显微镜前护罩是显微镜外饰件比较重要的组成部件，其位于显微镜正前方位置，用于安装显微镜液晶显示屏，对于美观性有一定的要求，对外表面的质量要求较高。在模具设计前，需要对显微镜前护罩产品塑件的结构、浇注系统、冷却系统、模具整体结构等进行面向制造设计(DFM)分析，同时可借助CAE技术完成结构工艺分析和模具设计[1]。DFM专注于单个零件和组件，目的是减少或消除会使它们难以制造的昂贵、复杂或不必要的特征。DFM从提高零件的可制造性入手，使得零件和各种工艺容易制造，制造成本低、效率高。对显微镜前护罩进行DFM和CAE分析，为后续的模具设计提供理论依据[2]。本实验主要是针对显微镜前护罩的DFM和CAE分析，从产品结构分析、浇注系统、冷却系统、模具整体结构及工作过程等进行分析，通过设计多种抽芯机构，在boss柱与斜面之间设计定距拉钩机构，利用斜顶块与前装饰板斜面之间滑动，解决塑料件脱模困难的问题，为优化显微镜的成型模具设计提供参考。1显微镜前护罩DFM与CAE结构分析1.1显微镜前护罩的结构分析图1为某显微镜前护罩的零件图。从图1可以看出，零件的整体尺寸为245 mm×109.5 mm×110 mm，体积约为621.6 cm3，选用材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS PA 757)，收缩率为0.4%，产品质量约为0.065 kg。ABS PA 757具有耐化学腐蚀、耐热性好、高弹性和韧性好等优点，表1为ABS PA 757主要的性能参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F001图1显微镜前护罩零件图Fig.1Microscope front cover parts diagram10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.T001表1ABS PA 757的性能参数Tab.1Performance parameters of ABS PA 757性能参数数值熔体流动速率/［g‧（10min）-1］1.8~22引张强度/（kg‧cm-2）480弯曲强度/（kg‧cm-2）790IZOD冲击强度/［（kg·cm）‧cm-1）］18~20洛氏硬度/R116断裂伸长率/%20%比重/（23 ℃/23 ℃）1.05维卡软化点/（℃/℉）105/221热变形温度/（℃/℉）88~99/190~210弯曲弹性率/104（kg‧cm-2）2.7燃烧性1/16″ HB显微镜前护罩内部有6个boss柱，采用机牙注塑成型，铜螺母采用直接成型加工方式，分别在T2、T3、T4处，其中T2两个boss之间的距离为70 mm，高度为5 mm，boss柱外径是7 mm，中间有铜螺母M2；T3两个boss柱之间有1根厚度为0.8 mm的加强筋，低于T3 boos柱2.6 mm，两个T4 boss柱采用方形，方形与前护罩前端与侧边分别有1根厚度为1 mm的加强筋，为了减小缩水T4处采用定距拉钩机构，且该区域空间结构狭小，对模具设计产生一定难度。1.2显微镜前护罩的型腔布局零件在型腔中的布局方式较多，型腔数目一般保证生产效率、注塑量、锁模力、塑件的精度等方面[3]。型腔布局的原则有：对称原则，进胶平衡（环型和对称型）；紧凑原则，节约钢材。基于显微镜前护罩的整体结构、形状、尺寸，同时兼顾经济原则，该产品在模具中型腔布局采用一模一腔。图2为显微镜前护罩的型腔布局。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F002图2显微镜前护罩的型腔布局Fig.2Cavity layout of microscope front cover1.3显微镜前护罩分型面分析注塑模分型面的设计直接影响着塑料件的质量、模具结构和操作的难易程度，是注塑模具设计成败的关键之一[4]。为了使模具结构更加简单，根据显微镜前护罩形状和内部boss柱的分布位置，设计显微镜前护罩在模具中的位置，确定分型面的位置。图3为显微镜前护罩的主分型面。分型段差0.05 mm以内。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F003图3显微镜前护罩主分型面Fig.3Main parting surface of microscope front cover1.4显微镜前护罩CAE分析将显微镜前护罩的零件图另存为“x-t”格式，导入CAE分析软件Moldflow2020中，进行实体网格划分操作，创建好冷热流道，按照注塑参数（模具温度45 ℃、熔体温度210 ℃、冷却时间20 s），在Moldflow 中进行设置，通过“填充+保压+翘曲”的分析，图4为得到分析结果。从图4a和图4b可以看出，产品充满型腔的时间为1.915 s，在圆孔两端进行充填，整个过程稳定，表面无滞留短射的现象。从图4c、图4d可以看出，产品顶出时，产品表面的收缩率均匀，缩痕估计可通过外观的皮纹进行掩盖。从图4e、图4f可以看出，产品的外表面基本看不到气穴，塑件表面的熔接线较小，塑料熔体从模具下端流出，塑件在皮纹的掩盖下基本看不到明显的熔接线，整体满足设计要求。图4显微镜前护罩CAE分析结果Fig.4CAE analysis results of microscope front cover10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F4a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F4a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F4a31.5显微镜前护罩的浇注系统分析浇注系统是模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道，由主流道、分流道、浇口及冷料穴组成[5]。