Prólogo
Co desenvolvemento da tecnoloxía ultrasónica, a súa aplicación é cada vez máis extensa, pódese usar para limpar pequenas partículas de lixo, e tamén se pode usar para soldar metal ou plástico. Especialmente nos produtos plásticos de hoxe, úsase principalmente a soldadura por ultrasóns, porque se omite a estrutura do parafuso, a aparencia pode ser máis perfecta e tamén se proporciona a función de impermeabilización e proba de po. O deseño do corno de soldadura de plástico ten un impacto importante na calidade e capacidade de produción de soldadura final. Na produción de novos contadores eléctricos, as ondas ultrasónicas úsanse para fusionar as caras superiores e inferiores. Non obstante, durante o uso, comproba que algunhas ferramentas están instaladas na máquina e rachan e outros fallos ocorren nun curto período de tempo. Algúns produtos de soldadura de ferramentas A taxa de defecto é alta. Varios fallos tiveron un impacto considerable na produción. Segundo a comprensión, os provedores de equipos teñen capacidades de deseño limitadas para ferramentas e moitas veces a través de reparacións repetidas para conseguir indicadores de deseño. Por iso, é necesario empregar as nosas propias vantaxes tecnolóxicas para desenvolver ferramentas duradeiras e un método de deseño razoable.
2 Principio de soldadura de plástico ultrasónico
A soldadura por plástico ultrasónico é un método de procesamento que utiliza a combinación de termoplásticos na vibración forzada de alta frecuencia e as superficies de soldadura se frotan unhas contra outras para producir unha fusión local de alta temperatura. Para conseguir bos resultados de soldadura por ultrasóns, necesítanse equipos, materiais e parámetros de proceso. A continuación móstrase unha breve introdución ao seu principio.
2.1 Sistema de soldadura de plástico ultrasónico
A figura 1 é unha vista esquemática dun sistema de soldadura. A enerxía eléctrica pasa polo xerador de sinal e o amplificador de potencia para producir un sinal eléctrico alternativo de frecuencia ultrasónica (> 20 kHz) que se aplica ao transductor (cerámica piezoeléctrica). A través do transductor, a enerxía eléctrica convértese na enerxía da vibración mecánica, e a amplitude da vibración mecánica axústase polo corno á amplitude de traballo adecuada e logo transmítese uniformemente ao material en contacto con el a través da cabeza da ferramenta (ferramentas de soldadura). As superficies de contacto dos dous materiais de soldadura están sometidas a vibracións forzadas de alta frecuencia e a calor de fricción xera un fusión local de alta temperatura. Despois do arrefriamento, os materiais combínanse para lograr a soldadura.
Nun sistema de soldadura, a fonte do sinal é unha parte de circuíto que contén un circuíto de amplificador de potencia cuxa estabilidade de frecuencia e capacidade de unidade afectan o rendemento da máquina. O material é un termoplástico e o deseño da superficie articular debe considerar como xerar rapidamente calor e atracar. Os transductores, os cornos e as cabezas de ferramentas poden considerarse estruturas mecánicas para unha análise fácil do acoplamiento das súas vibracións. Na soldadura plástica, a vibración mecánica transmítese en forma de ondas lonxitudinais. Como transferir eficazmente a enerxía e axustar a amplitude é o principal punto de deseño.
2.2 Xefe de ferramenta (ferramenta de soldadura)
A cabeza de ferramenta serve como interface de contacto entre a máquina de soldadura por ultrasóns e o material. A súa función principal é transmitir a vibración mecánica lonxitudinal emitida polo variador de xeito uniforme e eficaz ao material. O material empregado adoita ser aliaxe de aluminio de alta calidade ou incluso aliaxe de titanio. Debido a que o deseño de materiais plásticos cambia moito, a aparencia é moi diferente e a cabeza da ferramenta ten que cambiar en consecuencia. A forma da superficie de traballo debe estar ben combinada co material, para non danar o plástico ao vibrar; Ao mesmo tempo, o primeiro - pedir a frecuencia sólida de vibración lonxitudinal debe coordinarse coa frecuencia de saída da máquina de soldadura, se non, a enerxía de vibración consumirase internamente. Cando a cabeza da ferramenta vibra, prodúcese a concentración de estrés local. Como optimizar estas estruturas locais tamén é unha consideración de deseño. Este artigo explora como aplicar cabezas de ferramentas de deseño ANSYS para optimizar os parámetros de deseño e as tolerancias de fabricación.
