Vorwort
Mit der Entwicklung der Ultraschalltechnologie ist seine Anwendung immer umfangreicher, kann zum Reinigen von winzigen Schmutzpartikeln verwendet werden und kann auch zum Schweißen von Metall oder Kunststoff verwendet werden. Insbesondere in den heutigen Plastikprodukten wird meist Ultraschallschweißen verwendet, da die Schraubenstruktur weggelassen wird, das Aussehen perfekter sein kann und auch die Funktion der Wasserdichtung und Staubdefachtung bereitgestellt wird. Das Design des Plastikschweißhorns hat einen wichtigen Einfluss auf die endgültige Schweißqualität und Produktionskapazität. Bei der Herstellung neuer elektrischer Messgeräte werden Ultraschallwellen verwendet, um die oberen und unteren Gesichter miteinander zu verschmelzen. Während der Verwendung wird jedoch festgestellt, dass einige Werkzeuge auf der Maschine installiert sind und in kurzer Zeit geknackt und andere Fehler auftreten. Einige Werkzeugschweißprodukte Die Defektrate ist hoch. Verschiedene Fehler hatten erhebliche Auswirkungen auf die Produktion. Nach dem Verständnis verfügen die Lieferanten für Geräte nur begrenzte Entwurfsfunktionen für Werkzeuge und häufig durch wiederholte Reparaturen, um Konstruktionsindikatoren zu erreichen. Daher ist es notwendig, unsere eigenen technologischen Vorteile zu nutzen, um dauerhafte Werkzeuge und eine angemessene Entwurfsmethode zu entwickeln.
2 Ultraschall -Plastikschweißprinzip
Ultraschall Kunststoffschweiß ist eine Verarbeitungsmethode, bei der die Kombination von Thermoplastik in der hohen - Frequenz -erzwungenen Vibration verwendet wird, und die Schweißoberflächen reiben sich gegeneinander, um lokales Temperaturschmelz zu erzeugen. Um gute Ultraschallschweißergebnisse zu erzielen, sind Geräte, Materialien und Prozessparameter erforderlich. Das Folgende ist eine kurze Einführung in sein Prinzip.
2.1 Ultraschall -Plastikschweißsystem
Abbildung 1 ist eine schematische Ansicht eines Schweißsystems. Die elektrische Energie wird durch den Signalgenerator und den Leistungsverstärker geleitet, um ein abwechselnd elektrisches Signal der Ultraschallfrequenz (> 20 kHz) zu erzeugen, das auf den Wandler (piezoelektrische Keramik) angewendet wird. Durch den Wandler wird die elektrische Energie zur Energie der mechanischen Schwingung, und die Amplitude der mechanischen Schwingung wird durch das Horn an die entsprechende Arbeitsverstärkung eingestellt und dann gleichmäßig an das Material übertragen, das durch den Werkzeugkopf in Kontakt ist (Schweißwerkzeug). Die Kontaktflächen der beiden Schweißmaterialien werden einer hohen - frequenzzwangten Vibration unterzogen, und die Reibungswärme erzeugt ein lokales Schmelzen mit hohem Temperatur. Nach dem Abkühlen werden die Materialien kombiniert, um Schweißen zu erreichen.
In einem Schweißsystem ist die Signalquelle ein Schaltungsteil, der einen Stromverstärkerschaltung enthält, dessen Frequenzstabilität und Antriebsfähigkeit die Leistung der Maschine beeinflussen. Das Material ist thermoplastisch, und das Design der Gelenkoberfläche muss überlegen, wie schnell Wärme und Dock erzeugt werden können. Wandler, Hörner und Werkzeugköpfe können als mechanische Strukturen als einfache Analyse der Kopplung ihrer Schwingungen angesehen werden. Beim Kunststoffschweißen wird die mechanische Schwingung in Form von Längswellen übertragen. Wie man Energie effektiv überträgt und die Amplitude einstellt, ist der Hauptdesignpunkt.
