砂芯主要用于形成铸件的内孔、腔。某些妨碍起模、不易出砂的外形部分可用砂芯形成。砂芯的工作条件较为恶劣，因此对砂芯的要求：
1） 有足够的强度和刚度；
2） 排气性好；
3） 退让性好；
4） 收缩阻力小；
5） 溃散性好，易出砂。
砂芯设计包括：确定砂芯数量，每个砂芯的形状、尺寸；芯头的个数、形状和尺寸；芯撑、芯骨；排气方式；芯砂种类及造芯方法等。
一、砂芯数量的确定
一个铸件所需的砂芯数量，主要取决于铸件结构和铸造工艺方案。确定砂芯数量的原则是：尽量减少砂芯数量，以减少芯盒、制芯工时费用，降低铸件成本，同时，也应考虑制芯下芯，检查方便，保证铸件质量精度。
1．当内腔或孔的深径比（高度与直径或高度与宽度之比）不很大时，应才用自带砂芯。自带砂芯的高度和宽度之比不能太大，否则拔模时容易损坏。自带砂芯尺寸查表。
2．砂芯和分块砂芯 整体制造的砂芯，易于保证铸件精度，工装数目少，砂芯强度和刚度较好。但是，对于尺寸过大、形状复杂的砂芯，仍采用整体砂芯，操作不方便，应分成两个或几个砂芯来制造。砂芯的分块原是：
① 填砂面应宽敞；
② 砂芯支撑面最好是平面，以便于安放和烘干；
③ 分盒面尽量与分型面一致。
④ 分块应便于下芯、合箱及检查，保证铸件精度。
⑤ 尺寸精度要求高的部分，尽可能用同一砂芯形成；
⑥ 尺寸过大的砂芯，为了便于造芯、下芯解决车间起重量不够的困难，可以分成几个小砂芯。每个小砂芯需具有足够的强度和刚度。
二、 芯头
芯头是砂芯的重要组成部分。芯头的作用是定位、支撑和排气。芯头在保证定位可靠，支撑牢固、排气通畅的情况下，其数目越少越好。
1．垂直芯头
垂直芯头有三种形式，a）上下都作出芯头，定位准确，支撑可靠，排气通畅。一般常用这种形式。尤其适于高度大于直径的砂芯；b)只作下芯头，不作上芯头，合箱方便。适合于横截面积较大而高度不大的砂芯；c)上、下芯头都不作出，可降低砂箱的高度，便于调整砂芯的位置。适合于比较稳的大砂芯。当L与D之比≥5倍时，则采取加大的下芯头：D2=（1.5~2.0）D。
有些铸件只能做上芯头，不能做下芯头，此时可采取以下措施：
1）予埋芯头。
将芯头（上大下小）当作模样的一部分，同模样一起去造型，将芯头予埋在砂型中。此法适合于重量不大的小芯。
2）吊芯,用铁丝或螺栓将砂芯吊在上箱，吊芯操作麻烦，只适合于单件小批生产；
3）盖板砂芯，将芯头扩大。搁在下箱中，操作方便，能保证铸件精度，有利于组织流水生产。
4）使用芯撑。件大、形状复杂，砂芯多，不能吊，只能用芯撑支承。
2． 水平芯头
水平砂芯一般都有两个芯头，定位是可靠的。有时只有一个芯头（悬臂芯），定位不可靠；或者虽有两个芯头，但可能倾斜或转动，此时可以采取：
1） 联合芯头（又叫挑担芯头）。小型弯管接头常用联合砂芯。
2） 加大或加长芯头，使砂芯重心移入支撑面内（即砂型中）。
3） 安放芯撑，增加砂芯的支撑点和支撑面积，使砂芯稳固。
4） 增设工艺孔 为使砂芯稳固，便于排气和清理，可在适当部位增设工艺孔，以便于设置芯头。铸成后可用螺丝塞头堵上或焊死。
3.芯头的定位机构
下芯后，若要求砂芯不沿芯头轴线方向移动，不绕芯头轴线转动。或为了下芯十不易搞错方位，可采用定位芯头。
4．芯头尺寸的确定
芯头横截面的尺寸，一般决定于铸件相应部位孔眼尺寸，为了便于下芯、合箱，芯头应有一定的斜度，芯头与芯座之间应留有一定的间隙，芯头与芯座之间的间隙，通常采取将芯盒作成名义尺寸，而将模样加大来实现的。
芯头尺寸包括芯头高度、斜度、间隙，芯头斜度及间隙，是为了下芯合箱方便而设的，芯头尺寸一般查表决定。
5．芯头承压面积的验算
一般，芯头尺寸是按经验数据确定，不进行验算。但对自身重量很大的芯子，或受金属液体浮力很大的芯子，为确保铸件质量，其芯头尺寸则需验算。
验算方法、步骤：
1. 计算砂芯重量（自重）
2. 计算砂芯受到的浮力。
3. 计算各芯头所受的最大压力
4. 计算芯头所需的承压面积。
