“聚合物模具設計”中的綜合探究性實驗設計

肖建華 宋仕強 王錦成

摘要：“塑料注塑成型實驗”是“聚合物模具設計”實驗課程中的常見實驗之一。在現(xiàn)有的教學中，此實驗為驗證性實驗，內(nèi)容比較簡單、與模具設計關聯(lián)度不夠。以此實驗為基礎，進行以下改進：（1）實驗研究尺寸收縮的各向異性；（2）探究聚合物結(jié)晶度、尺寸收縮率及制品尺寸精度之間的關系；（3）設計聚合物結(jié)晶度、尺寸收縮與翹曲變形之間的綜合性實驗；（4）從成型工藝條件：取向收縮、熱脹冷縮——試樣尺寸收縮——模具尺寸和公差設計這一綜合探究性實驗，用實驗的方式幫助學生理解相關的高分子專業(yè)知識，鍛煉學生理論聯(lián)系實踐的能力；培養(yǎng)學生動手操作能力和實驗分析能力，提高學生多知識互相關聯(lián)綜合分析的能力。

關鍵詞：塑料注塑成型實驗；綜合探究性實驗；模具設計

“聚合物模具設計”是我校高分子材料與工程專業(yè)的一門專業(yè)應修課，課程包括40學時的理論和16學時的實驗。實驗分為4個：塑料注塑成型實驗、單分型面注塑模拆裝實驗、雙分型面注塑模拆裝實驗和側(cè)向分型抽芯注塑模拆裝實驗。在三個典型的模具拆裝實驗里，要求學生動手，通過自己拆和裝的過程，按比例畫出模具的二維圖紙，并分析塑件、澆注系統(tǒng)和推出機構(gòu)的特點，在這個鍛煉過程中，增強學生讀圖和分析圖紙的能力。

“塑料注塑成型實驗”是“聚合物模具設計”實驗課程中經(jīng)常開設的一個實驗［1］。實驗教學中，教師首先講解注塑機的型號與工作能力的關系、注塑溫度設置與高分子熔點的關系、如何根據(jù)注塑件質(zhì)量調(diào)節(jié)進料閥、對空注射觀察熔體形態(tài)調(diào)節(jié)注射溫度，然后手動模式下演示注塑機的間歇性生產(chǎn)方式，帶領學生在半自動模式下進行注塑成型，然后測試注塑試樣的拉伸性能、沖擊性能和硬度［2］。這個注塑實驗存在以下問題：（1）學生操作結(jié)束后對注塑機上的操作印象不深；（2）實驗與聚合物模具設計關聯(lián)薄弱，尤其是型芯、型腔關鍵零部件的設計；（3）實驗過程比較簡單，創(chuàng)新性和綜合性不高，學生興趣不足。

針對上述問題，我們開展綜合探究性實驗，從以下幾個角度進行改進：（1）通過注塑成型實驗研究注塑件尺寸收縮的各向異性特點；（2）探究聚合物結(jié)晶度、注塑件收縮率及注塑制品尺寸精度之間的關系，引導學生給出高精度尺寸制品的核心選材原則；（3）設計高分子材料結(jié)晶度、尺寸收縮率與制品翹曲變形之間的綜合性實驗，幫助學生深度理解尺寸收縮引起的翹曲變形對終端制品的影響；（4）從成型工藝條件：取向收縮、熱脹冷縮——試樣尺寸收縮——模具尺寸和公差設計這一綜合探究性實驗，用實驗的方式，幫助學生理解相關的高分子專業(yè)知識，鍛煉學生理論聯(lián)系實踐的能力；提供實驗條件和實驗指導，鼓勵學生各實驗因素下開展實驗結(jié)果的多角度分析，培養(yǎng)學生動手操作能力和實驗分析能力，提高學生多知識互相關聯(lián)綜合分析的能力。

1實驗設計

本實驗總計4學時。由于實驗學時有限，觀察和研究性實驗為必做，探究性實驗可選擇課后開展。按高結(jié)晶度、半結(jié)晶度和無型形材料在實驗室常用HDPE、PP、LDPE、HIPS、ABS、PVC、PU、TPFE樹脂中選取三種。