3 Deseño de ferramentas de soldadura
Como se mencionou anteriormente, o deseño da ferramenta de soldadura é bastante importante. Hai moitos provedores de equipos de ultrasóns en China que producen as súas propias ferramentas de soldadura, pero unha parte considerable deles son imitacións, e logo están constantemente recortando e probando. A través deste método de axuste repetido, conséguese a coordinación da frecuencia de ferramentas e do equipo. Neste artigo, o método do elemento finito pódese usar para determinar a frecuencia ao deseñar a ferramenta. O resultado da proba de ferramentas e o erro de frecuencia de deseño son só do 1%. Ao mesmo tempo, este artigo introduce o concepto de DFSS (deseño para Six Sigma) para optimizar e robusto deseño de ferramentas. O concepto de deseño 6 - Sigma é recoller plenamente a voz do cliente no proceso de deseño para o deseño dirixido; e pre - Consideración de posibles desviacións no proceso de produción para garantir que a calidade do produto final se distribúa nun nivel razoable. O proceso de deseño móstrase na figura 2. Partindo do desenvolvemento dos indicadores de deseño, a estrutura e as dimensións da ferramenta están deseñadas inicialmente segundo a experiencia existente. O modelo paramétrico establécese en ANSYS, e o modelo está determinado polo método de deseño de experimentos de simulación (DOE). Os parámetros importantes, segundo os requisitos robustos, determinan o valor e, a continuación, use o método Sub - Problema para optimizar outros parámetros. Tendo en conta a influencia de materiais e parámetros ambientais durante a fabricación e o uso da ferramenta, tamén se deseñou con tolerancias para satisfacer os requisitos dos custos de fabricación. Finalmente, o deseño da teoría de fabricación e das probas e un erro real, para cumprir os indicadores de deseño que se entregan. O seguinte paso - Por - Paso Introdución detallada.
3.1 Deseño de forma xeométrica (establecer un modelo paramétrico)
O deseño da ferramenta de soldadura determina primeiro a súa forma e estrutura xeométrica aproximada e establece un modelo paramétrico para a análise posterior. A figura 3 a) é o deseño da ferramenta de soldadura máis común, na que se abren varias rañuras en forma de U - en dirección á vibración sobre un material de aproximadamente cuboide. As dimensións xerais son as lonxitudes das direccións X, Y e Z, e as dimensións laterais X e Y son xeralmente comparables ao tamaño da peza de traballo. A lonxitude de Z é igual á media lonxitude de onda da onda ultrasónica, porque na teoría das vibracións clásicas, a primeira frecuencia axial de orde do obxecto alongado está determinada pola súa lonxitude e a lonxitude de media onda é exactamente combinada coa frecuencia de onda acústica. Este deseño ampliouse. O uso, é beneficioso para a propagación de ondas sonoras. O propósito da ranura en forma de u - é reducir a perda de vibración lateral da ferramenta. A posición, o tamaño e o número determínanse segundo o tamaño global da ferramenta. Pódese ver que neste deseño hai menos parámetros que se poden regular libremente, polo que fixemos melloras sobre esta base. A figura 3 b) é unha ferramenta de nova deseñada que ten un parámetro de tamaño máis que o deseño tradicional: o radio de arco exterior R. Ademais, a rañura está gravada na superficie de traballo da ferramenta para cooperar coa superficie da peza plástica, o que é beneficioso para transmitir enerxía de vibración e protexer a obra de traballo dos danos. Este modelo está rutineiramente modelado paramétricamente en ANSYS e, a continuación, o seguinte deseño experimental.
3.2 Deseño experimental DOE (determinación de parámetros importantes)
DFSS está creado para resolver problemas de enxeñería práctica. Non busca a perfección, pero é eficaz e robusta. Inclúe a idea de 6 - Sigma, capta a contradición principal e abandona o "99,97%", ao tempo que esixe que o deseño sexa bastante resistente á variabilidade ambiental. Polo tanto, antes de facer a optimización de parámetros de destino, debe ser examinada primeiro e debe seleccionarse o tamaño que teña unha influencia importante na estrutura e os seus valores deberían determinarse segundo o principio de robustez.