2.2 Werkzeugkopf (Schweißwerkzeug)
Der Werkzeugkopf dient als Kontaktschnittstelle zwischen der Ultraschallschweißmaschine und dem Material. Seine Hauptfunktion besteht darin, die vom Variator ausgegebene longitudinale mechanische Schwingung gleichmäßig und effizient an das Material zu übertragen. Das verwendete Material ist normalerweise eine hochwertige Aluminiumlegierung oder sogar eine Titanlegierung. Da sich das Design von Kunststoffmaterialien stark ändert, ist das Aussehen sehr unterschiedlich und der Werkzeugkopf muss sich entsprechend ändern. Die Form der Arbeitsfläche sollte gut mit dem Material übereinstimmen, um den Kunststoff beim Vibrieren nicht zu beschädigen. Gleichzeitig sollte die erste Feststofffrequenz der Längsvibration mit der Ausgangsfrequenz der Schweißmaschine koordiniert werden, sonst wird die Vibrationsenergie intern verbraucht. Wenn der Werkzeugkopf vibriert, tritt lokale Spannungskonzentration auf. Die Optimierung dieser lokalen Strukturen ist ebenfalls eine Überlegung von Design. In diesem Artikel wird untersucht, wie ANSYS -Design -Tool -Köpfe angewendet werden, um Designparameter und Herstellungstoleranzen zu optimieren.
3 Schweißwerkzeugdesign
Wie bereits erwähnt, ist die Gestaltung des Schweißwerkzeugs sehr wichtig. In China gibt es viele Lieferanten von Ultraschallgeräten, die ihre eigenen Schweißwerkzeuge produzieren, aber ein beträchtlicher Teil von ihnen sind Imitationen, und dann trimmen und testen sie ständig. Durch diese wiederholte Anpassungsmethode wird die Koordination der Werkzeug- und Ausrüstungsfrequenz erreicht. In diesem Artikel kann die Finite -Elemente -Methode verwendet werden, um die Frequenz beim Entwerfen der Werkzeuge zu bestimmen. Das Tooling -Testergebnis und der Entwurfsfrequenzfehler beträgt nur 1%. Gleichzeitig führt dieses Papier das Konzept von DFSS (Design für Six Sigma) ein, um das Design von Werkzeugen zu optimieren und robust. Das Konzept von 6 - Sigma -Design besteht darin, die Stimme des Kunden im Designprozess für gezielte Design vollständig zu sammeln. und die Berücksichtigung möglicher Abweichungen im Produktionsprozess, um sicherzustellen, dass die Qualität des Endprodukts auf einem angemessenen Niveau verteilt wird. Der Entwurfsprozess ist in Abbildung 2 dargestellt. Ausgehend von der Entwicklung der Entwurfsindikatoren werden die Struktur und die Abmessungen der Werkzeuge ursprünglich gemäß der vorhandenen Erfahrung entwickelt. Das parametrische Modell wird in ANSYS festgelegt und dann wird das Modell durch die DOE -Methode (Simulation Experiment Design) bestimmt. Wichtige Parameter bestimmen gemäß den robusten Anforderungen den Wert und verwenden Sie dann die Sub - -Problemmethode, um andere Parameter zu optimieren. Unter Berücksichtigung des Einflusses von Materialien und Umweltparametern während der Herstellung und Verwendung der Werkzeuge wurde es auch mit Toleranzen entwickelt, um die Anforderungen der Herstellungskosten zu erfüllen. Schließlich ist das Design und die tatsächlichen Fehlertheorie für Fertigung, Test- und Testtheorie, um die gelieferten Entwurfsindikatoren zu erfüllen. Der folgende Schritt - nach - Schritt detaillierte Einführung.
