Forord
Med udviklingen af ultralydsteknologi er dens anvendelse mere og mere omfattende, den kan bruges til at rengøre små snavspartikler, og det kan også bruges til svejsning af metal eller plast. Især i dagens plastikprodukter anvendes ultralydsvejsning for det meste, fordi skruestrukturen udelades, udseendet kan være mere perfekt, og funktionen af vandtætning og støvtætning tilvejebringes også. Designet af plastiksvejsningshornet har en vigtig indflydelse på den endelige svejsekvalitet og produktionskapacitet. I produktionen af nye elektriske målere bruges ultralydsbølger til at smelte de øvre og nedre ansigter sammen. Under brug viser det sig imidlertid, at nogle værktøjer er installeret på maskinen og revnet, og andre fejl forekommer i en kort periode. Nogle værktøjssvejsningsprodukter er defekthastigheden høj. Forskellige fejl har haft en betydelig indflydelse på produktionen. Ifølge forståelsen har leverandører af udstyr begrænsede designkapaciteter til værktøj og ofte gennem gentagne reparationer for at opnå designindikatorer. Derfor er det nødvendigt at bruge vores egne teknologiske fordele til at udvikle holdbart værktøj og en rimelig designmetode.
2 ultralyds plast svejsningsprincip
Ultrasonisk plastiksvejsning er en behandlingsmetode, der bruger kombinationen af termoplast i den høje - frekvens tvungen vibration, og svejseoverfladerne gnider mod hinanden til at producere lokal høj - temperatursmeltning. For at opnå gode ultralydssvejsesultater kræves udstyr, materialer og procesparametre. Følgende er en kort introduktion til dets princip.
2.1 Ultrasonic Plastic Welding System
Figur 1 er et skematisk billede af et svejsesystem. Den elektriske energi føres gennem signalgeneratoren og effektforstærkeren for at producere et vekslende elektrisk signal af ultralydsfrekvens (> 20 kHz), der påføres transduceren (piezoelektrisk keramik). Gennem transduceren bliver den elektriske energi energien i den mekaniske vibration, og amplituden af den mekaniske vibration justeres af hornet til den passende arbejdsamplitude og derefter ensartet overført til det materiale, der er i kontakt med det gennem værktøjets hoved (svejsningsværktøj). Kontaktoverfladerne for de to svejsematerialer udsættes for høj - frekvens tvunget vibration, og friktionsvarmen genererer lokal høj temperatursmeltning. Efter afkøling kombineres materialerne for at opnå svejsning.
I et svejsesystem er signalkilden en kredsløbsdel, der indeholder et effektforstærkerkredsløb, hvis frekvensstabilitet og drivkapacitet påvirker maskinens ydelse. Materialet er en termoplastisk, og design af den fælles overflade skal overveje, hvordan man hurtigt genererer varme og dock. Transducere, horn og værktøjshoveder kan alle betragtes som mekaniske strukturer til let analyse af koblingen af deres vibrationer. Ved plastisk svejsning overføres mekanisk vibration i form af langsgående bølger. Hvordan man effektivt overfører energi og justerer amplituden er det vigtigste designpunkt.
2.2 Værktøjshoved (svejsningsværktøj)
Værktøjets hoved fungerer som kontaktgrænsefladen mellem den ultrasoniske svejsemaskine og materialet. Dets hovedfunktion er at overføre den langsgående mekaniske vibration, der udsendes af variatoren jævnt og effektivt til materialet. Det anvendte materiale er normalt aluminiumslegering af høj kvalitet eller endda titaniumlegering. Fordi designet af plastmaterialer ændrer sig meget, er udseendet meget anderledes, og værktøjets hoved skal ændres i overensstemmelse hermed. Formen på arbejdsoverfladen skal matches godt med materialet for ikke at skade plasten, når den vibrerer; På samme tid skal den første - orden langsgående vibrationer solid frekvens koordineres med udgangsfrekvensen af svejsemaskinen, ellers forbruges vibrationsenergien internt. Når værktøjets hoved vibrerer, forekommer den lokale stresskoncentration. Sådan optimeres disse lokale strukturer er også et designovervejelse. Denne artikel udforsker, hvordan man anvender ANSYS Design Tool -leder for at optimere designparametre og fremstillingstolerancer.
