封闭式芯盒顶出机构设计与应用

张世武，王 伟，王光伟，师文琴，袁际章，高培虎

（1.山西柴油机工业有限责任公司，山西大同 037036；2.山西中兵铸造有限公司，山西大同 037036；3.西安工业大学 材料与化工学院，陕西西安 710021）

目前铸造行业最主要的工艺方法仍然是砂型铸造，而以树脂砂、水玻璃砂造型、制芯应用最为广泛[1]，采用手工造型、制芯生产铸件的厂家仍然很多，特别是一些新产品的试制也以手工造型制芯为主。

模具、芯盒的设计正确与否是能否生产出合格的高质量铸件的关键，手工制芯的芯盒种类很多，封闭式结构的芯盒占比最大，最常用的是水平分型结构和垂直分型结构[2]。

水平分型芯盒分为敞开式和封闭式，水平分型芯盒的填砂口及刮砂面平行于芯盒的分型面。

敞开式芯盒的分型面、填砂口、刮砂面在同一个面上，出型时沿着分型面的方向脱出即可。封闭式芯盒由上下两半芯盒组成且上下两半芯盒都有形状，封闭式芯盒型芯的出型和敞开式芯盒的出型主要差别是，封闭式芯盒出型时首先要完成两半芯盒的分离，然后进行型芯的顶出，因此封闭式芯盒的出型设计既要考虑芯盒的顶出，同时也要考虑型芯的顶出，而且芯盒的顶出和型芯的顶出是连续完成的。

垂直分型芯盒的填砂口及刮砂面垂直于芯盒的分型面，垂直分型芯盒由左右两半芯盒组成，两半芯盒都有形状，由于树脂砂、水玻璃砂制芯对固化时间的控制有较高的要求，固化时间短出型相对容易但型芯强度偏低，容易造成型芯的变形或开裂，固化时间长型芯强度增高造成出型困难[3]，传统的芯盒设计方法难以解决这类问题，封闭式芯盒的出型创新设计能很好地解决了上述问题，既能保证型芯的顺利出型也不会造成芯盒损坏。

1 铸件结构分析

多年来封闭式金属芯盒的设计一直延用传统的设计方法，以某型号铸件壳体设计为例（见图1），壳体芯盒为水平分型结构。

图1 某型号铸件壳体设计图

砂口布置在芯盒的上平面，与芯盒的分型面平行，制芯时将芯盒合在一起并且锁紧，将混制好的树脂砂通过填砂口填入芯盒内，震实后刮平填砂口，待型芯固化后出型。由于树脂砂固化后已经有较高的强度，出型时需将芯盒垂直放置，分别打击上下芯盒的底板产生振动，使型芯和芯盒之间出现间隙，然后打击芯盒一侧的吊轴使其和另一半芯盒分离，当一侧芯盒完全脱离后，再打击另一侧芯盒的吊轴使型芯和芯盒分离。由于打击力是通过芯盒底部和吊轴向型芯传递的，因此需要较长时间的打击才能出型，这种出型方法不仅降低了生产效率，也容易造成芯盒和型芯的损坏。在生产过程中不当的打击造成芯盒变形、开裂、吊轴断裂等问题时有发生，不仅增加模具的维修费用也缩短了模具的使用寿命，增加制造成本。

