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摘要：本文主要研究微注塑成型多响应稳健性设计。首先介绍了微注塑成型的优点及微注塑成型模拟理论基础，确定出影响微注塑成型过程中的可控因子。然后，介绍了注塑成型稳健性设计和优化方法。最后，应用关联度分析，对制造过程输出的质量特性与可控因子和噪声建模分析，估计出模型参数以及信噪比评价指标，找出最佳输出响应值的因子。
关键词：稳健性；微注塑；信噪比；可控因子；优化设计；
引言：
随着高科技的迅速发展，精密化已成为产品发展的趋势。微型机械大大减少材料的消耗，可移动化等。随微小型产品的需求，对微小零件的生产效率和加工精度等方面的要求也越来越严格。目前，微尺度研究远落后于微注塑成型工艺的研究，严重影响模具的设计以及微注塑成型技术的产业化发展。微型化注塑成型技术，不但具有传统注塑充模流动的特点，而且熔体流动剪切速率较传统注塑高。
对此，本文研究微注塑模具设计与制造的关键技术，进行注塑稳健性分析具有重要理论指导意义。
一、微注塑成型模拟理论基础
注塑工艺参数包括模具温度、注射压力、保压压力、注射时间等。在注塑成型过程中，注塑成型工艺参数对塑件注塑成型后的成型周期、塑件质量、体积收缩率等有着较大的影响。其中模具温度直接影响熔体在型腔内的流动情况，也会影响制品的生产效率和质量。如果模温过高会降低生产效率；如果温过低会造成接痕缺陷等。
微注塑过程包括塑化、计量和注塑三部分。微注塑机按单元设计分为螺杆式、柱塞式和螺杆柱塞混合式，不同的微注塑成型机适合不同微细结构零件的需求。根据零件的成本和尺寸等因素综合考虑选择合适的微注塑成型机。
微注塑成型的工艺与普通注塑成型相比，具有以下的优点：①提高了原材料利用率。由于显著缩小流道的尺寸，减小了流道残余原料的损失。②产品精度高。缩小的流道和浇口有利于提高制品的精度。③加工周期缩短。由于微型注塑，产品体积小，变温系统加快了制品的充模、冷却速度，大大减少了成型周期。
注塑过程中有一般七个控制因子，分别是注塑速度、保压时间、保压压强、高注塑时间、冷却温度、低注塑时间、低注塑压强。制造过程输出的质量特性同时受到工艺参数和噪声的影响，并产生质量波动。稳健性参数设计是通过选择较合适的可控因子，使输出的质量对噪声因子和可控因子的影响不敏感。影响制品性能的因子还有很多，本文选取对成型过程影响的四个主要因子，分别为注塑速度，冷却温度，保压压力，保压时间，进行工艺参数设计优化。
二、注塑成型优化方法
注塑成型模拟有两种造型方法：（l）旋转成型法：首先做出塑件剖面形状，再绕中心轴旋转，然后将多余的部分利用布尔差运算挖去。（2）逐层拉伸法：做出塑件每层外轮廓形状，然后逐层拉伸，在网格划分后需要较多厚度修正工作，否则将不能表达出滞流位置。
通过Moldflow模拟分析可以确定注塑工艺参数。Moldflow中的注塑工艺参数优化包括DOE模块和流动分析模块两种分析方法。DOE模块对塑料熔体和模具温度进行优化分析，但是不能对工艺参数进行优化分析，这是DOE模块存在的缺陷。DOE模块的优化分析是根据设置的变量情况，运用正交实验分析变量对塑件的影响，然后对模拟结果分析确定塑料熔体和模具温度。流动分析是对保压压力和注塑速率进行优化选择。该方法通过对充填时间、残余应力和体积收缩率分析比较确定优化的注塑工艺参数。
三、稳健性设计方法