1.1多標準試樣的注射成型

學習手動模式和半自動模式下的注塑成型操作，使用高結(jié)晶度樹脂進行注塑成型，制備啞鈴型拉伸試樣、無缺口沖擊試樣、缺口沖擊試樣、硬度測試試樣。學生觀察冷卻后注塑試樣的形狀和尺寸，探討塑件尺寸對塑件收縮的影響，探討注塑件在平行于充模流動方向和垂直于充模流動方向上的收縮率特點，即收縮性的各向異性［35］，并結(jié)合充模流動中的大分子取向，探討收縮性各向異性的根本原因。

1.2材料結(jié)晶度對注塑件尺寸收縮率的影響

選取三種熱塑性材料：高結(jié)晶性、半結(jié)晶性和無定型材料。學生設計每種材料的注射工藝條件，然后進行注塑，待注塑件充分冷卻后，觀察注塑件在注塑模具內(nèi)的尺寸特點，測量長度尺寸并計算尺寸收縮率。

首先引導學生探討高分子材料結(jié)晶度的物理意義，然后引導學生分析高分子材料從熔融充模到冷卻的結(jié)晶注過程中，材料的尺寸收縮與高分子材料結(jié)晶度之間的內(nèi)在聯(lián)系。

根據(jù)以上實驗獲得結(jié)論，引導學生自由討論：生產(chǎn)尺寸精度高的注射制品，應該優(yōu)先選用何種高分子材料？在高結(jié)晶度高分子材料中填充無機玻璃纖維或者碳纖維，可以提高制品的尺寸精度的機理是什么？從實驗—自由討論—建立制品尺寸精度與結(jié)晶度之間的聯(lián)系，對以后制品選材提供豐富的實踐經(jīng)驗。

1.3工藝參數(shù)對注塑件尺寸收縮率的影響

第一組實驗，注射壓力是變量，每位同學設置好注射壓力后，在半自動注射模式下進行注塑成型；第二組實驗和第三組實驗，注射機的三段溫度分別上（下）調(diào)10℃或20℃，手動模式下調(diào)溫，對空注射觀察熔體的形態(tài)透明且保型后，半自動模式下重復第一組實驗。討論粘流活化能對材料成型加工溫度范圍造成的影響，對材料的成型加工難易程度有個初步直觀認識。

取出制品等充分冷卻后，用游標卡尺測量模具和注塑件的長度、寬度尺寸，實驗數(shù)據(jù)用表格的形式進行匯總。表格第一列為注塑溫度；第二列為注塑壓力，同組學生按照注射壓力參數(shù)從大到小匯總數(shù)據(jù)；第三列為注塑件的長度、寬度尺寸；第四列為長、寬方向的計算收縮率；第五列為備注，主要記錄注塑件是否完善，如充模不足、正常、飛邊等現(xiàn)象。

學生通過表格匯總得到數(shù)據(jù)，自由探討注射壓力對注塑件收縮性的影響，并結(jié)合充模流動中成型溫度對大分子取向、聚合物黏度、流動性的影響，探討溫度對注塑件收縮率的影響。并檢驗第一組實驗獲得的結(jié)論和機理解釋是否在第二組實驗、第三組實驗也成立，深層次分析注塑件收縮性各向異性的特點及根本原因。

2過程設計

實驗采取分組的形式，每組10位同學。要求實驗前預習講義，并獨自查閱HDPE、PP、LDPE、PVC、HIPS、ABS、PU、TPFE的熔點、注塑成型溫度、粘流活化能、結(jié)晶度、注塑收縮率等信息，并確定各種聚合物的注塑成型工藝參數(shù)，并解釋說明理由。實驗開始之前，教師檢查試驗工藝參數(shù)設置，指出是否合理，如有明顯不合理的地方，應指導學生改進后再進行實驗。

機器經(jīng)過半小時預熱后，達到設定溫度。啟動馬達，手動模式下對空注射，觀察熔體的顏色和形態(tài)，調(diào)整注射成型溫度，使熔體具有一定的透明性、保型性和流動性，便于充模注塑。

