Pròleg
Amb el desenvolupament de la tecnologia d’ultrasons, la seva aplicació és cada vegada més extensa, es pot utilitzar per netejar partícules de brutícia minúscules i també es pot utilitzar per soldar metall o plàstic. Especialment en els productes plàstics actuals, s’utilitza majoritàriament soldadura ultrasònica, perquè s’omet l’estructura del cargol, l’aspecte pot ser més perfecta i també es proporciona la funció de impermeabilització i impermeabilització de pols. El disseny de la trompa de soldadura de plàstic té un impacte important en la qualitat i la capacitat de producció de soldadura finals. En la producció de nous comptadors elèctrics, s’utilitzen ones d’ultrasons per fusionar les cares superiors i inferiors. Tanmateix, durant l’ús, es troba que algunes eines s’instal·len a la màquina i s’esquerden i altres fallades es produeixen en un curt període de temps. Alguns productes de soldadura d’eines La taxa de defecte és elevada. Diverses falles han tingut un impacte considerable en la producció. Segons la comprensió, els proveïdors d’equips tenen limitades capacitats de disseny per a eines i sovint mitjançant reparacions repetides per aconseguir indicadors de disseny. Per tant, cal utilitzar els nostres propis avantatges tecnològics per desenvolupar eines dures i un mètode de disseny raonable.
2 Principi de soldadura per plàstic ultrasònic
La soldadura plàstica ultrasònica és un mètode de processament que utilitza la combinació de termoplàstics en la vibració forçada de l’alta freqüència i les superfícies de soldadura es freguen les unes contra les altres per produir una fusió local d’alta temperatura. Per aconseguir bons resultats de soldadura per ultrasons, es requereixen els equips, els materials i els paràmetres de procés. A continuació es mostra una breu introducció al seu principi.
2.1 Sistema de soldadura de plàstic ultrasònic
La figura 1 és una visió esquemàtica d’un sistema de soldadura. L’energia elèctrica es passa pel generador de senyal i l’amplificador de potència per produir un senyal elèctric altern de freqüència d’ultrasons (> 20 kHz) que s’aplica al transductor (ceràmica piezoelèctrica). A través del transductor, l’energia elèctrica es converteix en l’energia de la vibració mecànica i l’amplitud de la vibració mecànica s’ajusta per la trompa a l’amplitud de treball adequada i, a continuació, es transmet uniformement al material en contacte amb ella a través del cap de l’eina (eines de soldadura). Les superfícies de contacte dels dos materials de soldadura estan sotmeses a vibracions forçades d’alta freqüència i la calor de fricció genera una fusió local d’alta temperatura. Després del refredament, els materials es combinen per aconseguir soldadura.
En un sistema de soldadura, la font de senyal és una part del circuit que conté un circuit d’amplificador de potència la freqüència de freqüència i la capacitat d’accionament afecten el rendiment de la màquina. El material és un termoplàstic i el disseny de la superfície de l’articulació ha de considerar com generar ràpidament calor i moll. Els transductors, les banyes i els capçals d’eines poden ser considerats estructures mecàniques per a una fàcil anàlisi de l’acoblament de les seves vibracions. En la soldadura de plàstic, la vibració mecànica es transmet en forma d’ones longitudinals. Com transferir de manera efectiva l’energia i ajustar l’amplitud és el punt principal de disseny.
2.2 Cap de l’eina (eina de soldadura)
El cap de l’eina serveix com a interfície de contacte entre la màquina de soldadura d’ultrasons i el material. La seva funció principal és transmetre la vibració mecànica longitudinal sortida pel variador de manera uniforme i eficaç al material. El material utilitzat sol ser aliatge d’alumini d’alta qualitat o fins i tot aliatge de titani. Com que el disseny de materials plàstics canvia molt, l’aspecte és molt diferent i el cap de l’eina ha de canviar en conseqüència. La forma de la superfície de treball ha de ser ben combinada amb el material, per no danyar el plàstic quan vibri; Al mateix temps, la primera freqüència sòlida de vibracions longitudinals s’ha de coordinar amb la freqüència de sortida de la màquina de soldadura, en cas contrari l’energia de vibració es consumirà internament. Quan el cap de l’eina vibra, es produeix una concentració d’estrès local. Com optimitzar aquestes estructures locals també és una consideració de disseny. Aquest article explora com aplicar els caps d’eines de disseny ANSYS per optimitzar els paràmetres de disseny i les toleràncies de fabricació.