5. 根据承压面积，计算芯头尺寸。
芯头实际承压面积必须大于计算值，否则就要采取提高承压能力的措施。如提高芯座强度（在芯座上垫铁片或耐火砖等），安放芯撑，增加水平芯头长度，增设工艺孔，增加芯头等。以免芯头压坏芯座导致偏芯而铸件报废。
三、 芯撑和芯骨
（一）芯撑
把砂芯固定在砂型中主要靠芯头，当无法设置芯头，或单靠芯头还不把握时，就得采用芯撑，起到辅助支撑的作用，对芯撑的要求及使用原则：
1．芯撑表面最好镀锌、铅，这是为了防止芯撑表面生锈而不能与铁液焊和好。芯撑表面应干净、平整。使用时，芯撑表面应无锈、无油、无水气、无污物；同时芯撑放入铸型后，要尽快浇注，特别是湿型，以免芯撑表面凝聚水气而产生气孔或熔合不良。
2．芯撑材料的熔点应比铸件材质的熔点高，至少相同，以防止过早熔化丧失支撑作用。（对铸铁件使用低碳钢或铸铁芯撑；非铁合金铸件用与铸件相同的合金做芯撑）。
3．芯撑重量应适当，不能过大或过小。过小，易熔化，过大则不能与铸件很好焊合。
4．芯撑不能用于重要表面上，应设在非加工表面或不重要的表面上。
5．芯撑在铸件凝固过程中，应与铸件很好焊合。如果焊合不好，则会引起渗陋，经不住打压。壁厚小于8㎜的薄壁铸件尽量不用芯撑。
（二）芯骨
砂芯的骨架简称芯骨。芯骨的作用是提高砂芯的强度和刚度。保证砂芯在烘干、运输、下芯和浇注过程中不变形、不断裂特别是对于大芯、形状复杂的芯、断面较薄的芯，芯骨显得特别重要。
芯骨有线形、面形和体形。
对芯骨的要求是：
1．芯骨保证砂芯有足强度、刚度的前提下本身应尽量简单、易于制造。小砂芯多用铁丝芯骨（事先退火消除弹性），中、大型砂芯常用铸铁芯骨。
3．骨不应妨碍砂芯排气和阻碍铸件收缩,因此芯骨至砂芯表面必须留有适当距离，吃砂量要够。
4． 清砂时，芯骨最好能完整取出，以便回用，降低成本。
5． 有些芯骨须便于砂芯的吊运，并合及固定，因此应作出吊环等结构。
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1） 有足够的强度和刚度；
2） 排气性好；
3） 退让性好；
4） 收缩阻力小；
5） 溃散性好，易出砂。
砂芯设计包括：确定砂芯数量，每个砂芯的形状、尺寸；芯头的个数、形状和尺寸；芯撑、芯骨；排气方式；芯砂种类及造芯方法等。
一、砂芯数量的确定
一个铸件所需的砂芯数量，主要取决于铸件结构和铸造工艺方案。确定砂芯数量的原则是：尽量减少砂芯数量，以减少芯盒、制芯工时费用，降低铸件成本，同时，也应考虑制芯下芯，检查方便，保证铸件质量精度。
1．当内腔或孔的深径比（高度与直径或高度与宽度之比）不很大时，应才用自带砂芯。自带砂芯的高度和宽度之比不能太大，否则拔模时容易损坏。自带砂芯尺寸查表。
2．砂芯和分块砂芯 整体制造的砂芯，易于保证铸件精度，工装数目少，砂芯强度和刚度较好。但是，对于尺寸过大、形状复杂的砂芯，仍采用整体砂芯，操作不方便，应分成两个或几个砂芯来制造。砂芯的分块原是：
① 填砂面应宽敞；
② 砂芯支撑面最好是平面，以便于安放和烘干；
③ 分盒面尽量与分型面一致。
④ 分块应便于下芯、合箱及检查，保证铸件精度。
⑤ 尺寸精度要求高的部分，尽可能用同一砂芯形成；
⑥ 尺寸过大的砂芯，为了便于造芯、下芯解决车间起重量不够的困难，可以分成几个小砂芯。每个小砂芯需具有足够的强度和刚度。
二、 芯头
芯头是砂芯的重要组成部分。芯头的作用是定位、支撑和排气。芯头在保证定位可靠，支撑牢固、排气通畅的情况下，其数目越少越好。
1．垂直芯头
垂直芯头有三种形式，a）上下都作出芯头，定位准确，支撑可靠，排气通畅。一般常用这种形式。尤其适于高度大于直径的砂芯；b)只作下芯头，不作上芯头，合箱方便。适合于横截面积较大而高度不大的砂芯；c)上、下芯头都不作出，可降低砂箱的高度，便于调整砂芯的位置。适合于比较稳的大砂芯。当L与D之比≥5倍时，则采取加大的下芯头：D2=（1.5~2.0）D。