注塑成型實驗中變量是注射壓力和注射溫度，三組注射成型溫度，10個注射壓力，共30個注塑實驗，每個注塑實驗條件都不一樣。要求每位同學獨立完成3次注射成型實踐操作。等注塑試樣充分冷卻后，每位同學需要測試自己注塑的試樣長、寬、厚3個尺寸（需要測量5個不同的位置，去掉最大值和最小值，剩下3個取平均值），并計算3個方向的收縮率，同組內(nèi)按照同一溫度條件下壓力升高記錄塑件尺寸和收縮率，全組10人數(shù)據(jù)匯集起來做成一張表格共享。

實驗成績考核主要包括四個部分，即實驗預習（15分）、操作表現(xiàn)（30分）、實驗報告（30分）和對結(jié)果的討論（25分）。此外，對于積極參與探究性實驗的同學，根據(jù)表現(xiàn)情況，給予10分以內(nèi)的附加分，但最終總成績不超過100分。

3實驗結(jié)果舉例

3.1取向收縮引起的各向異性

下圖為HDPE的注射成型。充分冷卻后，制品與模具尺寸的差異，即尺寸收縮。制品在長度方向具有明顯的收縮，在另外兩個方向收縮不明顯，即收縮具有各向異性。這是因為熔體在注塑模具型腔內(nèi)沿長度方向進行流動，在流動方向受金屬模具的摩擦作用，大分子進行高度取向，冷卻后尺寸收縮率大。在垂直于流動方向即制品的寬度方向和厚度方向，大分子的取向程度小、收縮率小［2］。

在注塑模具設計時，模具的尺寸不僅取決于塑件的尺寸，而且取決于收縮率。實際上由于收縮性的各向異性，我們在設計模具時，在平行于流動方向和垂直于流動方向的長、寬、高三個方向代入的計算收縮率值是不同的，這也是聚合物模具設計的復雜性。

3.2結(jié)晶收縮

結(jié)晶就是高分子鏈有規(guī)律的排列［3］。結(jié)晶度越高，高分子鏈由熱到冷的過程中，大分子鏈有規(guī)律的排列越整齊，產(chǎn)生的空間位置越多，由結(jié)晶產(chǎn)生的收縮越大。

高結(jié)晶度樹脂和半結(jié)晶度樹脂在注塑成型中都產(chǎn)生了較為明顯的尺寸收縮，無定型高分子在注塑實驗中，由熱向冷的轉(zhuǎn)變過程中，未發(fā)生結(jié)晶收縮，只有熱收縮，收縮率非常小，制品冷卻后可以填充滿整個模具的型腔。

為了定性描述高結(jié)晶度樹脂和半結(jié)晶度樹脂冷卻過程中產(chǎn)生的結(jié)晶收縮以及收縮對制品的影響，在實驗中剪取啞鈴型硬紙殼，預先放置在注塑模具的底部，然后合模注入熱塑性樹脂。熔體在型腔壓力作用下，大分子鏈擴散、滲透到硬紙板表層的毛細管中形成機械結(jié)合力，將硬紙板和聚合物熔體變成一個完整的整體。

硬紙殼在整個注塑過程中未發(fā)生尺寸變化，高結(jié)晶度HDPE的尺寸收縮使HDPE/硬紙殼產(chǎn)生了嚴重的翹曲變形，翹曲角為34°，半結(jié)晶度PP的尺寸收縮使PP/硬紙殼產(chǎn)生了較大的翹曲變形，翹曲角為20°。

在注塑模具設計時，聚合物材料選材也是一個關鍵的環(huán)節(jié)。若注塑制品是對尺寸精度要求非常高，應該選用無定型高分子材料；制品的性能決定非要選用結(jié)晶性高分子材料時，應該選擇30%無機填料填充的材料，以期提高制品的尺寸精度，達到設計的需求。

3.3材料粘流活化能對材料成型加工的影響

HDPE、PP在注射成型實驗中，經(jīng)手動調(diào)模溫度上調(diào)10℃和20℃后，對空注射觀察到聚合物熔體仍舊保持無色透明、且與噴嘴一致的形狀，未發(fā)生流涎現(xiàn)象，說明HDPE和PP兩種通用型高分子材料的黏度對溫度不敏感。注射成型實驗中發(fā)現(xiàn)PU和TPFE材料溫度過高容易流涎，PVC材料容易變色。