3 Disseny d'eines de soldadura
Com s'ha esmentat anteriorment, el disseny de l'eina de soldadura és força important. Hi ha molts proveïdors d’equips d’ultrasons a la Xina que produeixen les seves pròpies eines de soldadura, però una part considerable d’ells són imitacions i, a continuació, s’estan retallant i provant constantment. Mitjançant aquest mètode d’ajust repetit, s’aconsegueix la coordinació de l’eina i la freqüència d’equips. En aquest treball, el mètode d’elements finits es pot utilitzar per determinar la freqüència a l’hora de dissenyar l’eina. El resultat de la prova d’eines i l’error de freqüència de disseny són només l’1%. Al mateix temps, aquest treball introdueix el concepte de DFSS (disseny per a Six Sigma) per optimitzar i el disseny robust de les eines. El concepte de disseny de 6 - Sigma és recollir completament la veu del client en el procés de disseny per al disseny orientat; i consideració prèvia de possibles desviacions en el procés de producció per assegurar -se que la qualitat del producte final es distribueix a un nivell raonable. El procés de disseny es mostra a la figura 2. A partir del desenvolupament dels indicadors de disseny, l'estructura i les dimensions de l'eina es dissenyen inicialment segons l'experiència existent. El model paramètric s’estableix a ANSYS i, a continuació, el model es determina mitjançant el mètode de disseny d’experiment de simulació (DOE). Els paràmetres importants, segons els requisits robustos, determinen el valor i, a continuació, utilitzeu el mètode de problema per optimitzar altres paràmetres. Tenint en compte la influència dels materials i els paràmetres ambientals durant la fabricació i l’ús de l’eina, també s’ha dissenyat amb toleràncies per satisfer els requisits dels costos de fabricació. Finalment, el disseny de la teoria de la fabricació, les proves i les proves i l’error real, per complir els indicadors de disseny que es lliuren. El següent pas - per - Pas Introducció detallada.
3.1 Disseny de forma geomètrica (establir un model paramètric)
El disseny de l’eina de soldadura determina primer la seva forma i estructura geomètriques aproximades i estableix un model paramètric per a anàlisis posteriors. La figura 3 a) és el disseny de les eines de soldadura més comunes, en què s’obren un nombre de solcs en forma d’U en la direcció de la vibració sobre un material d’aproximadament cuboide. Les dimensions generals són les longituds de les direccions x, y i z, i les dimensions laterals x i y són generalment comparables a la mida de la peça de treball soldada. La longitud de z és igual a la mitja longitud d’ona de l’ona ultrasònica, perquè en la teoria de les vibracions clàssiques, la primera freqüència axial d’ordre de l’objecte allargat es determina per la seva longitud i la longitud de mitja - onada es combina exactament amb la freqüència d’ona acústica. Aquest disseny s’ha ampliat. L’ús, és beneficiós per a la propagació de les ones sonores. L’objectiu de la ranura en forma d’U és reduir la pèrdua de vibració lateral de l’eina. La posició, la mida i el nombre es determinen segons la mida global de l’eina. Es pot veure que en aquest disseny hi ha menys paràmetres que es poden regular lliurement, de manera que hem millorat sobre aquesta base. La figura 3 b) és una eina de nova disseny que té un paràmetre de mida més que el disseny tradicional: el radi d’arc exterior R. A més, la ranura està gravada a la superfície de treball de l’eina per cooperar amb la superfície de la peça de plàstic, que és beneficiós per transmetre energia de vibració i protegir la peça de treball dels danys. Aquest model es modelitza rutinàriament paramètricament a ANSYS i, a continuació, el següent disseny experimental.
3.2 Disseny experimental de DOE (determinació de paràmetres importants)
DFSS està creat per resoldre problemes d'enginyeria pràctica. No persegueix la perfecció, però és eficaç i robust. Encarna la idea de 6 - sigma, capta la contradicció principal i abandona el "99,97%", alhora que requereix que el disseny sigui força resistent a la variabilitat ambiental. Per tant, abans de fer l’optimització de paràmetres objectiu, s’hauria de seleccionar primer i s’hauria de seleccionar la mida que té una influència important en l’estructura i els seus valors s’han de determinar segons el principi de robustesa.
