肖建華 宋仕強(qiáng) 王錦成

摘要：“塑料注塑成型實(shí)驗(yàn)”是“聚合物模具設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課程中的常見實(shí)驗(yàn)之一。在現(xiàn)有的教學(xué)中，此實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容比較簡單、與模具設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)度不夠。以此實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行以下改進(jìn)：（1）實(shí)驗(yàn)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(guān)系；（3）設(shè)計(jì)聚合物結(jié)晶度、尺寸收縮與翹曲變形之間的綜合性實(shí)驗(yàn)；（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(shè)計(jì)這一綜合探究性實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)的方式幫助學(xué)生理解相關(guān)的高分子專業(yè)知識(shí)，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力；培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和實(shí)驗(yàn)分析能力，提高學(xué)生多知識(shí)互相關(guān)聯(lián)綜合分析的能力。

關(guān)鍵詞：塑料注塑成型實(shí)驗(yàn)；綜合探究性實(shí)驗(yàn)；模具設(shè)計(jì)

“聚合物模具設(shè)計(jì)”是我校高分子材料與工程專業(yè)的一門專業(yè)應(yīng)修課，課程包括40學(xué)時(shí)的理論和16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)：塑料注塑成型實(shí)驗(yàn)、單分型面注塑模拆裝實(shí)驗(yàn)、雙分型面注塑模拆裝實(shí)驗(yàn)和側(cè)向分型抽芯注塑模拆裝實(shí)驗(yàn)。在三個(gè)典型的模具拆裝實(shí)驗(yàn)里，要求學(xué)生動(dòng)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(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，在這個(gè)鍛煉過程中，增強(qiáng)學(xué)生讀圖和分析圖紙的能力。

“塑料注塑成型實(shí)驗(yàn)”是“聚合物模具設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課程中經(jīng)常開設(shè)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)［1］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師首先講解注塑機(jī)的型號(hào)與工作能力的關(guān)系、注塑溫度設(shè)置與高分子熔點(diǎn)的關(guān)系、如何根據(jù)注塑件質(zhì)量調(diào)節(jié)進(jìn)料閥、對(duì)空注射觀察熔體形態(tài)調(diào)節(jié)注射溫度，然后手動(dòng)模式下演示注塑機(jī)的間歇性生產(chǎn)方式，帶領(lǐng)學(xué)生在半自動(dòng)模式下進(jìn)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(gè)注塑實(shí)驗(yàn)存在以下問題：（1）學(xué)生操作結(jié)束后對(duì)注塑機(jī)上的操作印象不深；（2）實(shí)驗(yàn)與聚合物模具設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)薄弱，尤其是型芯、型腔關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)；（3）實(shí)驗(yàn)過程比較簡單，創(chuàng)新性和綜合性不高，學(xué)生興趣不足。

針對(duì)上述問題，我們開展綜合探究性實(shí)驗(yàn)，從以下幾個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn)：（1）通過注塑成型實(shí)驗(yàn)研究注塑件尺寸收縮的各向異性特點(diǎn)；（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(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生給出高精度尺寸制品的核心選材原則；（3）設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生深度理解尺寸收縮引起的翹曲變形對(duì)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(shè)計(jì)這一綜合探究性實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)的方式，幫助學(xué)生理解相關(guān)的高分子專業(yè)知識(shí)，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力；提供實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生各實(shí)驗(yàn)因素下開展實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多角度分析，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和實(shí)驗(yàn)分析能力，提高學(xué)生多知識(shí)互相關(guān)聯(lián)綜合分析的能力。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)總計(jì)4學(xué)時(shí)。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，觀察和研究性實(shí)驗(yàn)為必做，探究性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室常用HDPE、PP、LDPE、HIPS、ABS、PVC、PU、TPFE樹脂中選取三種。

1.1多標(biāo)準(zhǔn)試樣的注射成型

學(xué)習(xí)手動(dòng)模式和半自動(dòng)模式下的注塑成型操作，使用高結(jié)晶度樹脂進(jìn)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(xué)生觀察冷卻后注塑試樣的形狀和尺寸，探討塑件尺寸對(duì)塑件收縮的影響，探討注塑件在平行于充模流動(dòng)方向和垂直于充模流動(dòng)方向上的收縮率特點(diǎn)，即收縮性的各向異性［35］，并結(jié)合充模流動(dòng)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(duì)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(xué)生設(shè)計(jì)每種材料的注射工藝條件，然后進(jìn)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(diǎn)，測量長度尺寸并計(jì)算尺寸收縮率。