3.1 Geometrisches Formgestaltung (Feststellung eines parametrischen Modells)
Das Entwerfen der Schweißwerkzeuge bestimmt zunächst die ungefähre geometrische Form und Struktur und legt ein parametrisches Modell für die anschließende Analyse fest. Abbildung 3 a) ist das Design des häufigsten Schweißwerkzeugs, bei dem eine Reihe von u - geformten Rillen in Schwingungsrichtung auf einem Material mit ungefähr Quader geöffnet werden. Die Gesamtabmessungen sind die Längen der X-, Y- und Z -Richtungen, und die lateralen Abmessungen X und Y sind im Allgemeinen vergleichbar mit der Größe des zu schweißenden Werkstücks. Die Länge von Z ist gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle, da in der klassischen Vibrationstheorie die erste axiale axiale Frequenz des länglichen Objekts durch seine Länge bestimmt wird und die halbe - Wellenlänge genau mit der akustischen Wellenfrequenz übereinstimmt. Dieses Design wurde erweitert. Verwendung ist vorteilhaft für die Ausbreitung von Schallwellen. Der Zweck der u - geformten Rille besteht darin, den Verlust der lateralen Vibration der Werkzeugung zu verringern. Die Position, Größe und Anzahl werden gemäß der Gesamtgröße der Werkzeuge bestimmt. Es ist ersichtlich, dass es in diesem Design weniger Parameter gibt, die frei reguliert werden können, sodass wir auf dieser Grundlage Verbesserungen vorgenommen haben. Abbildung 3 b) ist ein neu gestaltetes Werkzeug mit einem mehr Größenparameter als dem traditionellen Design: dem Außenbogenradius R. Zusätzlich ist die Rille auf der Arbeitsfläche der Werkzeuge eingraviert, um mit der Oberfläche des plastischen Werkstücks zu kooperieren, was für die Übertragung von Vibrationsenergie und dem Schutz des Werkstücks vor Schäden vorteilhaft ist. Dieses Modell wird routinemäßig parametrisch in ANSYs und dann im nächsten experimentellen Design modelliert.
3.2 DOE Experimental Design (Bestimmung wichtiger Parameter)
DFSS wurde erstellt, um praktische technische Probleme zu lösen. Es verfolgt keine Perfektion, ist aber wirksam und robust. Es verkörpert die Idee von 6 - Sigma, erfasst den Haupt widersprüchlich und verlangt „99,97%“, während das Design für die Variabilität der Umwelt recht resistent ist. Daher sollte zuerst die Optimierung der Zielparameteroptimierung gescreent werden, und die Größe, die einen wichtigen Einfluss auf die Struktur hat, sollte ausgewählt werden, und ihre Werte sollten gemäß dem Robustheitsprinzip bestimmt werden.
3.2.1 DOE -Parametereinstellung und DOE
Die Entwurfsparameter sind die Werkzeugform und die Größenposition der u - geformten Rille usw. insgesamt acht. Der Zielparameter ist die erste - axiale Schwingungsfrequenz, da er den größten Einfluss auf die Schweißnaht hat und die maximale konzentrierte Spannung und der Unterschied in der Arbeitsoberflächenamplitude als Zustandsvariablen begrenzt sind. Basierend auf der Erfahrung wird angenommen, dass der Effekt der Parameter auf die Ergebnisse linear ist, sodass jeder Faktor nur auf zwei Ebenen eingestellt ist, hoch und niedrig. Die Liste der Parameter und entsprechenden Namen lautet wie folgt.
DOE wird in ANSYS unter Verwendung des zuvor etablierten parametrischen Modells durchgeführt. Aufgrund von Software -Einschränkungen kann DOE -Faktor -DOE nur bis zu 7 Parameter verwenden, während das Modell über 8 Parameter verfügt, und die Analyse der DOE -Ergebnisse durch ANSYS ist nicht so umfassend wie professionelle 6 - Sigma -Software und kann die Interaktion nicht bewältigen. Daher schreiben wir APDL, um eine DOE -Schleife zu schreiben, um die Ergebnisse des Programms zu berechnen und zu extrahieren, und dann die Daten zur Analyse in Minitab einzusetzen.
3.2.2 Analyse der DOE -Ergebnisse
Die DOE -Analyse von Minitab ist in Abbildung 4 dargestellt und umfasst die Hauptanalyse der Haupteinflüssefaktoren und die Interaktionsanalyse. Die Hauptanalyse des Einflussfaktors wird verwendet, um zu bestimmen, welche Veränderungen aus Entwurfsvariablen einen größeren Einfluss auf die Zielvariable haben, wodurch angibt, welche wichtigen Entwurfsvariablen sind. Die Wechselwirkung zwischen den Faktoren wird dann analysiert, um das Niveau der Faktoren zu bestimmen und den Kopplungsgrad zwischen den Entwurfsvariablen zu verringern. Vergleichen Sie den Grad der Änderung anderer Faktoren, wenn ein Konstruktionsfaktor hoch oder niedrig ist. Gemäß dem unabhängigen Axiom ist das optimale Design nicht miteinander gekoppelt. Wählen Sie also die weniger variable Ebene aus.