3 svejsningsværktøjsdesign
Som nævnt tidligere er design af svejsningsværktøjet ganske vigtigt. Der er mange leverandører af ultralydsudstyr i Kina, der producerer deres egne svejseværktøjer, men en betydelig del af dem er efterligninger, og så trimmes og tester de konstant. Gennem denne gentagne justeringsmetode opnås koordineringen af værktøjs- og udstyrsfrekvens. I dette papir kan den endelige elementmetode bruges til at bestemme hyppigheden, når man designer værktøjet. Resultatet af værktøjstest og designfrekvensfejl er kun 1%. På samme tid introducerer dette papir begrebet DFSS (design til Six Sigma) for at optimere og robust design af værktøj. Begrebet 6 - Sigma Design er at indsamle kundens stemme fuldt ud i designprocessen til målrettet design; og forudgående overvejelse af mulige afvigelser i produktionsprocessen for at sikre, at kvaliteten af det endelige produkt distribueres inden for et rimeligt niveau. Designprocessen er vist i figur 2. Fra udviklingen af designindikatorerne er strukturen og dimensioner af værktøjet oprindeligt designet i henhold til den eksisterende oplevelse. Den parametriske model er etableret i ANSYS, og derefter bestemmes modellen ved simuleringseksperimentdesign (DOE) -metoden. Vigtige parametre bestemmer i henhold til de robuste krav værdien og bruger derefter sub - problemmetoden til at optimere andre parametre. Under hensyntagen til påvirkningen af materialer og miljømæssige parametre under fremstilling og brug af værktøjet er det også designet med tolerancer til at imødekomme kravene til produktionsomkostninger. Endelig fremstiller fremstillings-, test- og testteori -design og faktisk fejl for at imødekomme de designindikatorer, der er leveret. Følgende trin - af - Trin Detaljeret introduktion.
3.1 Geometrisk formdesign (etablering af en parametrisk model)
Design af svejseværktøjet bestemmer først dens omtrentlige geometriske form og struktur og etablerer en parametrisk model til efterfølgende analyse. Figur 3 A) er designet af det mest almindelige svejsningsværktøj, hvor et antal U - -formede riller åbnes i vibrationsretningen på et materiale på omtrent cuboid. De overordnede dimensioner er længderne af x-, y- og z -retningen, og de laterale dimensioner x og y er generelt sammenlignelige med størrelsen på emnet, der svejses. Længden af Z er lig med den halve bølgelængde af den ultralydsbølge, fordi i den klassiske vibrationsteori bestemmes den første - række aksiale frekvens af det langstrakte objekt af dens længde, og halvt - bølgelængde er nøjagtigt matchet med den akustiske bølgefrekvens. Dette design er blevet udvidet. Brug, er fordelagtigt for spredningen af lydbølger. Formålet med den u - formede rille er at reducere tabet af lateral vibration af værktøjet. Position, størrelse og antal bestemmes i henhold til værktøjets samlede størrelse. Det kan ses, at der i dette design er færre parametre, der kan reguleres frit, så vi har foretaget forbedringer på dette grundlag. Figur 3 b) er et nyligt designet værktøj, der har endnu en størrelsesparameter end det traditionelle design: den ydre bue radius R. Derudover er rillen indgraveret på arbejdsoverfladen af værktøjet til at samarbejde med overfladen af plastens arbejdsemne, hvilket er gavnligt at transmittere vibrationsenergi og beskytte arbejdsemnet mod skader. Denne model er rutinemæssigt parametrisk modelleret i ANSYS og derefter det næste eksperimentelle design.
3.2 DOE Eksperimentelt design (bestemmelse af vigtige parametre)
DFSS oprettes for at løse praktiske tekniske problemer. Det forfølger ikke perfektion, men er effektiv og robust. Det legemliggør ideen om 6 - Sigma, fanger den vigtigste modsigelse og opgiver "99,97%", mens det kræver, at designet er ret modstandsdygtigt over for miljøvariabilitet. Derfor skal den først screenes først, inden den foretagne målparameteroptimering først, og den størrelse, der har en vigtig indflydelse på strukturen, skal vælges, og deres værdier skal bestemmes i henhold til robusthedsprincippet.
