Předmluva
S vývojem ultrazvukové technologie je její aplikace stále rozsáhlejší, může být použita k čištění malých částic nečistot a lze jej také použít pro svařování kovu nebo plastu. Zejména v dnešních plastových výrobcích se většinou používá ultrazvukové svařování, protože struktura šroubů je vynechána, vzhled může být dokonalejší a je také poskytnuta funkce hydroizolace a prachového odolností. Konstrukce plastového svařovacího rohu má důležitý dopad na konečnou kvalitu svařování a výrobní kapacitu. Při výrobě nových elektrických metrů se ultrazvukové vlny používají k pojistce horních a dolních ploch dohromady. Během používání se však zjistí, že na stroji jsou instalovány některé nástroje a v krátkém časovém období dochází k prasklým a dalším selháním. Některé produkty svařování nástrojů Rychlost vady je vysoká. Různé chyby měly značný dopad na výrobu. Podle porozumění mají dodavatelé zařízení omezené možnosti návrhu pro nástroje a často prostřednictvím opakovaných oprav k dosažení ukazatelů návrhu. Proto je nutné využít naše vlastní technologické výhody k vývoji odolných nástrojů a rozumné metody návrhu.
2 Princip ultrazvukového plastového svařování
Ultrazvukové plastové svařování je metoda zpracování, která využívá kombinaci termoplastů ve vysoké frekvenční nucené vibraci a svařovací povrchy se otírají o sebe, aby se vytvořily lokální vysokovou teplotu. Aby bylo dosaženo dobrých výsledků ultrazvuku, je vyžadována zařízení, materiály a procesní parametry. Následuje krátký úvod do jeho principu.
2.1 Ultrazvukový plastový svařovací systém
Obrázek 1 je schematický pohled na svařovací systém. Elektrická energie prochází generátorem signálu a výkonovému zesilovači, aby se vytvořil střídavý elektrický signál ultrazvukové frekvence (> 20 kHz), který je aplikován na převodník (piezoelektrická keramika). Prostřednictvím převodníku se elektrická energie stává energií mechanických vibrací a amplituda mechanických vibrací je rohem upravena na příslušnou pracovní amplitudu a poté rovnoměrně přenášena do kontaktu s hlavou nástroje (svařovací nástroje). Kontaktní povrchy dvou svařovacích materiálů jsou podrobeny vysokofrekvenční frekvenční vibraci a tření generuje lokální vysokoteplotní tání. Po ochlazení jsou materiály kombinovány k dosažení svařování.
Ve svařovacím systému je zdrojem signálu součástí obvodu, která obsahuje obvod výkonu zesilovače, jehož stabilita frekvence a schopnost pohonu ovlivňují výkon stroje. Materiál je termoplastický a konstrukce povrchu kloubu musí zvážit, jak rychle generovat teplo a doku. Převodníky, rohy a hlavy nástrojů lze považovat za mechanické struktury pro snadnou analýzu spojování jejich vibrací. Při plastovém svařování se mechanické vibrace přenášejí ve formě podélných vln. Jak efektivně přenášet energii a upravit amplitudu, je hlavním bodem návrhu.
2.2 Hlava nástroje (svařovací nástroje)
Hlava nástroje slouží jako kontaktní rozhraní mezi ultrazvukovým svařovacím strojem a materiálem. Jeho hlavní funkcí je přenášet podélné mechanické vibrace vystoupené variátorem rovnoměrně a efektivně na materiál. Použitý materiál je obvykle vysoce kvalitní slitina hliníku nebo dokonce titanové slitiny. Protože se design plastových materiálů hodně mění, vzhled je velmi odlišný a hlava nástroje se musí podle toho změnit. Tvar pracovní plochy by měl být dobře spojen s materiálem, aby nedošlo k poškození plastu při vibraci; Současně by měla být první frekvence podélných vibrací - - # objednávka podélným vibracím koordinována s výstupní frekvencí svařovacího stroje, jinak bude vibrační energie spotřebována interně. Když hlava nástroje vibruje, dojde k místní koncentraci napětí. Jak optimalizovat tyto místní struktury je také návrh. Tento článek zkoumá, jak aplikovat hlavy návrhu nástrojů ANSYS k optimalizaci parametrů návrhu a výrobních tolerance.