模具中型腔布局采用一模一腔，浇注系统相对比较简单。由于显微镜前护罩是外观件，成型该塑件采用热流道浇注系统。根据塑料件型腔的布局，考虑到外观表面的要求，外观有皮纹可以掩盖微小的熔接痕。模具设计时在前护罩圆孔两边进胶。图5为热流道系统设计示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F005图5显微镜前护罩热流道系统设计示意图Fig.5Design schematic diagram of hot runner system for microscope front cover1.6显微镜前护罩的抽芯机构分析图6为显微镜前护罩后侧模、底部boos柱及圆角分析。从图6可以看出，显微镜前护罩周边有圆角，在上部有凸起的部分，且底部boss柱与斜面之间设计需要镂空避免外观面出现缩痕，在模具设计时需要增加斜滑块。经DFM分析，初步设计采用斜滑块抽芯及定距拉钩机构[6]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F006图6显微镜前护罩斜抽、定距拉钩机构及圆角分析Fig.6Oblique drawing， fixed distance hook mechanism and fillet analysis of microscope front cover2显微镜前护罩的模具设计2.1型芯和型腔的设计型芯、型腔的结构设计既要考虑保证获得合格的成型塑件，也要考虑便于加工制造，同时要注意节约贵重的模具材料，以降低模具成本[7]。图7为分型后型芯和型腔设计图。从图7可以看出，型芯和型腔都采用整体嵌入式设计理念，采用斜抽芯滑块既节省模具材料，同时降低模具加工成本。型芯和型腔在设计时有定位装置，型腔设计4处凸台与型芯上的凹处进行合模，确保模具的合模的精度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F007图7分型后的型芯、型腔设计Fig.7Core and cavity design after parting2.2斜滑块抽芯机构与定距拉钩机构的设计图8为显微镜前护罩滑块抽芯机构设计。由于显微镜前护罩的结构和摆放位置，导致抽芯方向是往侧面斜抽芯。因为前护罩方形框的深度不深，抽芯距离比较小，约为6.3 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F008图8滑块抽芯机构设计Fig.8Design of slider core-pulling mechanism图9为前护罩塑件底部定距拉钩机构和直顶机构。为了顺利完成出模，除了在该处采用定距拉钩机构，还需要设计顶出机构。从图9a可以看出，在显微镜前护罩零件底部boss柱处T4是竖直向下的，与前护罩前端倾斜面垂直方向的夹角为40°，所以定距拉钩机构，需要与水平面之间形成夹角，为了节省成本，定距拉钩机构与水平面倾斜角度为2°。从图9b可以看出，直顶布局在塑件的底部，共设计14直顶把塑件从模具中顶出，其中扁顶针2个，12个圆顶针。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F009图9前护罩塑件底部定距拉钩机构和直顶机构设计Fig.9Design of bottom spacing hook mechanism and straight top mechanism of front shield plastic parts2.3浇注系统及冷却水道的设计该前护罩模具采用了热流道与冷流道相结合的技术，浇注系统采用直接浇口。水道排布的好坏直接影响产品的成型质量和生产周期[8-10]。由于产品的整体布局，型芯、型腔均为整体嵌入式，如果设计的冷却效果不够理想，前护罩很容易发生变形。在每个机构都单独设计了冷却回路，型芯、型腔的冷却水道直径均为Φ12 mm[11]。图10为模具冷却回路。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F010图10模具冷却回路Fig.10Mold cooling circuit3显微镜前护罩模具整体结构及工作过程图11为显微镜模具的总装图。整体尺寸为460 mm×450 mm×350 mm，模具中的boss柱采用机牙直接成型，再镶件装入模具中注塑成型，通过模具螺丝机定位，确保结构牢固，同时外观面做了皮纹，可以掩盖掉熔接痕和微小的缩痕。显微镜前护罩模具采用斜导柱内侧变向抽芯及定距拉钩抽芯，同时顶杆直接顶出，保证零件符合设计要求，顺利成型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.018.F011图11显微镜前护罩模具总装配图Fig.11Assembly drawing of mold for microscope front cover模具工作原理：首先在注射机上装载模具，按照注塑零件的相关流程，在注射压力的作用下，将塑料熔体注入模具的型腔，此时所有水路都通入冷却水对模具进行冷却，待零件固化后，开模时定模部分通过导向块带动斜滑块一起运动，使其与动模具型芯分开，实现侧抽芯。待侧抽芯完成后，定距拉钩机构进行运动，定距拉钩斜滑块与塑料件boss柱之间分开，当动模运动一段距离后，1个扁顶针、13个圆顶针把塑件从模具中顶出脱模。塑料件顶出脱落后，动模座板、顶板、型芯等进行复位合模，进入下一个零件的注塑循环周期。4结论显微镜前护罩作为显微镜的外观件，注塑成型后对零件的表面质量、熔接线、皮纹等均在设计模具时进行了DFM分析，提高了设计模具的效率、降低了塑件的报废率。该模具在设计时采用了定距拉钩机构，解决了boss柱与前端面缩痕明显的问题。模具设计、冷却系统、摆放及各运动机构的设计，都有一定的特点，模具结构紧凑、各机构运行顺畅，能满足实际要求，可为相似塑件的模具设计提供了一定的参考价值。