“聚合物模具设计”中的综合探究性实验设计

肖建华 宋仕强 王锦成

摘要：“塑料注塑成型实验”是“聚合物模具设计”实验课程中的常见实验之一。在现有的教学中，此实验为验证性实验，内容比较简单、与模具设计关联度不够。以此实验为基础，进行以下改进：（1）实验研究尺寸收缩的各向异性；（2）探究聚合物结晶度、尺寸收缩率及制品尺寸精度之间的关系；（3）设计聚合物结晶度、尺寸收缩与翘曲变形之间的综合性实验；（4）从成型工艺条件：取向收缩、热胀冷缩——试样尺寸收缩——模具尺寸和公差设计这一综合探究性实验，用实验的方式帮助学生理解相关的高分子专业知识，锻炼学生理论联系实践的能力；培养学生动手操作能力和实验分析能力，提高学生多知识互相关联综合分析的能力。

关键词：塑料注塑成型实验；综合探究性实验；模具设计

“聚合物模具设计”是我校高分子材料与工程专业的一门专业应修课，课程包括40学时的理论和16学时的实验。实验分为4个：塑料注塑成型实验、单分型面注塑模拆装实验、双分型面注塑模拆装实验和侧向分型抽芯注塑模拆装实验。在三个典型的模具拆装实验里，要求学生动手，通过自己拆和装的过程，按比例画出模具的二维图纸，并分析塑件、浇注系统和推出机构的特点，在这个锻炼过程中，增强学生讀图和分析图纸的能力。

“塑料注塑成型实验”是“聚合物模具设计”实验课程中经常开设的一个实验［1］。实验教学中，教师首先讲解注塑机的型号与工作能力的关系、注塑温度设置与高分子熔点的关系、如何根据注塑件质量调节进料阀、对空注射观察熔体形态调节注射温度，然后手动模式下演示注塑机的间歇性生产方式，带领学生在半自动模式下进行注塑成型，然后测试注塑试样的拉伸性能、冲击性能和硬度［2］。这个注塑实验存在以下问题：（1）学生操作结束后对注塑机上的操作印象不深；（2）实验与聚合物模具设计关联薄弱，尤其是型芯、型腔关键零部件的设计；（3）实验过程比较简单，创新性和综合性不高，学生兴趣不足。

针对上述问题，我们开展综合探究性实验，从以下几个角度进行改进：（1）通过注塑成型实验研究注塑件尺寸收缩的各向异性特点；（2）探究聚合物结晶度、注塑件收缩率及注塑制品尺寸精度之间的关系，引导学生给出高精度尺寸制品的核心选材原则；（3）设计高分子材料结晶度、尺寸收缩率与制品翘曲变形之间的综合性实验，帮助学生深度理解尺寸收缩引起的翘曲变形对终端制品的影响；（4）从成型工艺条件：取向收缩、热胀冷缩——试样尺寸收缩——模具尺寸和公差设计这一综合探究性实验，用实验的方式，帮助学生理解相关的高分子专业知识，锻炼学生理论联系实践的能力；提供实验条件和实验指导，鼓励学生各实验因素下开展实验结果的多角度分析，培养学生动手操作能力和实验分析能力，提高学生多知识互相关联综合分析的能力。

1实验设计

本实验总计4学时。由于实验学时有限，观察和研究性实验为必做，探究性实验可选择课后开展。按高结晶度、半结晶度和无型形材料在实验室常用HDPE、PP、LDPE、HIPS、ABS、PVC、PU、TPFE树脂中选取三种。

1.1多标准试样的注射成型

学习手动模式和半自动模式下的注塑成型操作，使用高结晶度树脂进行注塑成型，制备哑铃型拉伸试样、无缺口冲击试样、缺口冲击试样、硬度测试试样。学生观察冷却后注塑试样的形状和尺寸，探讨塑件尺寸对塑件收缩的影响，探讨注塑件在平行于充模流动方向和垂直于充模流动方向上的收缩率特点，即收缩性的各向异性［35］，并结合充模流动中的大分子取向，探讨收缩性各向异性的根本原因。

1.2材料结晶度对注塑件尺寸收缩率的影响

选取三种热塑性材料：高结晶性、半结晶性和无定型材料。学生设计每种材料的注射工艺条件，然后进行注塑，待注塑件充分冷却后，观察注塑件在注塑模具内的尺寸特点，测量长度尺寸并计算尺寸收缩率。

首先引导学生探讨高分子材料结晶度的物理意义，然后引导学生分析高分子材料从熔融充模到冷却的结晶注过程中，材料的尺寸收缩与高分子材料结晶度之间的内在联系。

根据以上实验获得结论，引导学生自由讨论：生产尺寸精度高的注射制品，应该优先选用何种高分子材料？在高结晶度高分子材料中填充无机玻璃纤维或者碳纤维，可以提高制品的尺寸精度的机理是什么？从实验—自由讨论—建立制品尺寸精度与结晶度之间的联系，对以后制品选材提供丰富的实践经验。