3 Design svařování nástrojů
Jak již bylo zmíněno dříve, návrh svařovacího nástroje je docela důležitý. V Číně je mnoho dodavatelů ultrazvukových zařízení, kteří produkují své vlastní svařovací nástroje, ale značnou součástí jsou napodobeniny a poté neustále oříznou a testují. Prostřednictvím této opakované metody nastavení je dosaženo koordinace nástrojů a frekvence zařízení. V tomto článku lze metodu konečných prvků použít k určení frekvence při navrhování nástroje. Výsledek testu nástroje a chyba frekvence návrhu jsou pouze 1%. Současně tento článek představuje koncept DFSS (Design for Six Sigma) pro optimalizaci a robustní návrh nástrojů. Koncept designu 6 - Sigma je plně shromažďovat hlas zákazníka v procesu návrhu cíleného designu; a předběžné zvážení možných odchylek ve výrobním procesu, aby bylo zajištěno, že kvalita konečného produktu bude distribuována na přiměřené úrovni. Proces návrhu je znázorněn na obrázku 2. Počínaje vývojem indikátorů návrhu, struktura a rozměry nástroje jsou původně navrženy podle stávající zkušenosti. Parametrický model je stanoven v ANSYS a poté je model určen metodou návrhu simulačního experimentu (DOE). Důležité parametry podle robustních požadavků určují hodnotu a poté použijte metodu problému sub - k optimalizaci dalších parametrů. S ohledem na vliv materiálů a environmentálních parametrů během výroby a používání nástrojů byl také navržen s tolerancemi, aby splňoval požadavky výrobních nákladů. Konečně, návrh výroby, testování a testování a skutečné chyby, aby splnil indikátory návrhu, které jsou dodávány. Následující krok - Podrobným úvodem kroku.
3.1 Konstrukce geometrického tvaru (vytvoření parametrického modelu)
Navrhování svařovacího nástroje nejprve určuje jeho přibližný geometrický tvar a strukturu a stanoví parametrický model pro následnou analýzu. Obrázek 3 a) je návrh nejběžnějšího svařovacího nástroje, ve kterém se ve směru vibrací na materiálu přibližně kvádského materiálu otevírá řada drážky tvaru U -. Celkové rozměry jsou délky směrů X, Y a Z a laterální rozměry x a y jsou obecně srovnatelné s velikostí svařování obrobku. Délka Z je rovná poloviční vlnové délce ultrazvukové vlny, protože v teorii klasických vibrací je první - axiální frekvence prodlouženého objektu určena jeho délkou a délka vlny poloviny je přesně odpovídá frekvenci akustické vlny. Tento design byl prodloužen. Použití, je prospěšné pro šíření zvukových vln. Účelem drážky ve tvaru U - je snížení ztráty laterálních vibrací nástroje. Poloha, velikost a číslo jsou stanoveny podle celkové velikosti nástroje. Je vidět, že v tomto návrhu existuje méně parametrů, které lze volně regulovat, takže jsme na tomto základě provedli vylepšení. Obrázek 3 b) je nově navržený nástroj, který má o další velikost parametru než tradiční design: vnější oblouk R. Kromě toho je drážce vyryta na pracovní ploše nástroje pro spolupráci s povrchem plastového obrobku, což je výhodné pro přenos vibrační energie a ochranu obrobku před poškozením. Tento model je rutinně parametricky modelován v ANSYS a poté další experimentální design.
3.2 DOE experimentální návrh (stanovení důležitých parametrů)
DFSS je vytvořen k řešení praktických inženýrských problémů. Nevypouští dokonalost, ale je efektivní a robustní. Ztělesňuje myšlenku 6 - Sigma, zachycuje hlavní rozpor a opouští „99,97%“, přičemž vyžaduje, aby návrh byl docela odolný vůči variabilitě prostředí. Proto by před provedením optimalizace cílového parametru měla být nejprve prověřena a velikost, která má důležitý vliv na strukturu, by měla být vybrána a jejich hodnoty by měly být stanoveny podle principu robustnosti.
3.2.1 Nastavení parametrů DOE a DOE
Parametry návrhu jsou tvar nástrojů a velikost polohy drážky ve tvaru U -, celkem osm. Cílový parametr je první axiální vibrační frekvence - - # řádný, protože má největší vliv na svar a maximální koncentrovaný napětí a rozdíl v amplitudě pracovní plochy jsou omezené jako stavové proměnné. Na základě zkušeností se předpokládá, že účinek parametrů na výsledky je lineární, takže každý faktor je nastaven pouze na dvě úrovně, vysoký a nízký. Seznam parametrů a odpovídajících jmen je následující.