3.2.1 Configuració de paràmetres DOE i DOE
Els paràmetres de disseny són la forma d’eina i la posició de la mida de la ranura en forma d’U, etc., un total de vuit. El paràmetre objectiu és la primera freqüència de vibració axial de l'ordre perquè té la major influència en la soldadura i la tensió concentrada màxima i la diferència en l'amplitud de la superfície de treball són limitades com a variables d'estat. A partir de l’experiència, se suposa que l’efecte dels paràmetres sobre els resultats és lineal, de manera que cada factor només s’estableix en dos nivells, alts i baixos. La llista de paràmetres i noms corresponents és la següent.
DOE es realitza a ANSYS mitjançant el model paramètric establert anteriorment. A causa de les limitacions del programari, DOE complet de factor només pot utilitzar fins a 7 paràmetres, mentre que el model té 8 paràmetres, i l’anàlisi d’Ansys sobre els resultats de DOE no és tan completa com el programari professional 6 - sigma i no pot gestionar la interacció. Per tant, utilitzem APDL per escriure un bucle DOE per calcular i extreure els resultats del programa i, a continuació, posar les dades a MINITAB per a l’anàlisi.
3.2.2 Anàlisi dels resultats de DOE
L’anàlisi DOE de Minitab es mostra a la figura 4 i inclou l’anàlisi principal de factors d’influència i anàlisi d’interacció. L’anàlisi principal del factor d’influència s’utilitza per determinar quins canvis variables de disseny tenen un impacte més gran en la variable objectiu, indicant així quines són les variables de disseny importants. A continuació, s'analitza la interacció entre els factors per determinar el nivell dels factors i reduir el grau d'acoblament entre les variables de disseny. Compareu el grau de canvi d’altres factors quan un factor de disseny és alt o baix. Segons l’axioma independent, el disseny òptim no s’acobla els uns als altres, de manera que escolliu el nivell menys variable.
Els resultats d’anàlisi de l’eina de soldadura d’aquest treball són: Els paràmetres importants de disseny són el radi d’arc exterior i l’amplada de la ranura de l’eina. El nivell d’ambdós paràmetres és “alt”, és a dir, el radi té un valor més gran a la DOE, i l’amplada de la ranura també té un valor més gran. Els paràmetres importants i els seus valors es van determinar, i després es van utilitzar diversos paràmetres per optimitzar el disseny a ANSYS per ajustar la freqüència d’eines per adaptar -se a la freqüència de funcionament de la màquina de soldadura. El procés d’optimització és el següent.
3.3 Optimització de paràmetres de destinació (freqüència d'eines)
La configuració de paràmetres de l’optimització del disseny és similar a la del DOE. La diferència és que s’han determinat els valors de dos paràmetres importants i els altres tres paràmetres estan relacionats amb les propietats del material, que es consideren soroll i no es poden optimitzar. Els tres paràmetres restants que es poden ajustar són la posició axial de la ranura, la longitud i l'amplada de l'eina. L’optimització utilitza el mètode d’aproximació del subproblema a ANSYS, que és un mètode àmpliament utilitzat en problemes d’enginyeria i s’omet el procés específic.
Val la pena assenyalar que l’ús de la freqüència com a variable objectiu requereix una mica d’habilitat en funcionament. Com que hi ha molts paràmetres de disseny i una àmplia gamma de variacions, els modes de vibració de l’eina són molts en el rang d’interès de freqüència. Si s’utilitza directament el resultat de l’anàlisi modal, és difícil trobar el primer mode axial de l’ordre, perquè es pot produir la seqüència modal de la seqüència quan els paràmetres canvien, és a dir, l’ordinal de freqüència natural corresponent al mode original canvia. Per tant, aquest treball adopta primer l’anàlisi modal i després utilitza el mètode de superposició modal per obtenir la corba de resposta de freqüència. En trobar el valor màxim de la corba de resposta de freqüència, pot assegurar la freqüència modal corresponent. Això és molt important en el procés d’optimització automàtica, eliminant la necessitat de determinar manualment la modalitat.
Un cop finalitzada l’optimització, la freqüència de treball de disseny de l’eina pot estar molt a prop de la freqüència de destinació i l’error és inferior al valor de tolerància especificat a l’optimització. Arribats a aquest punt, el disseny d’eines es determina bàsicament, seguit de les toleràncies de fabricació per al disseny de la producció.
3.4 Disseny de tolerància
El disseny estructural general es completa després que s’han determinat tots els paràmetres de disseny, però per a problemes d’enginyeria, sobretot quan es considera el cost de la producció massiva, el disseny de tolerància és essencial. El cost de baixa precisió també es redueix, però la capacitat de complir les mètriques de disseny requereix càlculs estadístics per a càlculs quantitatius. El sistema de disseny de probabilitats PDS a ANSYS pot analitzar millor la relació entre la tolerància dels paràmetres de disseny i la tolerància dels paràmetres objectiu i pot generar fitxers d’informes relacionats complets.