首先引導(dǎo)學(xué)生探討高分子材料結(jié)晶度的物理意義，然后引導(dǎo)學(xué)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(shí)驗(yàn)獲得結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生自由討論：生產(chǎn)尺寸精度高的注射制品，應(yīng)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(jī)玻璃纖維或者碳纖維，可以提高制品的尺寸精度的機(jī)理是什么？從實(shí)驗(yàn)—自由討論—建立制品尺寸精度與結(jié)晶度之間的聯(lián)系，對(duì)以后制品選材提供豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1.3工藝參數(shù)對(duì)注塑件尺寸收縮率的影響

第一組實(shí)驗(yàn)，注射壓力是變量，每位同學(xué)設(shè)置好注射壓力后，在半自動(dòng)注射模式下進(jìn)行注塑成型；第二組實(shí)驗(yàn)和第三組實(shí)驗(yàn)，注射機(jī)的三段溫度分別上（下）調(diào)10℃或20℃，手動(dòng)模式下調(diào)溫，對(duì)空注射觀察熔體的形態(tài)透明且保型后，半自動(dòng)模式下重復(fù)第一組實(shí)驗(yàn)。討論粘流活化能對(duì)材料成型加工溫度范圍造成的影響，對(duì)材料的成型加工難易程度有個(gè)初步直觀認(rèn)識(shí)。

取出制品等充分冷卻后，用游標(biāo)卡尺測量模具和注塑件的長度、寬度尺寸，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用表格的形式進(jìn)行匯總。表格第一列為注塑溫度；第二列為注塑壓力，同組學(xué)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(jì)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(xué)生通過表格匯總得到數(shù)據(jù)，自由探討注射壓力對(duì)注塑件收縮性的影響，并結(jié)合充模流動(dòng)中成型溫度對(duì)大分子取向、聚合物黏度、流動(dòng)性的影響，探討溫度對(duì)注塑件收縮率的影響。并檢驗(yàn)第一組實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)論和機(jī)理解釋是否在第二組實(shí)驗(yàn)、第三組實(shí)驗(yàn)也成立，深層次分析注塑件收縮性各向異性的特點(diǎn)及根本原因。

2過程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采取分組的形式，每組10位同學(xué)。要求實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)講義，并獨(dú)自查閱HDPE、PP、LDPE、PVC、HIPS、ABS、PU、TPFE的熔點(diǎn)、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(shí)驗(yàn)開始之前，教師檢查試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置，指出是否合理，如有明顯不合理的地方，應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

機(jī)器經(jīng)過半小時(shí)預(yù)熱后，達(dá)到設(shè)定溫度。啟動(dòng)馬達(dá)，手動(dòng)模式下對(duì)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(dòng)性，便于充模注塑。

注塑成型實(shí)驗(yàn)中變量是注射壓力和注射溫度，三組注射成型溫度，10個(gè)注射壓力，共30個(gè)注塑實(shí)驗(yàn)，每個(gè)注塑實(shí)驗(yàn)條件都不一樣。要求每位同學(xué)獨(dú)立完成3次注射成型實(shí)踐操作。等注塑試樣充分冷卻后，每位同學(xué)需要測試自己注塑的試樣長、寬、厚3個(gè)尺寸（需要測量5個(gè)不同的位置，去掉最大值和最小值，剩下3個(gè)取平均值），并計(jì)算3個(gè)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(shí)驗(yàn)成績考核主要包括四個(gè)部分，即實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（15分）、操作表現(xiàn)（30分）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30分）和對(duì)結(jié)果的討論（25分）。此外，對(duì)于積極參與探究性實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，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(shí)驗(yàn)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(gè)方向收縮不明顯，即收縮具有各向異性。這是因?yàn)槿垠w在注塑模具型腔內(nèi)沿長度方向進(jìn)行流動(dòng)，在流動(dòng)方向受金屬模具的摩擦作用，大分子進(jìn)行高度取向，冷卻后尺寸收縮率大。在垂直于流動(dòng)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?。?］。