Die Analyseergebnisse der Schweißwerkzeuge in diesem Artikel sind: Die wichtigen Designparameter sind der Außenbogenradius und die Schlitzbreite der Werkzeuge. Der Niveau beider Parameter ist „hoch“, dh der Radius nimmt im DOE einen größeren Wert und die Rillenbreite nimmt auch einen größeren Wert. Die wichtigen Parameter und ihre Werte wurden bestimmt, und dann wurden mehrere andere Parameter verwendet, um das Design in ANSYs zu optimieren, um die Werkzeugfrequenz an die Betriebsfrequenz der Schweißmaschine anzupassen. Der Optimierungsprozess ist wie folgt.
3.3 Zielparameteroptimierung (Werkzeugfrequenz)
Die Parametereinstellungen der Designoptimierung ähneln denen des DOE. Der Unterschied besteht darin, dass die Werte zweier wichtiger Parameter bestimmt wurden und die anderen drei Parameter mit den Materialeigenschaften zusammenhängen, die als Rauschen angesehen werden und nicht optimiert werden können. Die verbleibenden drei Parameter, die eingestellt werden können, sind die axiale Position des Schlitzes, die Länge und die Werkzeugbreite. Die Optimierung verwendet die Subproblem -Approximationsmethode in ANSYS, die eine weit verbreitete Methode für technische Probleme darstellt, und der spezifische Prozess wird weggelassen.
Es ist erwähnenswert, dass die Verwendung von Frequenz als Zielvariable ein wenig in Betrieb erfordern. Da es viele Designparameter und eine Vielzahl von Variationsbereiche gibt, sind die Schwingungsmodi der Werkzeug -Tatsache im Frequenzbereich von Interesse. Wenn das Ergebnis der modalen Analyse direkt verwendet wird, ist es schwierig, den ersten - axialen Modus zu ermitteln, da die modale Sequenzverschachtelung auftreten kann, wenn sich die Parameter ändern, dh die Erdfrequenzordinal, die dem ursprünglichen Modus entspricht, ändert sich. Daher übernimmt dieses Papier zuerst die modale Analyse und verwendet dann die modale Überlagerungsmethode, um die Frequenzgangkurve zu erhalten. Durch das Finden des Spitzenwerts der Frequenzgangkurve kann die entsprechende modale Frequenz sichergestellt werden. Dies ist im automatischen Optimierungsprozess sehr wichtig und beseitigt die Notwendigkeit, die Modalität manuell zu bestimmen.
Nach Abschluss der Optimierung kann die Konstruktionsfrequenz der Werkzeuge sehr nahe an der Zielfrequenz liegen, und der Fehler ist geringer als der in der Optimierung angegebene Toleranzwert. Zu diesem Zeitpunkt wird das Werkzeugdesign grundsätzlich bestimmt, gefolgt von Herstellentoleranzen für das Produktionsdesign.
3.4 Toleranzdesign
Das allgemeine strukturelle Design wird abgeschlossen, nachdem alle Entwurfsparameter ermittelt wurden. Bei technischen Problemen, insbesondere bei der Berücksichtigung der Kosten für die Massenproduktion, ist das Toleranzdesign unerlässlich. Die Kosten für niedrige Präzision werden ebenfalls reduziert, aber die Fähigkeit, Entwurfsmetriken zu erfüllen, erfordert statistische Berechnungen für quantitative Berechnungen. Das PDS -Wahrscheinlichkeitsentwurfssystem in ANSYS kann die Beziehung zwischen Entwurfsparametertoleranz und Zielparametertoleranz besser analysieren und vollständige zugehörige Berichtsdateien generieren.
3.4.1 PDS -Parametereinstellungen und Berechnungen
Nach der Idee der DFSS sollte die Toleranzanalyse zu wichtigen Entwurfsparametern durchgeführt werden, und andere allgemeine Toleranzen können empirisch bestimmt werden. Die Situation in diesem Papier ist etwas Besonderes, da nach der Fähigkeit der Bearbeitung die Herstellungstoleranz gegenüber geometrischen Designparametern sehr gering ist und nur geringe Auswirkungen auf die endgültige Werkzeugfrequenz hat. Während sich die Rohstoffparameter aufgrund von Lieferanten sehr unterschiedlich unterscheiden und der Preis für Rohstoffe mehr als 80% der Werkzeugverarbeitungskosten ausmacht. Daher ist es notwendig, einen angemessenen Toleranzbereich für die Materialeigenschaften festzulegen. Die relevanten Materialeigenschaften hier sind Dichte, Elastizitätsmodul und Geschwindigkeit der Schallwellenausbreitung.