3.2.1 Configuración de parámetros DOE e DOE
Os parámetros de deseño son a forma de ferramentas e a posición de tamaño da ranura en forma de u -, etc., un total de oito. O parámetro obxectivo é o primeiro - Ordenar a frecuencia de vibración axial porque ten a maior influencia na soldadura, e a tensión concentrada máxima e a diferenza na amplitude da superficie de traballo son limitadas como variables de estado. Con base na experiencia, suponse que o efecto dos parámetros sobre os resultados é lineal, polo que cada factor só está configurado en dous niveis, alto e baixo. A lista de parámetros e os nomes correspondentes é a seguinte.
DOE realízase en ANSYS usando o modelo paramétrico establecido anteriormente. Debido ás limitacións do software, o factor DOE só pode usar ata 7 parámetros, mentres que o modelo ten 8 parámetros, e a análise de Ansys sobre os resultados de DOE non é tan ampla como o software profesional 6 - Sigma e non pode xestionar a interacción. Polo tanto, empregamos APDL para escribir un bucle DOE para calcular e extraer os resultados do programa e, a continuación, poñer os datos en Minitab para a súa análise.
3.2.2 Análise dos resultados de DOE
A análise DOE de Minitab móstrase na figura 4 e inclúe a análise de factores e análises de interacción principais influentes. A principal análise de factores que inflúe na influencia úsase para determinar que cambios de variables de deseño teñen un maior impacto na variable de destino, indicando así cales son importantes variables de deseño. A interacción entre os factores analízase entón para determinar o nivel dos factores e para reducir o grao de acoplamiento entre as variables de deseño. Compara o grao de cambio doutros factores cando un factor de deseño é alto ou baixo. Segundo o axioma independente, o deseño óptimo non se acoplou entre si, polo que elixe o nivel menos variable.
Os resultados da análise da ferramenta de soldadura neste artigo son: Os parámetros de deseño importantes son o radio do arco exterior e o ancho da ranura da ferramenta. O nivel de ambos parámetros é "alto", é dicir, o radio leva un valor maior no DOE e o ancho da rañura tamén ten un valor maior. Determináronse os parámetros importantes e os seus valores e, a continuación, utilizáronse varios outros parámetros para optimizar o deseño en ANSYS para axustar a frecuencia de ferramentas para que coincida coa frecuencia de funcionamento da máquina de soldadura. O proceso de optimización é o seguinte.
3.3 Optimización de parámetros de destino (frecuencia de ferramentas)
A configuración de parámetros da optimización do deseño é similar á do DOE. A diferenza é que se determinaron os valores de dous parámetros importantes e os outros tres parámetros están relacionados coas propiedades do material, que se consideran ruído e non se poden optimizar. Os tres parámetros restantes que se poden axustar son a posición axial da ranura, a lonxitude e o ancho da ferramenta. A optimización usa o método de aproximación de subproblemas en ANSYS, que é un método moi utilizado en problemas de enxeñería, e o proceso específico omítese.
É de destacar que usar a frecuencia como variable de destino require unha pequena habilidade en funcionamento. Debido a que hai moitos parámetros de deseño e unha ampla gama de variacións, os modos de vibración da ferramenta son moitos no rango de frecuencias de interese. Se se usa directamente o resultado da análise modal, é difícil atopar o primeiro modo Axial de pedidos, porque a intercambio de secuencia modal pode producirse cando os parámetros cambian, é dicir, o ordinal de frecuencia natural correspondente aos cambios do modo orixinal. Polo tanto, este artigo adopta a análise modal e logo usa o método de superposición modal para obter a curva de resposta de frecuencia. Ao atopar o valor máximo da curva de resposta de frecuencia, pode asegurar a frecuencia modal correspondente. Isto é moi importante no proceso de optimización automática, eliminando a necesidade de determinar manualmente a modalidade.
Despois de completar a optimización, a frecuencia de traballo do deseño da ferramenta pode estar moi preto da frecuencia de destino e o erro é inferior ao valor de tolerancia especificado na optimización. Neste momento, o deseño de ferramentas está basicamente determinado, seguido das tolerancias fabricantes para o deseño da produción.
3.4 Deseño de tolerancia
O deseño estrutural xeral complétase despois de determinar todos os parámetros de deseño, pero para problemas de enxeñería, especialmente cando se considere o custo da produción en masa, o deseño de tolerancia é esencial. O custo de baixa precisión tamén se reduce, pero a capacidade de cumprir as métricas de deseño require cálculos estatísticos para cálculos cuantitativos. O sistema de deseño de probabilidades PDS en ANSYS pode analizar mellor a relación entre a tolerancia aos parámetros de deseño e a tolerancia ao parámetro de destino e pode xerar ficheiros completos de informes relacionados.