1.3工艺参数对注塑件尺寸收缩率的影响

第一组实验，注射压力是变量，每位同学设置好注射压力后，在半自动注射模式下进行注塑成型；第二组实验和第三组实验，注射机的三段温度分别上（下）调10℃或20℃，手动模式下调温，对空注射观察熔体的形态透明且保型后，半自动模式下重复第一组实验。讨论粘流活化能对材料成型加工温度范围造成的影响，对材料的成型加工难易程度有个初步直观认识。

取出制品等充分冷却后，用游标卡尺测量模具和注塑件的长度、宽度尺寸，实验数据用表格的形式进行汇总。表格第一列为注塑温度；第二列为注塑压力，同组学生按照注射压力参数从大到小汇总数据；第三列为注塑件的长度、宽度尺寸；第四列为长、宽方向的计算收缩率；第五列为备注，主要记录注塑件是否完善，如充模不足、正常、飞边等现象。

学生通过表格汇总得到数据，自由探讨注射压力对注塑件收缩性的影响，并结合充模流动中成型温度对大分子取向、聚合物黏度、流动性的影响，探讨温度对注塑件收缩率的影响。并检验第一组实验获得的结论和机理解释是否在第二组实验、第三组实验也成立，深层次分析注塑件收缩性各向异性的特点及根本原因。

2过程设计

实验采取分组的形式，每组10位同学。要求实验前预习讲义，并独自查阅HDPE、PP、LDPE、PVC、HIPS、ABS、PU、TPFE的熔点、注塑成型温度、粘流活化能、结晶度、注塑收缩率等信息，并确定各种聚合物的注塑成型工艺参数，并解释说明理由。实验开始之前，教师检查试验工艺参数设置，指出是否合理，如有明显不合理的地方，应指导学生改进后再进行实验。

机器经过半小时预热后，达到设定温度。启动马达，手动模式下对空注射，观察熔体的颜色和形态，调整注射成型温度，使熔体具有一定的透明性、保型性和流动性，便于充模注塑。

注塑成型实验中变量是注射压力和注射温度，三组注射成型温度，10个注射压力，共30個注塑实验，每个注塑实验条件都不一样。要求每位同学独立完成3次注射成型实践操作。等注塑试样充分冷却后，每位同学需要测试自己注塑的试样长、宽、厚3个尺寸（需要测量5个不同的位置，去掉最大值和最小值，剩下3个取平均值），并计算3个方向的收缩率，同组内按照同一温度条件下压力升高记录塑件尺寸和收缩率，全组10人数据汇集起来做成一张表格共享。

实验成绩考核主要包括四个部分，即实验预习（15分）、操作表现（30分）、实验报告（30分）和对结果的讨论（25分）。此外，对于积极参与探究性实验的同学，根据表现情况，给予10分以内的附加分，但最终总成绩不超过100分。

3实验结果举例

3.1取向收缩引起的各向异性

下图为HDPE的注射成型。充分冷却后，制品与模具尺寸的差异，即尺寸收缩。制品在长度方向具有明显的收缩，在另外两个方向收缩不明显，即收缩具有各向异性。这是因为熔体在注塑模具型腔内沿长度方向进行流动，在流动方向受金属模具的摩擦作用，大分子进行高度取向，冷却后尺寸收缩率大。在垂直于流动方向即制品的宽度方向和厚度方向，大分子的取向程度小、收缩率小［2］。

在注塑模具设计时，模具的尺寸不仅取决于塑件的尺寸，而且取决于收缩率。实际上由于收缩性的各向异性，我们在设计模具时，在平行于流动方向和垂直于流动方向的长、宽、高三个方向代入的计算收缩率值是不同的，这也是聚合物模具设计的复杂性。

3.2结晶收缩

结晶就是高分子链有规律的排列［3］。结晶度越高，高分子链由热到冷的过程中，大分子链有规律的排列越整齐，产生的空间位置越多，由结晶产生的收缩越大。

高结晶度树脂和半结晶度树脂在注塑成型中都产生了较为明显的尺寸收缩，无定型高分子在注塑实验中，由热向冷的转变过程中，未发生结晶收缩，只有热收缩，收缩率非常小，制品冷却后可以填充满整个模具的型腔。

为了定性描述高结晶度树脂和半结晶度树脂冷却过程中产生的结晶收缩以及收缩对制品的影响，在实验中剪取哑铃型硬纸壳，预先放置在注塑模具的底部，然后合模注入热塑性树脂。熔体在型腔压力作用下，大分子链扩散、渗透到硬纸板表层的毛细管中形成机械结合力，将硬纸板和聚合物熔体变成一个完整的整体。

硬纸壳在整个注塑过程中未发生尺寸变化，高结晶度HDPE的尺寸收缩使HDPE/硬纸壳产生了严重的翘曲变形，翘曲角为34°，半结晶度PP的尺寸收缩使PP/硬纸壳产生了较大的翘曲变形，翘曲角为20°。