Die Toleranzanalyse verwendet eine zufällige Monte -Carlo -Simulation in ANSYs, um die lateinische Hypercube -Methode zu probieren, da sie die Verteilung von Stichprobenpunkten gleichmäßiger und vernünftiger gestalten und eine bessere Korrelation um weniger Punkte erzielen kann. Dieses Papier setzt 30 Punkte. Angenommen, die Toleranzen der drei Materialparameter werden nach Gauß verteilt, zunächst eine obere und untere Grenze und dann in ANSYS berechnet.
3.4.2 Analyse der PDS -Ergebnisse
Durch die Berechnung von PDs werden die Zielvariablenwerte, die 30 Stichprobenpunkten entsprechen, angegeben. Die Verteilung der Zielvariablen ist unbekannt. Die Parameter werden erneut unter Verwendung von Minitab -Software angepasst, und die Frequenz wird im Wesentlichen gemäß der Normalverteilung verteilt. Dies gewährleistet die statistische Theorie der Toleranzanalyse.
Die PDS -Berechnung ergibt eine Anpassungsformel von der Entwurfsvariablen zur Toleranzexpansion der Zielvariablen: wobei y die Zielvariable ist, x die Entwurfsvariable, C der Korrelationskoeffizient und I die variable Zahl ist.
Dem zufolge kann die Zieltoleranz jeder Entwurfsvariablen zugewiesen werden, um die Aufgabe der Toleranzdesign zu erledigen.
3.5 Experimentelle Überprüfung
Der vordere Teil ist der Entwurfsprozess des gesamten Schweißwerkzeugs. Nach der Fertigstellung werden die Rohstoffe gemäß den vom Design zulässigen Materialtoleranzen gekauft und dann an die Herstellung geliefert. Frequenz- und Modaltests werden nach Abschluss der Herstellung durchgeführt, und die verwendete Testmethode ist die einfachste und effektivste Scharfschützen -Testmethode. Da der am meisten besorgte Index die erste - axiale Modalfrequenz bestellen, wird der Beschleunigungssensor an der Arbeitsfläche angebracht, und das andere Ende wird entlang der axialen Richtung getroffen, und die tatsächliche Häufigkeit der Werkzeuge kann durch Spektralanalyse erhalten werden. Das Simulationsergebnis des Designs beträgt 14925 Hz, das Testergebnis 14954 Hz, die Frequenzauflösung 16 Hz und der maximale Fehler weniger als 1%. Es ist ersichtlich, dass die Genauigkeit der Finite -Elemente -Simulation in der modalen Berechnung sehr hoch ist.
Nach dem Bestehen des experimentellen Tests wird die Werkzeuge in Produktion und Montage auf der Ultraschallschweißmaschine gestellt. Die Reaktionsbedingung ist gut. Die Arbeiten sind seit mehr als einem halben Jahr stabil, und die Schweißqualifikationsrate ist hoch, was die drei - Lebensdauer des allgemeinen Geräteherstellers überschritten hat. Dies zeigt, dass das Design erfolgreich ist und der Herstellungsprozess nicht wiederholt geändert und angepasst wurde und Zeit und Arbeitskräfte spart.
4 Schlussfolgerung
Dieses Papier beginnt mit dem Prinzip des Ultraschall -Plastikschweißens, beginnt zutiefst den technischen Schwerpunkt des Schweißens und schlägt das Design -Konzept der neuen Werkzeuge vor. Verwenden Sie dann die leistungsstarke Simulationsfunktion des Finite -Elements, um das Design konkret zu analysieren und die 6 - Sigma -Designidee von DFSS einzuführen und die wichtigen Entwurfsparameter durch ANSYS DOE -Experimentelle Design und PDS -Toleranzanalyse zu steuern, um ein robustes Design zu erreichen. Schließlich wurde das Werkzeug einmal erfolgreich hergestellt, und das Design war durch den experimentellen Frequenztest und die tatsächliche Produktionsüberprüfung angemessen. Es beweist auch, dass diese Reihe von Entwurfsmethoden machbar und effektiv ist.
Postzeit: Nov - 04 - 2020