3.4.1 Configuración e cálculos de parámetros PDS
Segundo a idea de DFSS, a análise de tolerancia debe realizarse en parámetros de deseño importantes e outras tolerancias xerais poden determinarse empíricamente. A situación deste artigo é bastante especial, porque segundo a capacidade de mecanizado, a tolerancia da fabricación dos parámetros de deseño xeométrico é moi pequena e ten pouco efecto na frecuencia final de ferramentas; Aínda que os parámetros das materias primas son moi diferentes debido aos provedores e o prezo das materias primas representa máis do 80% dos custos de procesamento de ferramentas. Polo tanto, é necesario establecer un rango de tolerancia razoable para as propiedades do material. As propiedades do material relevantes aquí son a densidade, o módulo de elasticidade e a velocidade da propagación das ondas de son.
A análise de tolerancia usa a simulación aleatoria de Monte Carlo en ANSYS para probar o método de hipercubo latino porque pode facer que a distribución de puntos de mostraxe sexa máis uniforme e razoable, e obter unha mellor correlación por menos puntos. Este artigo establece 30 puntos. Supoña que as tolerancias dos tres parámetros materiais distribúense segundo Gauss, inicialmente dadas un límite superior e inferior, e logo calcúlanse en ANSYS.
3.4.2 Análise dos resultados do PDS
A través do cálculo de PDS, danse os valores variables de destino correspondentes a 30 puntos de mostraxe. Descoñécese a distribución das variables de destino. Os parámetros están de novo usando o software Minitab e a frecuencia distribúese basicamente segundo a distribución normal. Isto garante a teoría estatística da análise de tolerancia.
O cálculo PDS dá unha fórmula adecuada desde a variable de deseño ata a expansión de tolerancia da variable de destino: onde y é a variable de destino, x é a variable de deseño, c é o coeficiente de correlación e I é o número variable.
Segundo isto, pódese asignar a tolerancia obxectivo a cada variable de deseño para completar a tarefa de deseño de tolerancia.
3.5 Verificación experimental
A parte frontal é o proceso de deseño de toda a ferramenta de soldadura. Despois da conclusión, as materias primas compranse segundo as tolerancias materiais permitidas polo deseño e logo entregadas á fabricación. A frecuencia e as probas modais realízanse despois de completar a fabricación e o método de proba empregado é o método de proba de francotirador máis sinxelo e eficaz. Debido a que o índice máis preocupado é o primeiro - pedir frecuencia modal axial, o sensor de aceleración está unido á superficie de traballo e o outro extremo é golpeado ao longo da dirección axial e a frecuencia real da ferramenta pódese obter mediante análise espectral. O resultado de simulación do deseño é de 14925 Hz, o resultado da proba é de 14954 Hz, a resolución de frecuencia é de 16 Hz e o erro máximo é inferior ao 1%. Pódese ver que a precisión da simulación de elementos finitos no cálculo modal é moi alta.
Despois de pasar a proba experimental, a ferramenta ponse en produción e montaxe na máquina de soldadura por ultrasóns. A condición de reacción é boa. O traballo foi estable durante máis de medio ano, e a taxa de cualificación de soldadura é alta, o que superou a vida útil de tres meses prometida polo fabricante de equipos xerais. Isto demostra que o deseño ten éxito e o proceso de fabricación non foi modificado e axustado repetidamente, aforrando tempo e man de obra.
4 Conclusión
Este artigo comeza co principio de soldadura de plástico ultrasónico, comprende profundamente o foco técnico da soldadura e propón o concepto de deseño de novas ferramentas. A continuación, use a poderosa función de simulación do elemento finito para analizar concretamente o deseño e introducir a idea de deseño de DFS 6 - Sigma e controlar os parámetros de deseño importantes a través do deseño experimental ANSYS DOE e a análise de tolerancia PDS para conseguir un deseño robusto. Finalmente, a ferramenta fabricouse con éxito unha vez e o deseño foi razoable pola proba de frecuencia experimental e a verificación da produción real. Tamén demostra que este conxunto de métodos de deseño é factible e eficaz.
Tempo post: nov - 04 - 2020