关联度分析的稳健性设计方法对于动态难题更具有优越性。该方法避免了参数估计、假设等统计过程。注塑过程中有七个控制因子，分别是注塑速度、保压压强、保压时间、高注塑时间等，每个控制因子各有两个水平，希望找到它们之间的最好搭配，使响应变量对于噪声因子和可控因子变差的影响不敏感。试验选取保压压强作为信号因子。步骤如下：
（1）规范化将两组在不同噪音下得到的试验数据整理成输出矩阵，矩阵中的任意一列都对应某一信号因子在两种水平下的正交响应值。
（2）确定控制因子的参考序列，共有七个控制因子，每个控制因子有两个水平，所以一共有2的7次方中参考序列，最佳组合就是其中一种。
（3）求出差矩阵中的最大值与最小值，取ζ=0.5，计算关联系数矩阵和关联度序列。根据关联度计算式计算出关联度。
（4）稳健性分析根据各因素的方差波动占总波动的比例确定重要性次序。根据各因素的在两个水平的最大值可确定出注塑加工参数的稳健性组合。
四、多响应优化分析
多响应优化，从工程和数学角度来说，都是很复杂的问题。在确定最终的稳健性设计优化模型之前，首先，需要事先确定合适的稳健性设计方法；其次，要选定最佳的多响应优化技术；再次，以前面两者为基础，建立出相应的多响应稳健性优化模型。
建立多响应稳健性设计优化模型有两种思路：（1）多响应曲面拟和，将输出响应稳健性指标用信噪比代替，然后运用优化技术进行处理；（2）双响应曲面稳健性设计方法，将输出响应用稳健性指标用信噪比和输入变量代替，然后运用优化技术进行处理；
流动模块注塑工艺参数分析主要是对注射压力、保压压力、注射时间、保压时间进行优化选择。注射压力受塑件形状结构和流道粗糙度等因素的影响，所以充填阶段的注射压力是不可确定的因素。充填过程采用控制注射速率来控制充填过程，所以对注射速率参数优化选择而不能对注射压力和时间进行优化选择；充填完成后进入保压阶段，流动过程的控制就从注射速率控制进入压力控制。保压阶段对保压压力进行优化选择，而保压时间通过优化的保压压力可以确定。下面将通过对充填时间和残余应力等的分析来对注射速率进行优化选择。
注射速率指单位时间注入模腔内的树脂量，范围一般为145cm3/s到170cm3/s，以5cm3/s的变化设置的变量为145cm3/s、150cm3/s、155cm3/s、160cm3/s、165cm3/s、170cm3/s。然后从充填时间分析注塑速率对充填阶段的影响，以确定最佳注射速率。通过充填时间的比较分析可以找出最小充填时间所对应的注射速率，这时的注射速率从充填时间角度来说是最好的。
五、结论
①对塑件的成型性进行模拟分析，减少了后续的修改工作，加快了模具的设计周期，提高了模具设计结构的合理性，且模拟结果与实验数据据有较好的一致性。
②关联度分析建立动态特性的方法具有更高适应性，该方法简洁明了，避免了复杂的参数估计、假设检验等数理统计过程，实用性更强，结合工程实例进行设计分析验证了方法的正确性与可靠性。
③Moldflow数据库是通过测量宏观流体得出的，而熔体在高压力作用下，它的粘度可能会发生改变，本文模型在微注塑成型中并不适用，应该通过大量的实验数据建立更有效的模型。
参考文献：
【1】杨卫民.微注射成型技术国际最新发展与应用[J].塑料制造，2009（8）：49-56.
【2】吴波，王保山，李合增，等.微注射成型技术的现状与发展[J].机电产品开发与创新，2008，21（4）：17–21.
【3】瞿金平，黄汉雄，吴瞬英等.塑料工业手册：注塑！模压工艺与设备.北京：化学工业出版社，2001：5于55.