在注塑模具设计时，聚合物材料选材也是一个关键的环节。若注塑制品是对尺寸精度要求非常高，应该选用无定型高分子材料；制品的性能决定非要选用结晶性高分子材料时，应该选择30%无机填料填充的材料，以期提高制品的尺寸精度，达到设计的需求。

3.3材料粘流活化能对材料成型加工的影响

HDPE、PP在注射成型实验中，经手动调模温度上调10℃和20℃后，对空注射观察到聚合物熔体仍旧保持无色透明、且与喷嘴一致的形状，未发生流涎现象，说明HDPE和PP两种通用型高分子材料的黏度对温度不敏感。注射成型实验中发现PU和TPFE材料温度过高容易流涎，PVC材料容易变色。

ΔE为粘流活化能，单位J.mol-1，是描述材料黏度对温度依赖性的物理量［4］。定义为流动过程中，高分子材料的链段用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。ΔE越大，黏度对温度的依赖性越强，温度升高，其黏度下降得非常多。

HDPE、PP的ΔE值为45J.mol-1，对温度不敏感，成型温度范围很宽，易于成型加工。PVC的ΔE值为152J.mol-1，对温度非常敏感，成型加工温度范围非常窄，成型加工比较难控制。PU和TPFE的ΔE值分别为137和127J.mol-1，对温度较为敏感，加工温度范围比较窄。

3.4工艺参数对注塑收缩率的影响

实验结果可以看出，注射压力越大、收缩率越大。这是因为注射压力越大，保压压力和模腔压力越大，大分子在注塑模具内的整个充模流动过程中取向程度越高，开模冷却后型腔压力消除弹性恢复，产生的尺寸收缩越大。

实验结果可以看出，注射温度越高、收缩率越大。材料热胀冷缩会引起尺寸变化，注塑温度越高，冷却后温度的变化量越大，引起的热收缩越大。另外注射温度越高，聚合物黏度越小，流动性越好，分子链在流动过程中的取向程度越高，收缩性越大。

同一种高分子材料，由于材料厂家或批号不同，或成型工艺参数的影响，不同的注塑压力、注射温度下，收缩率不同。在常用热塑性塑料的主要技术指标中［5］，给出了各种高分子材料的收缩率范围，如HIPS为0.5%～0.6%，PP为1.0%～3.0%，玻纤增强PP为0.4%～0.8%。

以模具型腔的径向尺寸为例：已知塑件尺寸为LP，公差为+Δ，材料的平均收缩率为SCP，磨损量为Δ/6，型腔的径向尺寸为LM0+δZ，按照平均收缩率计算方法为：

从公式看出，注塑模具的尺寸设计与塑料制品的尺寸、材料的收缩率、制品的尺寸精度都相关。而材料的收缩性与注塑成型工艺参数、材料结晶度相关；制品尺寸精度与聚合物选材有关，与材料结晶度大小有关。

通过以上讨论分析，将注塑模具尺寸设计与聚合物选材、结晶度、成型工艺条件都联系了起来，也就是模具尺寸设计与材料有关，与加工过程也有关。

4实验教学效果

通过以上实验教学改革，同学们学会了手动模式下的注塑成型操作和半自动模式下的注塑成型实验操作，每位同学都参加了三次及以上的注射成型实践操作。实验过程中，用到了《高分子物理》学到的大分子取向、粘流活化能、聚合物结晶、聚合物黏度、聚合物流动等专业基础知识，用到了《高分子成型加工》中的注塑原理、注塑温度与熔点、注塑工艺参数等方面知识，用到了《材料力学》中的各向异性，用到了《工程机械制图》中的尺寸和公差标注、基轴制和基孔制知识点，验证了“聚合物模具设计”是一门复杂、深奥、实践性很强的课程，模具零部件关键尺寸计算与材料有关，与成型加工过程中的工艺条件也有关。在实验过程中，同班同学们共享实验数据，得到了大量的系统的实验数据，如材料结晶度、注塑压力、注射温度对注塑制件长、宽两个方向尺寸收缩率的影响，尤其是收缩的各项异性。收缩引起的翘曲变形引起了学生更高的学习兴趣，不仅加强了同学们的实验技能，还激发了同学交流合作、创新思维的能力。

参考文献：

［1］闵志宇，沈俊芳，方世杰.《塑料成型工艺与模具设计》课程本科教学改革与实践［J］.中国校外教育，2009（S4）：3839.

［2］刘双，黄茜，陈全.流变技术在高分子表征中的应用：拉伸流变测试［J］.高分子学报，2023，54（02）：286302.

［3］王志连.影响注塑成型收缩率的因素及收缩率的选择［J］.福建农机，1999，S1：6871.

［4］石海龙.聚丙烯注塑成型收缩率影响因素探讨［J］.河南化工，2011，03：4748.

［5］秦玉洁，陈桂吉，谢正瑞.聚丙烯材料收缩率影响因素研究［J］.上海塑料，2021，49（03）：3236.

作者简介：肖建华（1974—），女，河北邯郸人，博士，上海工程技术大学化学化工学院副教授，硕士生导师，研究方向为高分子成型加工新技术。