3.4.1 Configuració i càlcul de paràmetres PDS
Segons la idea DFSS, l’anàlisi de la tolerància s’ha de realitzar en paràmetres de disseny importants i es poden determinar empíricament altres toleràncies generals. La situació d’aquest treball és força especial, perquè segons la capacitat del mecanitzat, la tolerància a la fabricació dels paràmetres de disseny geomètric és molt petita i té poc efecte en la freqüència d’eines final; Si bé els paràmetres de les matèries primeres són molt diferents a causa dels proveïdors, i el preu de les matèries primeres representa més del 80% dels costos de processament d’eines. Per tant, és necessari establir un rang de tolerància raonable per a les propietats del material. Les propietats materials rellevants aquí són la densitat, el mòdul d’elasticitat i la velocitat de la propagació de l’ona sonora.
L’anàlisi de la tolerància utilitza la simulació aleatòria de Montecarlo a ANSYS per tastar el mètode d’hipercubs llatí perquè pot fer que la distribució de punts de mostreig sigui més uniforme i raonable, i obtenir una millor correlació per menys punts. Aquest article estableix 30 punts. Suposem que les toleràncies dels tres paràmetres de material es distribueixen segons Gauss, inicialment donat un límit superior i inferior, i després es calculen a ANSYS.
3.4.2 Anàlisi dels resultats de PDS
Mitjançant el càlcul de PDS, es donen els valors de la variable objectiu corresponents a 30 punts de mostreig. Es desconeix la distribució de les variables objectiu. Els paràmetres s’ajusten de nou mitjançant el programari MINITAB i la freqüència es distribueix bàsicament segons la distribució normal. D’aquesta manera es garanteix la teoria estadística de l’anàlisi de la tolerància.
El càlcul PDS proporciona una fórmula d’adaptació de la variable de disseny a l’expansió de tolerància de la variable objectiu: on y és la variable objectiu, x és la variable de disseny, C és el coeficient de correlació i I és el nombre variable.
Segons això, la tolerància objectiu es pot assignar a cada variable de disseny per completar la tasca del disseny de tolerància.
3.5 Verificació experimental
La part frontal és el procés de disseny de tota l’eina de soldadura. Després de la finalització, les matèries primeres es compren segons les toleràncies de materials permeses pel disseny i després es lliuren a la fabricació. Les proves de freqüència i modal es realitzen un cop finalitzada la fabricació i el mètode de prova utilitzat és el mètode de prova de franctirador més senzill i eficaç. Com que l’índex més afectat és la primera freqüència modal axial d’ordre, el sensor d’acceleració s’uneix a la superfície de treball i l’altre extrem es colpeja al llarg de la direcció axial i la freqüència real de l’eina es pot obtenir mitjançant anàlisis espectrals. El resultat de la simulació del disseny és de 14925 Hz, el resultat de la prova és de 14954 Hz, la resolució de freqüència és de 16 Hz i l’error màxim és inferior a l’1%. Es pot veure que la precisió de la simulació d'elements finits en el càlcul modal és molt alta.
Després de passar la prova experimental, l’eina es posa en producció i muntatge a la màquina de soldadura d’ultrasons. La condició de reacció és bona. El treball ha estat estable des de fa més de mig any i la taxa de qualificació de soldadura és elevada, cosa que ha superat la vida útil de tres mesos promesa pel fabricant general d’equips. Això demostra que el disseny té èxit i que el procés de fabricació no s’ha modificat i ajustat repetidament, estalviant temps i mà d’obra.
4 Conclusió
Aquest treball comença amb el principi de soldadura plàstica d’ultrasons, agafa profundament l’enfocament tècnic de la soldadura i proposa el concepte de disseny de les noves eines. A continuació, utilitzeu la potent funció de simulació de l’element finit per analitzar el disseny concretament i introduïu la idea de disseny 6 - sigma de DFSS, i controleu els paràmetres de disseny importants mitjançant el disseny experimental i l’anàlisi de tolerància PDS per aconseguir un disseny robust. Finalment, l’eina es va fabricar amb èxit una vegada i el disseny va ser raonable mitjançant la prova de freqüència experimental i la verificació de producció real. També demostra que aquest conjunt de mètodes de disseny és factible i eficaç.
Hora del missatge: nov - 04 - 2020