3.2.1 DOE -parameterindstilling og DOE
Designparametrene er værktøjsformen og størrelsespositionen for den u - formede rille osv., I alt otte. Målparameteren er den første - ordre aksiale vibrationsfrekvens, fordi den har den største indflydelse på svejsningen, og den maksimale koncentrerede stress og forskellen i arbejdsoverfladeamplitude er begrænset som tilstandsvariabler. Baseret på erfaring antages det, at effekten af parametrene på resultaterne er lineær, så hver faktor er kun indstillet til to niveauer, høj og lav. Listen over parametre og tilsvarende navne er som følger.
DOE udføres i ANSYS ved hjælp af den tidligere etablerede parametriske model. På grund af softwarebegrænsninger kan fuld - Faktor DOE kun bruge op til 7 parametre, mens modellen har 8 parametre, og ANSYS's analyse af DOE -resultater er ikke så omfattende som professionel 6 - Sigma -software og ikke kan håndtere interaktion. Derfor bruger vi APDL til at skrive en DOE -loop til at beregne og udtrække resultaterne af programmet og derefter sætte dataene i minitab til analyse.
3.2.2 Analyse af DOE -resultater
Minitabs DOE -analyse er vist i figur 4 og inkluderer den vigtigste påvirkningsfaktoranalyse og interaktionsanalyse. Den vigtigste påvirkningsfaktoranalyse bruges til at bestemme, hvilke designvariabelændringer der har større indflydelse på målvariablen, hvilket indikerer, hvilke vigtige designvariabler. Interaktionen mellem faktorerne analyseres derefter for at bestemme niveauet for faktorerne og for at reducere graden af kobling mellem designvariablerne. Sammenlign graden af ændring af andre faktorer, når en designfaktor er høj eller lav. I henhold til det uafhængige aksiom kobles det optimale design ikke til hinanden, så vælg det niveau, der er mindre variabelt.
Analyseresultaterne af svejseværktøjet i dette papir er: de vigtige designparametre er den ydre bue -radius og værktøjets slotbredde. Niveauet for begge parametre er "højt", det vil sige, radiusen tager en større værdi i DOE, og rillebredden tager også en større værdi. De vigtige parametre og deres værdier blev bestemt, og derefter blev flere andre parametre brugt til at optimere designet i ANSYS for at justere værktøjsfrekvensen, så de matcher driftsfrekvensen for svejsemaskinen. Optimeringsprocessen er som følger.
3.3 Målparameteroptimering (værktøjsfrekvens)
Parameterindstillingerne for designoptimeringen ligner DOE's. Forskellen er, at værdierne for to vigtige parametre er blevet bestemt, og de andre tre parametre er relateret til de materielle egenskaber, der betragtes som støj og ikke kan optimeres. De resterende tre parametre, der kan justeres, er den aksiale placering af spalten, længden og værktøjets bredde. Optimeringen bruger subproblemet tilnærmelsesmetode i ANSYS, som er en meget anvendt metode til tekniske problemer, og den specifikke proces udelades.
Det er værd at bemærke, at brug af frekvens som målvariablen kræver en lille dygtighed i drift. Fordi der er mange designparametre og en bred vifte af variation, er vibrationstilstandene for værktøjet mange i frekvensområdet for interesse. Hvis resultatet af modal analyse bruges direkte, er det vanskeligt at finde den første - orden aksiale tilstand, fordi den modale sekvensforbinding kan forekomme, når parametrene ændres, det vil sige den naturlige frekvensordinal, der svarer til den originale tilstand ændres. Derfor vedtager dette papir først den modale analyse og bruger derefter den modale superpositionsmetode til at opnå frekvensresponskurven. Ved at finde topværdien af frekvensresponskurven kan den sikre den tilsvarende modale frekvens. Dette er meget vigtigt i den automatiske optimeringsproces, hvilket eliminerer behovet for manuelt at bestemme modaliteten.
Når optimeringen er afsluttet, kan designarbejdsfrekvensen for værktøjet være meget tæt på målfrekvensen, og fejlen er mindre end den toleranceværdi, der er specificeret i optimeringen. På dette tidspunkt bestemmes værktøjsdesignet dybest set efterfulgt af fremstillingstolerancer for produktionsdesign.
3.4 Tolerancedesign
Det generelle strukturelle design er afsluttet, efter at alle designparametre er blevet bestemt, men for tekniske problemer, især når man overvejer omkostningerne ved masseproduktion, er tolerancedesign afgørende. Omkostningerne ved lav præcision reduceres også, men evnen til at imødekomme designmetrics kræver statistiske beregninger for kvantitative beregninger. PDS -sandsynlighedsdesignsystemet i ANSYS kan bedre analysere forholdet mellem designparametertolerance og målparametertolerance og kan generere komplette relaterede rapportfiler.