在注塑模具設(shè)計(jì)時(shí)，模具的尺寸不僅取決于塑件的尺寸，而且取決于收縮率。實(shí)際上由于收縮性的各向異性，我們?cè)谠O(shè)計(jì)模具時(shí)，在平行于流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向的長、寬、高三個(gè)方向代入的計(jì)算收縮率值是不同的，這也是聚合物模具設(shè)計(jì)的復(fù)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(duì)制品的影響，在實(shí)驗(yàn)中剪取啞鈴型硬紙殼，預(yù)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(kuò)散、滲透到硬紙板表層的毛細(xì)管中形成機(jī)械結(jié)合力，將硬紙板和聚合物熔體變成一個(gè)完整的整體。

硬紙殼在整個(gè)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(yán)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(shè)計(jì)時(shí)，聚合物材料選材也是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。若注塑制品是對(duì)尺寸精度要求非常高，應(yīng)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(shí)，應(yīng)該選擇30%無機(jī)填料填充的材料，以期提高制品的尺寸精度，達(dá)到設(shè)計(jì)的需求。

3.3材料粘流活化能對(duì)材料成型加工的影響

HDPE、PP在注射成型實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)手動(dòng)調(diào)模溫度上調(diào)10℃和20℃后，對(duì)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(duì)溫度不敏感。注射成型實(shí)驗(yàn)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(duì)溫度依賴性的物理量［4］。定義為流動(dòng)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(duì)溫度的依賴性越強(qiáng)，溫度升高，其黏度下降得非常多。

HDPE、PP的ΔE值為45J.mol-1，對(duì)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(duì)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(duì)溫度較為敏感，加工溫度范圍比較窄。

3.4工藝參數(shù)對(duì)注塑收縮率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，注射壓力越大、收縮率越大。這是因?yàn)樽⑸鋲毫υ酱?，保壓壓力和模腔壓力越大，大分子在注塑模具?nèi)的整個(gè)充模流動(dòng)過程中取向程度越高，開模冷卻后型腔壓力消除彈性恢復(fù)，產(chǎn)生的尺寸收縮越大。

實(shí)驗(yàn)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(huì)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(dòng)性越好，分子鏈在流動(dòng)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(hào)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(shù)指標(biāo)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(qiáng)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(jì)算方法為：

從公式看出，注塑模具的尺寸設(shè)計(jì)與塑料制品的尺寸、材料的收縮率、制品的尺寸精度都相關(guān)。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(guān)；制品尺寸精度與聚合物選材有關(guān)，與材料結(jié)晶度大小有關(guān)。

通過以上討論分析，將注塑模具尺寸設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與材料有關(guān)，與加工過程也有關(guān)。

4實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，同學(xué)們學(xué)會(huì)了手動(dòng)模式下的注塑成型操作和半自動(dòng)模式下的注塑成型實(shí)驗(yàn)操作，每位同學(xué)都參加了三次及以上的注射成型實(shí)踐操作。實(shí)驗(yàn)過程中，用到了《高分子物理》學(xué)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(dòng)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，用到了《高分子成型加工》中的注塑原理、注塑溫度與熔點(diǎn)、注塑工藝參數(shù)等方面知識(shí)，用到了《材料力學(xué)》中的各向異性，用到了《工程機(jī)械制圖》中的尺寸和公差標(biāo)注、基軸制和基孔制知識(shí)點(diǎn)，驗(yàn)證了“聚合物模具設(shè)計(jì)”是一門復(fù)雜、深?yuàn)W、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，模具零部件關(guān)鍵尺寸計(jì)算與材料有關(guān)，與成型加工過程中的工藝條件也有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)過程中，同班同學(xué)們共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了大量的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如材料結(jié)晶度、注塑壓力、注射溫度對(duì)注塑制件長、寬兩個(gè)方向尺寸收縮率的影響，尤其是收縮的各項(xiàng)異性。收縮引起的翹曲變形引起了學(xué)生更高的學(xué)習(xí)興趣，不僅加強(qiáng)了同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)技能，還激發(fā)了同學(xué)交流合作、創(chuàng)新思維的能力。

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作者簡介：肖建華（1974—），女，河北邯鄲人，博士，上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦叻肿映尚图庸ば录夹g(shù)。