ΔE為粘流活化能，單位J.mol-1，是描述材料黏度對溫度依賴性的物理量［4］。定義為流動過程中，高分子材料的鏈段用于克服位壘，由原位置躍遷到附近“空穴”所需的最小能量。ΔE越大，黏度對溫度的依賴性越強，溫度升高，其黏度下降得非常多。

HDPE、PP的ΔE值為45J.mol-1，對溫度不敏感，成型溫度范圍很寬，易于成型加工。PVC的ΔE值為152J.mol-1，對溫度非常敏感，成型加工溫度范圍非常窄，成型加工比較難控制。PU和TPFE的ΔE值分別為137和127J.mol-1，對溫度較為敏感，加工溫度范圍比較窄。

3.4工藝參數(shù)對注塑收縮率的影響

實驗結(jié)果可以看出，注射壓力越大、收縮率越大。這是因為注射壓力越大，保壓壓力和模腔壓力越大，大分子在注塑模具內(nèi)的整個充模流動過程中取向程度越高，開模冷卻后型腔壓力消除彈性恢復，產(chǎn)生的尺寸收縮越大。

實驗結(jié)果可以看出，注射溫度越高、收縮率越大。材料熱脹冷縮會引起尺寸變化，注塑溫度越高，冷卻后溫度的變化量越大，引起的熱收縮越大。另外注射溫度越高，聚合物黏度越小，流動性越好，分子鏈在流動過程中的取向程度越高，收縮性越大。

同一種高分子材料，由于材料廠家或批號不同，或成型工藝參數(shù)的影響，不同的注塑壓力、注射溫度下，收縮率不同。在常用熱塑性塑料的主要技術指標中［5］，給出了各種高分子材料的收縮率范圍，如HIPS為0.5%～0.6%，PP為1.0%～3.0%，玻纖增強PP為0.4%～0.8%。

以模具型腔的徑向尺寸為例：已知塑件尺寸為LP，公差為+Δ，材料的平均收縮率為SCP，磨損量為Δ/6，型腔的徑向尺寸為LM0+δZ，按照平均收縮率計算方法為：

從公式看出，注塑模具的尺寸設計與塑料制品的尺寸、材料的收縮率、制品的尺寸精度都相關。而材料的收縮性與注塑成型工藝參數(shù)、材料結(jié)晶度相關；制品尺寸精度與聚合物選材有關，與材料結(jié)晶度大小有關。

通過以上討論分析，將注塑模具尺寸設計與聚合物選材、結(jié)晶度、成型工藝條件都聯(lián)系了起來，也就是模具尺寸設計與材料有關，與加工過程也有關。

4實驗教學效果

通過以上實驗教學改革，同學們學會了手動模式下的注塑成型操作和半自動模式下的注塑成型實驗操作，每位同學都參加了三次及以上的注射成型實踐操作。實驗過程中，用到了《高分子物理》學到的大分子取向、粘流活化能、聚合物結(jié)晶、聚合物黏度、聚合物流動等專業(yè)基礎知識，用到了《高分子成型加工》中的注塑原理、注塑溫度與熔點、注塑工藝參數(shù)等方面知識，用到了《材料力學》中的各向異性，用到了《工程機械制圖》中的尺寸和公差標注、基軸制和基孔制知識點，驗證了“聚合物模具設計”是一門復雜、深奧、實踐性很強的課程，模具零部件關鍵尺寸計算與材料有關，與成型加工過程中的工藝條件也有關。在實驗過程中，同班同學們共享實驗數(shù)據(jù)，得到了大量的系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)，如材料結(jié)晶度、注塑壓力、注射溫度對注塑制件長、寬兩個方向尺寸收縮率的影響，尤其是收縮的各項異性。收縮引起的翹曲變形引起了學生更高的學習興趣，不僅加強了同學們的實驗技能，還激發(fā)了同學交流合作、創(chuàng)新思維的能力。

參考文獻：

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［4］石海龍.聚丙烯注塑成型收縮率影響因素探討［J］.河南化工，2011，03：4748.

［5］秦玉潔，陳桂吉，謝正瑞.聚丙烯材料收縮率影響因素研究［J］.上海塑料，2021，49（03）：3236.

作者簡介：肖建華（1974—），女，河北邯鄲人，博士，上海工程技術大學化學化工學院副教授，碩士生導師，研究方向為高分子成型加工新技術。