DOE se provádí v ANSYS pomocí dříve zavedeného parametrického modelu. Vzhledem k omezením softwaru může Full - Factor DOE použít pouze až 7 parametrů, zatímco model má 8 parametrů a analýza výsledků DOE není tak komplexní jako profesionální software 6 - Sigma a nemůže zpracovávat interakci. Proto používáme APDL k napsání smyčky DOE pro výpočet a extrahování výsledků programu a poté vložením dat do Minitab pro analýzu.
3.2.2 Analýza výsledků DOE
Analýza DOE Minitab je znázorněna na obrázku 4 a zahrnuje hlavní analýzu faktorů ovlivňujících faktory a analýzu interakce. Hlavní analýza faktoru ovlivňujícího se se používá k určení, které změny proměnné konstrukce mají větší dopad na cílovou proměnnou, což ukazuje, které jsou důležité konstrukční proměnné. Interakce mezi faktory je poté analyzována za účelem stanovení úrovně faktorů a ke snížení stupně vazby mezi konstrukčními proměnnými. Porovnejte stupeň změny dalších faktorů, když je konstrukční faktor vysoký nebo nízký. Podle The Independent Axiom není optimální design vzájemně spojen, proto si vyberte úroveň, která je méně proměnná.
Výsledky analýzy svařovacího nástroje v tomto článku jsou: důležitými parametry návrhu jsou poloměr vnějšího oblouku a šířka slotů nástroje. Úroveň obou parametrů je „vysoká“, tj. Poloměr má větší hodnotu v DOE a šířka drážky také vyžaduje větší hodnotu. Byly stanoveny důležité parametry a jejich hodnoty a poté bylo použito několik dalších parametrů k optimalizaci návrhu v ANSYS pro úpravu frekvence nástrojů tak, aby odpovídala provozní frekvenci svařovacího stroje. Proces optimalizace je následující.
3.3 Optimalizace cílových parametrů (frekvence nástrojů)
Nastavení parametrů optimalizace návrhu je podobné nastavení DOE. Rozdíl je v tom, že byly stanoveny hodnoty dvou důležitých parametrů a další tři parametry souvisejí s vlastnostmi materiálu, které jsou považovány za hluk a nelze je optimalizovat. Zbývající tři parametry, které lze upravit, jsou axiální poloha slotu, délky a šířky nástrojů. Optimalizace používá metodu aproximační metody v ANSYS, což je široce používanou metodou v technických problémech, a konkrétní proces je vynechán.
Stojí za zmínku, že použití frekvence jako cílové proměnné vyžaduje malou dovednost v provozu. Protože existuje mnoho návrhových parametrů a široká škála variací, vibrační režimy nástroje jsou ve frekvenčním rozsahu zájmu mnoho. Pokud je výsledek modální analýzy přímo použit, je obtížné najít první axiální režim - objednávky, protože při změně parametrů může dojít k prokládání modální sekvence, tj. Přirozená frekvenční pořadí odpovídající změně původního režimu. Proto tento článek nejprve přijme modální analýzu a poté použije metodu modální superpozice k získání křivky frekvenční odezvy. Nalezením maximální hodnoty křivky frekvenční odezvy může zajistit odpovídající modální frekvenci. To je velmi důležité v procesu automatické optimalizace, což eliminuje potřebu ručně určit modalitu.
Po dokončení optimalizace může být pracovní frekvence návrhu nástroje velmi blízko cílové frekvenci a chyba je menší než hodnota tolerance uvedená v optimalizaci. V tomto okamžiku je návrh nástrojů v zásadě určen a následuje výrobní tolerance pro návrh výroby.
3.4 Design tolerance
Obecný strukturální design je dokončen poté, co byly stanoveny všechny návrhové parametry, ale pro technické problémy, zejména při zvažování nákladů na hromadnou výrobu, je nezbytný návrh tolerance. Náklady na nízkou přesnost jsou také sníženy, ale schopnost splňovat metriky návrhu vyžaduje statistické výpočty pro kvantitativní výpočty. Systém návrhu pravděpodobnosti PDS v ANSYS může lépe analyzovat vztah mezi tolerancí parametru návrhu a tolerancí cílového parametru a může generovat úplné související soubory sestav.
