲造型就是利用具有一定压力的气体瞬时膨胀释放出来的冲击波作用在型砂上使其紧实，克服了粘土膜引起的阻力，提高了型砂的流动性。其砂型特点是紧实度均匀且分布合理，靠模样处的紧实度高于铸型背面。
4）静压造型线：静压造型就是在砂箱内填砂，对型砂施以压缩空气进行气流加压，用压实板在型砂上部压实，使其上下紧实度均匀。这种方法要求模板排气好，砂箱与模板密封好。其特点是铸件尺寸精确，生产率高。
2 常用的模板种类
模板一般是由模底板、定位销（套）、模样（含模样芯头）、浇冒口系统、排气系统、安全柱（起型导柱）等零部件通过装配定位销、螺钉螺栓等装配而成的。这种完全由组装而成的模板叫装配式模板。为了满足某些特殊需要而把模底板与模样作成为一个整体的叫整体模板。有些整体模板甚至连同部分浇冒系统、部分排气系统都做成一体。所有造型线都使用模板。按模板结构分，造型线模板可分为单面模板、双面模板、导板模板、快换模板、组合模板等组成。
1）单面模板：上、下模样分别位于上、下模底板上，组成一付单面模板。常用的材料以铸铁、钢材为主。
2）双面模板：上、下模样分别位于同一模底板两面，用于小型铸件成批大量生产的脱箱造型。材料以铝合金、钢材为主。有些双面模造型线对模具总重量有要求，所以要确保模具总重量不超过设备规定的要求，模板常选用铝合金制作。
3）导板模板：导板常用的材料以铸铁、钢为主。内廓形状与模样分型处的外廓形状相同。起模时，模样不动，导板和砂型同时提起。常用的材料以铸铁、钢材为主。
4）快换模板：由模板和模板框两部分组成，模板框固定在造型机工作台上，而可换的模板固定在模板框中，可减少更换模板的时间。常用的材料以铸铁、钢材为主。
5）组合模板：同一模板框内，可安放多种模板，可以任意更换其中一块或几块模板，实现多品种生产，合理的组织生产。为调节生产周期、减少模板调换次数和提高砂箱使用面积，组合快换模板在生产中的使用日益广泛。组合快换模板是在快换模板的基础上将模板分割成几块，即一个模板框由几块不同或相同尺寸的模底板以及填条组合，组成后的模板尺寸与模板框内尺寸相符。常用的由四块和六块模底板组成，即所谓的四分法和六分法组合快换模板。
3 造型线上的模样
模样用来形成铸型型腔和铸件表面，是造型线上必不可少的工艺装备。模样的设计质量和制造质量直接关系着铸件的几何形状、尺寸精度和表面质量。模样的设计和选择还直接影响着模样制造的工艺性和经济性，也直接影响着模样的使用性能和寿命。因此，在保证产品质量、满足工艺要求的前提下，根据实际情况，正确的选择和设计模样是极为重要的。
1）模样材料的选择
造型线上的模样材料通常都是金属材料。一般采用铝合金、铜合金、球铁、钢材等。建议采用球铁制作模样，这样具有好的加工性能、高的强度和很好的表面光洁度。对于特殊要求的模样可采用锻件制作，能得到很好的模具质量，但制作成本也会非常高。
2）模样的起模斜度
模样的起模斜度一般有正斜度、负斜度、正负斜度三种。为了保证顺利造型而又避免选用较大的起模斜度，应该在工艺设计和模具设计时采取一些有利与起模的技术措施，如：喷涂高质量脱模剂，设置通气塞和通气槽，设置反弹起模块，强化起模振动，选用起模性能好的模具材料，以及手工放置芯骨等。
3）模样壁厚及加强筋
在保证满足模样使用要求的前提下，壁厚应越小越好，以减轻重量和节约金属。中大型模样可制作成空心体，并在内腔附设加强筋，以保证其强度和刚度。加强筋的排列有矩形和辐射两种，筋条可以正交或错交，错交能减小模样制造时的铸造应力。在考虑模样壁厚及加强筋时，还应根据造型线的工作情况予以调整。一般震击式造型机对模样的压力不大，因而模样的变形破坏的可能性小，其主要考虑如何防止模样在震击过程中的松动。但对与高压造型用的模样，由于它要承受较高的压力，特别是压力分布局部不均的情况下，模样有可能被破坏或变形。因此高比压所用模样壁厚要大些，加强筋数量要多些，筋的高度应设计成与分模面齐平。
4）模样与模底板的装配
对一些薄的、细小的不便安装的模样可采用与模板一起做成整体式。一般情况下都是装配式。对于装配式的模样可分为平放式和嵌入式，应尽可能采用嵌入式，在采用嵌入式时，应注意以下几点：
（1）分型面的圆角
在加工技术较高的条件下，把原可平装的两半模样，都采用嵌入式，可提高装配精度和可靠性，并可在分型面处做出小圆角，以改善该处砂型的紧实情况，见图1中A 处。
底板
图1 分型面处做出小圆角
（2）分型面设置防压环
为避免上、下型合型时相互之间碰撞，可以设置防压环，见图1中B处。
（3）芯头设置落砂槽
下芯时，可能有些砂粒会落到型腔内，加了落砂槽，可以让砂粒落到落砂槽内，见图2。
头
槽
图2 芯头设置落砂槽
（4）不易起模的地方，如拐角、深凹处要安装通气塞。
（5）对特别不易起模的地方，可嵌入耐磨黄铜制作。
（6）为使起模平稳，可在模板合适的地方设置３～４处辅助起模销。
（7）单面模板的排气比较好安排，对双面模板，可将上下模样分开制作成嵌入式，利用上下模样背面预留的空隙，集中将排气引到模板的侧面。
（8）浇冒口系统也要做出分型面圆角，以免冲砂，见图3中C处。
图3 浇冒口系统的分型面圆角
参考资料：
[1] 中国机械工程学会铸造分会编 .铸造手册. 机械工业出版社
[2] 中国模具设计大典编委会.中国模具设计大典. 江西科学技术出版社