3.4.1 PDS -parameterindstillinger og beregninger
I henhold til DFSS -ideen skal toleranceanalyse udføres på vigtige designparametre, og andre generelle tolerancer kan bestemmes empirisk. Situationen i dette papir er ret speciel, for i henhold til bearbejdningens evne er fremstillingstolerancen for geometriske designparametre meget lille og har ringe indflydelse på den endelige værktøjsfrekvens; Mens parametrene for råmaterialer er meget forskellige på grund af leverandører, og prisen på råmaterialer tegner sig for mere end 80% af omkostningerne til behandling af værktøjsbehandling. Derfor er det nødvendigt at indstille et rimeligt toleranceområde for de materielle egenskaber. De relevante materialegenskaber her er densitet, modul for elasticitet og hastighed af lydbølgeforplantning.
Toleranceanalyse bruger tilfældig Monte Carlo -simulering i ANSYS til at prøve den latinske hypercube -metode, fordi den kan gøre fordelingen af prøveudtagningspunkter mere ensartet og rimelig og opnå bedre korrelation med færre punkter. Dette papir sætter 30 point. Antag, at tolerancerne for de tre materielle parametre er fordelt i henhold til Gauss, oprindeligt givet en øvre og nedre grænse og derefter beregnet i ANSYS.
3.4.2 Analyse af PDS -resultater
Gennem beregningen af PD'er gives målvariablerne, der svarer til 30 prøveudtagningspunkter. Fordelingen af målvariablerne er ukendt. Parametrene monteres igen ved hjælp af minitab -software, og frekvensen distribueres dybest set i henhold til den normale distribution. Dette sikrer den statistiske teori om toleranceanalyse.
PDS -beregningen giver en passende formel fra designvariablen til toleranceudvidelsen af målvariablen: hvor y er målvariablen, x er designvariablen, c er korrelationskoefficienten, og jeg er det variable tal.
I henhold til dette kan måltolerancen tildeles til hver designvariabel for at fuldføre opgaven med tolerancedesign.
3.5 Eksperimentel verifikation
Den forreste del er designprocessen for hele svejseværktøjet. Efter afslutningen købes råmaterialerne i henhold til de materialetolerancer, som designet er tilladt, og leveres derefter til fremstillingen. Frekvens og modal testning udføres efter fremstilling er afsluttet, og den anvendte testmetode er den enkleste og mest effektive snigskyttestestmetode. Fordi det mest berørte indeks er den første - orden aksiale modale frekvens, er accelerationssensoren fastgjort til arbejdsoverfladen, og den anden ende er slået langs den aksiale retning, og den faktiske frekvens af værktøjet kan opnås ved spektral analyse. Simuleringsresultatet af designet er 14925 Hz, testresultatet er 14954 Hz, frekvensopløsningen er 16 Hz, og den maksimale fejl er mindre end 1%. Det kan ses, at nøjagtigheden af den endelige elementsimulering i modalberegningen er meget høj.
Efter at have bestået den eksperimentelle test, sættes værktøjet i produktion og montering på den ultrasoniske svejsemaskine. Reaktionstilstanden er god. Arbejdet har været stabilt i mere end et halvt år, og svejsekvalifikationsgraden er høj, hvilket har overskredet de tre - måneders levetid, der er lovet af den generelle udstyrsproducent. Dette viser, at designet er vellykket, og fremstillingsprocessen er ikke gentagne gange blevet ændret og justeret, hvilket sparer tid og arbejdskraft.
4 Konklusion
Dette papir starter med princippet om ultralyds plastik svejsning, griber dybt det tekniske fokus på svejsning og foreslår designkonceptet med nyt værktøj. Brug derefter den kraftfulde simuleringsfunktion af det endelige element til at analysere designkonkret og introducere 6 - Sigma -designideen om DFS'er og kontrollere de vigtige designparametre gennem ANSYS DOE Eksperimentel design og PDS -toleranceanalyse for at opnå robust design. Endelig blev værktøjet med succes fremstillet en gang, og designet var rimeligt ved den eksperimentelle frekvenstest og den faktiske produktionsverifikation. Det beviser også, at dette sæt designmetoder er muligt og effektivt.
Posttid: Nov - 04 - 2020