3.4.1 Nastavení a výpočty parametrů PDS
Podle myšlenky DFSS by měla být provedena analýza tolerance na důležitých návrhových parametrech a další obecné tolerance lze určit empiricky. Situace v tomto článku je poměrně zvláštní, protože podle schopnosti obrábění je výrobní tolerance geometrických návrhových parametrů velmi malá a má malý vliv na konečnou frekvenci nástrojů; Zatímco parametry surovin se velmi liší kvůli dodavatelům a cena surovin představuje více než 80% nákladů na zpracování nástrojů. Proto je nutné nastavit přiměřený rozsah tolerance pro vlastnosti materiálu. Relevantní vlastnosti materiálu jsou zde hustota, modul pružnosti a rychlost šíření zvukové vlny.
Analýza tolerance používá náhodnou simulaci Monte Carlo v ANSYS k vzorkování metody latinské hypercube, protože může zvětšit distribuci vzorkovacích bodů jednotnější a přiměřenější a získat lepší korelaci o méně bodů. Tento článek nastaví 30 bodů. Předpokládejme, že tolerance tří parametrů materiálu jsou distribuovány podle Gaussa, původně podávané horní a dolní mez, a poté vypočteny v ANSYS.
3.4.2 Analýza výsledků PDS
Při výpočtu PDS jsou uvedeny cílové proměnné hodnoty odpovídající 30 vzorkovacím bodům. Distribuce cílových proměnných není známa. Parametry jsou znovu namontovány pomocí softwaru Minitab a frekvence je v zásadě distribuována podle normálního rozdělení. To zajišťuje statistickou teorii analýzy tolerance.
Výpočet PDS dává vzorec vhodné z konstrukční proměnné k expanzi tolerance cílové proměnné: kde y je cílová proměnná, x je konstrukční proměnná, C je korelační koeficient a I je variabilní číslo.
Podle toho může být cílové toleranci přiřazena každé konstrukční proměnné pro dokončení úlohy návrhu tolerance.
3.5 Experimentální ověření
Přední část je proces návrhu celého svařovacího nástroje. Po dokončení jsou suroviny zakoupeny podle tolerancí materiálu povoleného návrhem a poté doručeny do výroby. Frekvence a modální testování se provádějí po dokončení výroby a použitá testovací metoda je nejjednodušší a nejúčinnější metodou testu odstřelovače. Protože nejvíce dotyčným indexem je první axiální modální frekvence - objednávky, je snímač zrychlení připojen k pracovní ploše a druhý konec je zasažen podél axiálního směru a skutečnou frekvenci nástroje lze získat spektrální analýzou. Výsledek simulace návrhu je 14925 Hz, výsledkem testu je 14954 Hz, rozlišení frekvence je 16 Hz a maximální chyba je menší než 1%. Je vidět, že přesnost simulace konečných prvků v modálním výpočtu je velmi vysoká.
Po absolvování experimentálního testu je nástroj uvedena do výroby a montáže na ultrazvukovém svařovacím stroji. Reakční podmínka je dobrá. Práce byla stabilní již více než půl roku a míra kvalifikace svařování je vysoká, což překročilo tři měsíční životnost slíbené generálním výrobcem zařízení. To ukazuje, že design je úspěšný a výrobní proces nebyl opakovaně upraven a upravován, šetří čas a pracovní sílu.
4 Závěr
Tento článek začíná principem ultrazvukového plastového svařování, hluboce uchopí technické zaměření svařování a navrhuje koncept návrhu nových nástrojů. Poté použijte výkonnou simulační funkci konečného prvku k analýze návrhu a zavedení myšlenky DFSS 6 - Sigma a kontrolujte důležité konstrukční parametry prostřednictvím experimentálního návrhu ANSYS DOE a analýzu tolerance PDS k dosažení robustního designu. Nakonec byl nástroj úspěšně vyroben jednou a návrh byl rozumný experimentálním frekvenčním testem a skutečným ověřením výroby. To také dokazuje, že tato sada návrhových metod je proveditelná a efektivní.
Čas příspěvku: Nov - 04 - 2020