作者简介：
张晓莹（1993-）女，汉族，黑龙江佳木斯市人，单位：郑州大学力学与工程科学学院 研究方向：工程结构分析；
李健迪（1994-）男，汉族，辽宁葫芦岛人，单位：郑州大学力学与工程科学学院 研究方向：工程结构分析。
关键词：稳健性；微注塑；信噪比；可控因子；优化设计；
引言：
随着高科技的迅速发展，精密化已成为产品发展的趋势。微型机械大大减少材料的消耗，可移动化等。随微小型产品的需求，对微小零件的生产效率和加工精度等方面的要求也越来越严格。目前，微尺度研究远落后于微注塑成型工艺的研究，严重影响模具的设计以及微注塑成型技术的产业化发展。微型化注塑成型技术，不但具有传统注塑充模流动的特点，而且熔体流动剪切速率较传统注塑高。
对此，本文研究微注塑模具设计与制造的关键技术，进行注塑稳健性分析具有重要理论指导意义。
一、微注塑成型模拟理论基础
注塑工艺参数包括模具温度、注射压力、保压压力、注射时间等。在注塑成型过程中，注塑成型工艺参数对塑件注塑成型后的成型周期、塑件质量、体积收缩率等有着较大的影响。其中模具温度直接影响熔体在型腔内的流动情况，也会影响制品的生产效率和质量。如果模温过高会降低生产效率；如果温过低会造成接痕缺陷等。
微注塑过程包括塑化、计量和注塑三部分。微注塑机按单元设计分为螺杆式、柱塞式和螺杆柱塞混合式，不同的微注塑成型机适合不同微细结构零件的需求。根据零件的成本和尺寸等因素综合考虑选择合适的微注塑成型机。
微注塑成型的工艺与普通注塑成型相比，具有以下的优点：①提高了原材料利用率。由于显著缩小流道的尺寸，减小了流道残余原料的损失。②产品精度高。缩小的流道和浇口有利于提高制品的精度。③加工周期缩短。由于微型注塑，产品体积小，变温系统加快了制品的充模、冷却速度，大大减少了成型周期。
注塑过程中有一般七个控制因子，分别是注塑速度、保压时间、保压压强、高注塑时间、冷却温度、低注塑时间、低注塑压强。制造过程输出的质量特性同时受到工艺参数和噪声的影响，并产生质量波动。稳健性参数设计是通过选择较合适的可控因子，使输出的质量对噪声因子和可控因子的影响不敏感。影响制品性能的因子还有很多，本文选取对成型过程影响的四个主要因子，分别为注塑速度，冷却温度，保压压力，保压时间，进行工艺参数设计优化。
二、注塑成型优化方法
注塑成型模拟有两种造型方法：（l）旋转成型法：首先做出塑件剖面形状，再绕中心轴旋转，然后将多余的部分利用布尔差运算挖去。（2）逐层拉伸法：做出塑件每层外轮廓形状，然后逐层拉伸，在网格划分后需要较多厚度修正工作，否则将不能表达出滞流位置。
通过Moldflow模拟分析可以确定注塑工艺参数。Moldflow中的注塑工艺参数优化包括DOE模块和流动分析模块两种分析方法。DOE模块对塑料熔体和模具温度进行优化分析，但是不能对工艺参数进行优化分析，这是DOE模块存在的缺陷。DOE模块的优化分析是根据设置的变量情况，运用正交实验分析变量对塑件的影响，然后对模拟结果分析确定塑料熔体和模具温度。流动分析是对保压压力和注塑速率进行优化选择。该方法通过对充填时间、残余应力和体积收缩率分析比较确定优化的注塑工艺参数。
三、稳健性设计方法
关联度分析的稳健性设计方法对于动态难题更具有优越性。该方法避免了参数估计、假设等统计过程。注塑过程中有七个控制因子，分别是注塑速度、保压压强、保压时间、高注塑时间等，每个控制因子各有两个水平，希望找到它们之间的最好搭配，使响应变量对于噪声因子和可控因子变差的影响不敏感。试验选取保压压强作为信号因子。步骤如下：
