注塑充填不平衡实验装置的研制及其教学应用

徐 斌，李光明

(西南科技大学,四川 绵阳 621010)

塑料成型工艺与模具设计是材料成型及控制工程专业重要的基础课程，聚合物成型理论，特别是聚合物熔体充模流动过程，无论在理论研究还是在高校教学中都占有重要的地位。一模多腔注塑成型是本课程的教学内容之一，模具型腔布局虽然对称设计，但很容易出现充填不平衡。目前很多关于充填不平衡方面的教学只是简单采用了文本投影式教学，对充填不平衡过程中的物理现象和规律缺乏科学而形象的描述。根据目前对充填不平衡的产生机理分析，涉及到聚合物熔体在浇注系统中的流动过程，尤其是聚合物熔体在流道中的温度分布对充填不平衡产生显著影响[1,2]。

随着微纳米技术的快速发展，微注塑成型技术已成为微纳制造技术领域的热点之一[3,4]。为了让学生了解注塑成型的前沿技术和提高对一模多腔成型的学习兴趣,深入了解充填不平衡产生的原因，培养学生思维水平和创新能力,本文开发了一种带微结构的一模多腔微注塑模具。采用不同工艺参数进行充填不平衡试验，结合数值模拟仿真，分析流道中的温度场的变化，使学生深入了解充填不平衡。

1 模具设计

本试验设计了一模八腔平H形布局流道模具如图1。目前微注塑模具技术还不成熟，借鉴传统注塑模具设计方法设计微注塑模具。微注塑模具设计的难点在于由于塑料熔体难于充填，通常需要较高的模具温度。

(a)微结构注塑模具

此外，对于微小结构,需要及时排除型腔中的气体，才能充填满。在本实验中，模具由两根电热棒加热。模具温度由温度控制器测量。此外，使用真空泵通过标有红色圆圈的孔排空型腔气体。为了确保真空度，在浇口套、分型面和顶杆上安装了密封圈。

镶块结构如图2所示。采用高速铣削加工型腔，然后采用微细电火花铣削技术加工微孔，通过日本OLYMPUS公司生产的BX51偏光显微镜测量直径，最大直径为220.5 μm，最小直径为216.7 μm。微孔表面粗糙度经加工试样剖切测量，用Newview 5022型ZYGO表面轮廓仪测量结果为Ra为0.273 μm，型腔表面粗糙度为0.451 μm。

图2 镶块结构

2 充填不平衡实验设计及分析

选用盘锦石化公司生产的5070型高密度聚乙烯(HDPE)。注塑机选用海天集团生产的精密注塑机，型号为MA600Ⅱ-SMS，最大注射速率为51 g/s。先将HDPE在60 ℃干燥4 h后进行注塑实验，采用直角转角流道结构进行实验，设置注塑工艺参数如表1所示。为了减少型腔中的灰尘等小颗粒物对实验结果造成干扰，在实验前用酒精将型腔多次清洗，试样如图3所示。选取图4中所标识的模具型腔Ⅰ与Ⅱ中的微圆柱孔充填结果进行分析，并且对每个孔的位置进行了编号。在测量时将塑件插入橡皮泥中并固定在显微镜工作台面上，采用日本OLYMPUS公司生产的BX51偏光显微镜来测试微圆柱的高度，其结果如表2所示。

图3 充填不平衡填充试样

图4 模具型腔布置图

表1 实验参数表

表2 微圆柱孔填充高度

实验结果显示，随着模具温度与注射速率的增大，微圆柱填充高度会有一定程度的增加。在直径为200 μm时，注射速率为60%，模温由72 ℃升高到80 ℃时，最大填充高度增加了76.3%，高达402 μm，最小有效填充高度同步增加63.9%；模具温度为72 ℃，注射速率由60%升至90%时最大填充高度由228 μm增加至368 μm，增加140 μm，最小有效填充高度由147 μm上升到184 μm，由于模温高时熔体在模具中的流动性较好流动阻力小，有利于填充。当注射速率较低时，熔体在流道中的流动性较差；速率增大时，熔体流动产生的剪切热也会随之增大，由于剪切热的作用，熔体的粘度降低，从而流动性更好，就更有利于填充，因此高注射速率会增大填充高度。另外从表2可以看出填充高度随着型腔浇口位置变远而减小，这是由于距离浇口越远，速度以及热量损失就越多，熔体的流动性减弱，从而距离越远填充高度就越小。

为了方便分析充填不平衡，设Δl为型腔Ⅰ与型腔Ⅱ同一位置的微圆柱的高度差，它即代表了两模具同位置之间充填不平衡的程度。根据表2的结果做图如图5所示。

图5 充填不平衡微圆柱高度差

由图5可知，当注射速率60%，模具温度为72 ℃时，填充高度差Δl最小值为114 μm；当注射速率增加至75%，模具温度增加至76 ℃时，填充高度差Δl最小值为60 μm；当注射速率达到最大值90%，模具温度达到最大值80 ℃时，填充高度差Δl最小值为13 μm，但其余型腔均大于50 μm。分析可知，当注射速率和模具温度逐渐增加，填充高度差逐渐降低，曲线逐渐趋于平稳。

为了对实验现象进行解释，采用ANSYS WORKBENCH软件POLYFLOW模块进行了数值模拟分析[5]。由于流道是对称布局，选取一半流道结构进行分析。其模拟结果如图6所示，从图中可以看出流道温度变化明显。选取浇口截面进行温度分布对比，如图所示，可以发现浇口截面I温度最大值大于浇口截面Ⅱ的温度最大值。结合高分子流变学知识可知[6-8]，聚合物熔体的粘度随熔体温度升高而降低，当流道中熔体的温度升高，聚合物熔体流动阻力减小，由此可知就解释了型腔I中聚合物熔体的填充量为什么多于型腔Ⅱ。这就从机理上解释了充填不平衡的形成原因。

(a)流道壁面温度

3 结 语

本文通过设计一模八腔H形布局注塑模具，一方面通过注塑充填不平衡实验，可以明显观察到充填不平衡现象；另一方面通过数值模拟观察聚合物熔体在模具型流道中熔体温度分布，从机理上解释了充填不平衡的形成原因。可以看出，利用实验和数值模拟分析能够实现聚合物熔体充模不平衡过程分析辅助教学，可以在培养学生的学习兴趣,加深学生对于相关知识的理解,培养学生独立思考的能力等方面起到积极的作用。