有些铸件只能做上芯头，不能做下芯头，此时可采取以下措施：
1）予埋芯头。
将芯头（上大下小）当作模样的一部分，同模样一起去造型，将芯头予埋在砂型中。此法适合于重量不大的小芯。
2）吊芯,用铁丝或螺栓将砂芯吊在上箱，吊芯操作麻烦，只适合于单件小批生产；
3）盖板砂芯，将芯头扩大。搁在下箱中，操作方便，能保证铸件精度，有利于组织流水生产。
4）使用芯撑。件大、形状复杂，砂芯多，不能吊，只能用芯撑支承。
2． 水平芯头
水平砂芯一般都有两个芯头，定位是可靠的。有时只有一个芯头（悬臂芯），定位不可靠；或者虽有两个芯头，但可能倾斜或转动，此时可以采取：
1） 联合芯头（又叫挑担芯头）。小型弯管接头常用联合砂芯。
2） 加大或加长芯头，使砂芯重心移入支撑面内（即砂型中）。
3） 安放芯撑，增加砂芯的支撑点和支撑面积，使砂芯稳固。
4） 增设工艺孔 为使砂芯稳固，便于排气和清理，可在适当部位增设工艺孔，以便于设置芯头。铸成后可用螺丝塞头堵上或焊死。
3.芯头的定位机构
下芯后，若要求砂芯不沿芯头轴线方向移动，不绕芯头轴线转动。或为了下芯十不易搞错方位，可采用定位芯头。
4．芯头尺寸的确定
芯头横截面的尺寸，一般决定于铸件相应部位孔眼尺寸，为了便于下芯、合箱，芯头应有一定的斜度，芯头与芯座之间应留有一定的间隙，芯头与芯座之间的间隙，通常采取将芯盒作成名义尺寸，而将模样加大来实现的。
芯头尺寸包括芯头高度、斜度、间隙，芯头斜度及间隙，是为了下芯合箱方便而设的，芯头尺寸一般查表决定。
5．芯头承压面积的验算
一般，芯头尺寸是按经验数据确定，不进行验算。但对自身重量很大的芯子，或受金属液体浮力很大的芯子，为确保铸件质量，其芯头尺寸则需验算。
验算方法、步骤：
1. 计算砂芯重量（自重）
2. 计算砂芯受到的浮力。
3. 计算各芯头所受的最大压力
4. 计算芯头所需的承压面积。
5. 根据承压面积，计算芯头尺寸。
芯头实际承压面积必须大于计算值，否则就要采取提高承压能力的措施。如提高芯座强度（在芯座上垫铁片或耐火砖等），安放芯撑，增加水平芯头长度，增设工艺孔，增加芯头等。以免芯头压坏芯座导致偏芯而铸件报废。
三、 芯撑和芯骨
（一）芯撑
把砂芯固定在砂型中主要靠芯头，当无法设置芯头，或单靠芯头还不把握时，就得采用芯撑，起到辅助支撑的作用，对芯撑的要求及使用原则：
1．芯撑表面最好镀锌、铅，这是为了防止芯撑表面生锈而不能与铁液焊和好。芯撑表面应干净、平整。使用时，芯撑表面应无锈、无油、无水气、无污物；同时芯撑放入铸型后，要尽快浇注，特别是湿型，以免芯撑表面凝聚水气而产生气孔或熔合不良。
2．芯撑材料的熔点应比铸件材质的熔点高，至少相同，以防止过早熔化丧失支撑作用。（对铸铁件使用低碳钢或铸铁芯撑；非铁合金铸件用与铸件相同的合金做芯撑）。
3．芯撑重量应适当，不能过大或过小。过小，易熔化，过大则不能与铸件很好焊合。
4．芯撑不能用于重要表面上，应设在非加工表面或不重要的表面上。
5．芯撑在铸件凝固过程中，应与铸件很好焊合。如果焊合不好，则会引起渗陋，经不住打压。壁厚小于8㎜的薄壁铸件尽量不用芯撑。
（二）芯骨
砂芯的骨架简称芯骨。芯骨的作用是提高砂芯的强度和刚度。保证砂芯在烘干、运输、下芯和浇注过程中不变形、不断裂特别是对于大芯、形状复杂的芯、断面较薄的芯，芯骨显得特别重要。
芯骨有线形、面形和体形。
对芯骨的要求是：
1．芯骨保证砂芯有足强度、刚度的前提下本身应尽量简单、易于制造。小砂芯多用铁丝芯骨（事先退火消除弹性），中、大型砂芯常用铸铁芯骨。
3．骨不应妨碍砂芯排气和阻碍铸件收缩,因此芯骨至砂芯表面必须留有适当距离，吃砂量要够。
4． 清砂时，芯骨最好能完整取出，以便回用，降低成本。
5． 有些芯骨须便于砂芯的吊运，并合及固定，因此应作出吊环等结构。
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