（1）规范化将两组在不同噪音下得到的试验数据整理成输出矩阵，矩阵中的任意一列都对应某一信号因子在两种水平下的正交响应值。
（2）确定控制因子的参考序列，共有七个控制因子，每个控制因子有两个水平，所以一共有2的7次方中参考序列，最佳组合就是其中一种。
（3）求出差矩阵中的最大值与最小值，取ζ=0.5，计算关联系数矩阵和关联度序列。根据关联度计算式计算出关联度。
（4）稳健性分析根据各因素的方差波动占总波动的比例确定重要性次序。根据各因素的在两个水平的最大值可确定出注塑加工参数的稳健性组合。
四、多响应优化分析
多响应优化，从工程和数学角度来说，都是很复杂的问题。在确定最终的稳健性设计优化模型之前，首先，需要事先确定合适的稳健性设计方法；其次，要选定最佳的多响应优化技术；再次，以前面两者为基础，建立出相应的多响应稳健性优化模型。
建立多响应稳健性设计优化模型有两种思路：（1）多响应曲面拟和，将输出响应稳健性指标用信噪比代替，然后运用优化技术进行处理；（2）双响应曲面稳健性设计方法，将输出响应用稳健性指标用信噪比和输入变量代替，然后运用优化技术进行处理；
流动模块注塑工艺参数分析主要是对注射压力、保压压力、注射时间、保压时间进行优化选择。注射压力受塑件形状结构和流道粗糙度等因素的影响，所以充填阶段的注射压力是不可确定的因素。充填过程采用控制注射速率来控制充填过程，所以对注射速率参数优化选择而不能对注射压力和时间进行优化选择；充填完成后进入保压阶段，流动过程的控制就从注射速率控制进入压力控制。保压阶段对保压压力进行优化选择，而保压时间通过优化的保压压力可以确定。下面将通过对充填时间和残余应力等的分析来对注射速率进行优化选择。
注射速率指单位时间注入模腔内的树脂量，范围一般为145cm3/s到170cm3/s，以5cm3/s的变化设置的变量为145cm3/s、150cm3/s、155cm3/s、160cm3/s、165cm3/s、170cm3/s。然后从充填时间分析注塑速率对充填阶段的影响，以确定最佳注射速率。通过充填时间的比较分析可以找出最小充填时间所对应的注射速率，这时的注射速率从充填时间角度来说是最好的。
五、结论
①对塑件的成型性进行模拟分析，减少了后续的修改工作，加快了模具的设计周期，提高了模具设计结构的合理性，且模拟结果与实验数据据有较好的一致性。
②关联度分析建立动态特性的方法具有更高适应性，该方法简洁明了，避免了复杂的参数估计、假设检验等数理统计过程，实用性更强，结合工程实例进行设计分析验证了方法的正确性与可靠性。
③Moldflow数据库是通过测量宏观流体得出的，而熔体在高压力作用下，它的粘度可能会发生改变，本文模型在微注塑成型中并不适用，应该通过大量的实验数据建立更有效的模型。
参考文献：
【1】杨卫民.微注射成型技术国际最新发展与应用[J].塑料制造，2009（8）：49-56.
【2】吴波，王保山，李合增，等.微注射成型技术的现状与发展[J].机电产品开发与创新，2008，21（4）：17–21.
【3】瞿金平，黄汉雄，吴瞬英等.塑料工业手册：注塑！模压工艺与设备.北京：化学工业出版社，2001：5于55.
作者简介：
张晓莹（1993-）女，汉族，黑龙江佳木斯市人，单位：郑州大学力学与工程科学学院 研究方向：工程结构分析；
李健迪（1994-）男，汉族，辽宁葫芦岛人，单位：郑州大学力学与工程科学学院 研究方向：工程结构分析。