2 带顶出机构芯盒的设计难点

根据铸件结构分析该芯盒仍采用上下分型结构，由于型芯上下平面都有形状，填砂口留在上芯盒的芯头部位，出型时利用顶出板作用在芯盒和型芯上的力使上下芯盒分离及型芯顶出。

2.1 设计难点

首先要在芯盒上增加一套芯盒和型芯顶出机构，出芯时通过打击顶出板产生的力传递到芯盒顶出杆，顶出杆的力直接作用在下芯盒上使上下芯盒分离，但是在下芯盒还没有脱离的情况下顶出杆的力是不能作用在型芯上的，因此必须保证在下芯盒脱离后型芯顶出杆才能作用在型芯上，同时要考虑的是芯盒顶出杆反复作用在下芯盒上，会对下芯盒造成损坏，因此要采取一定的预防措施，在下芯盒脱离上芯盒后芯子留在上芯盒内，此时下芯盒形成的型芯高度已超出芯盒的分型面，因此在上芯盒的分型面上必须有一个用来支撑芯盒高度的垫块，垫块的高度要同时满足下芯盒型芯的高度和上芯盒顶出型芯所需的高度，才能保证型芯的顺利顶出，在型芯顶出之前在上芯盒的下方放入芯板承接型芯，继续打击顶出板上芯盒内的型芯脱离，完成出型。

2.2 设计方案

壳体封闭式芯盒顶出机构的设计方案见图2。芯盒顶出杆安装在上芯盒上，每一个芯盒安装两个顶出杆，一般布置在芯盒的中间位置，芯盒顶出杆的主要用途是芯盒的顶出，同时也起合型时型芯顶出杆的复位作用。芯盒顶出杆的长度既要满足芯盒的顶出同时也要满足型芯的顶出。型芯顶出杆均匀布置在型芯的四周及中间部位，通常情况下顶出杆直径的大小和数量以满足型芯所需出型力的大小来确定。顶出杆的位置应能保证顶出时整个型芯受力均匀，以保证型芯能同时平稳脱落。顶出杆和型芯的接触面尽量选择平面，顶出杆顶出部位尽量选择型芯的厚大部位，尽量避免在有形状的部位布置顶出杆，防止由于顶出杆出现转动时影响型芯的形状。型芯顶出杆的长度以满足型芯出型的高度为准。芯盒顶出杆及型芯顶出杆和顶出板联接，顶出板的形状根据芯盒顶出杆和型芯顶出杆分布的形状确定。支撑块固定在上芯盒上，均匀分布在上芯盒分型面的四周，支撑块的高度以满足型芯脱离上芯盒所需高度为准，在下芯盒对应支撑块的位置处留出支撑块让位空间。顶出杆垫块布置在下芯盒上，位置和芯盒顶出杆对应，目的是减轻芯盒顶出杆对下芯盒的打击力度，避免芯盒的损坏。

图2 壳体封闭式芯盒顶出机构的设计图

制芯时将混制好的树脂砂充填到芯盒内，待树脂砂固化后达到出型强度开始出型，首先打击顶出板，芯盒顶出杆在受力状态下，作用在下芯盒顶出杆垫块上，使下芯盒和上芯盒分离，此时顶出板在型芯顶出杆上滑动，此时顶出杆没有受力，顶出力也没有作用在型芯上，此时下芯盒和上芯盒已经分离，型芯保留在上芯盒上，取出下芯盒放入芯板，上芯盒支撑块和芯板接触，继续打击顶出板，顶出板和型芯顶出杆接触，打击力开始作用在型芯上，继续打击顶出板直到型芯脱落为止。在进行芯盒设计时，通过选择分型面位置或出型斜度的方法保证芯盒顶出时型芯能保留在上芯盒上。

3 效果验证

使用带顶出机构的封闭式芯盒制芯，通过打击顶出板产生的力先作用在芯盒顶出杆上完成下芯盒的分离，继续打击顶出板，顶出板产生的力开始作用在型芯顶出杆上，顶出杆的力直接作用在型芯上，连续打击顶出板直至型芯脱落。

由于在芯盒顶出杆部位安装了支撑垫块，在顶出过程中没有造成对芯盒本体的损坏，在上芯盒上安装了支撑块和在下芯盒上留出支撑块让位空间，避免了出型时型芯直接接触到地面损坏型芯，采用顶出机构的芯盒设计不仅能保证型芯的质量，同时提高了生产效率，大大降低了芯盒的损坏程度，也有效地延长了芯盒的使用寿命。