Prefazione
Con lo sviluppo della tecnologia ad ultrasuoni, la sua applicazione è sempre più estesa, può essere utilizzata per pulire minuscole particelle di sporco e può anche essere utilizzata per saldare metallo o plastica. Soprattutto nei prodotti di plastica di oggi, la saldatura ad ultrasuoni viene utilizzata principalmente, poiché la struttura della vite viene omessa, l'aspetto può essere più perfetto e viene fornita anche la funzione di impermeabilizzazione e polvere. Il design del corno di saldatura in plastica ha un impatto importante sulla qualità della saldatura finale e sulla capacità di produzione. Nella produzione di nuovi contatori elettrici, le onde ad ultrasuoni vengono utilizzate per fondere insieme le facce superiori e inferiori. Tuttavia, durante l'uso, si è riscontrato che alcuni strumenti sono installati sulla macchina e si verificano e si verificano altri guasti in un breve periodo di tempo. Alcuni prodotti per saldatura degli strumenti il tasso di difetto è elevato. Vari difetti hanno avuto un notevole impatto sulla produzione. Secondo la comprensione, i fornitori di attrezzature hanno funzionalità di progettazione limitate per gli strumenti e spesso attraverso riparazioni ripetute per ottenere indicatori di progettazione. Pertanto, è necessario utilizzare i nostri vantaggi tecnologici per sviluppare strumenti durevoli e un metodo di progettazione ragionevole.
2 Principio di saldatura in plastica ad ultrasuoni
La saldatura in plastica ad ultrasuoni è un metodo di elaborazione che utilizza la combinazione di termoplastici nelle vibrazioni forzate ad alta frequenza e le superfici di saldatura si sfregano per produrre una fusione locale ad alta temperatura. Al fine di ottenere buoni risultati di saldatura ad ultrasuoni, attrezzature, materiali e parametri di processo. Quella che segue è una breve introduzione al suo principio.
2.1 Sistema di saldatura in plastica ad ultrasuoni
La Figura 1 è una vista schematica di un sistema di saldatura. L'energia elettrica viene passata attraverso il generatore di segnale e l'amplificatore di potenza per produrre un segnale elettrico alternato di frequenza ad ultrasuoni (> 20 kHz) che viene applicato al trasduttore (ceramica piezoelettrica). Attraverso il trasduttore, l'energia elettrica diventa l'energia della vibrazione meccanica e l'ampiezza della vibrazione meccanica viene regolata dal corno all'ampiezza di lavoro appropriata, quindi trasmessa uniformemente al materiale a contatto con essa attraverso la testa dell'utensile (strumenti di saldatura). Le superfici di contatto dei due materiali di saldatura sono soggette a vibrazioni forzate ad alta frequenza e il calore dell'attrito genera una fusione locale ad alta temperatura. Dopo il raffreddamento, i materiali sono combinati per ottenere la saldatura.
In un sistema di saldatura, la sorgente del segnale è una parte di circuito che contiene un circuito dell'amplificatore di potenza la cui stabilità di frequenza e capacità di azionamento influiscono sulle prestazioni della macchina. Il materiale è un termoplastico e la progettazione della superficie articolare deve considerare come generare rapidamente calore e dock. Trasduttori, corna e teste degli strumenti possono essere considerati strutture meccaniche per una facile analisi dell'accoppiamento delle loro vibrazioni. Nella saldatura in plastica, le vibrazioni meccaniche vengono trasmesse sotto forma di onde longitudinali. Come trasferire efficacemente l'energia e regolare l'ampiezza è il punto di design principale.
2.2 Testa dello strumento (strumenti di saldatura)
La testa dello strumento funge da interfaccia di contatto tra la saldatura ad ultrasuoni e il materiale. La sua funzione principale è quella di trasmettere le vibrazioni meccaniche longitudinali emesse dal variatore uniformemente ed efficiente al materiale. Il materiale utilizzato è generalmente in lega di alluminio di alta qualità o persino lega di titanio. Poiché il design dei materiali plastici cambia molto, l'aspetto è molto diverso e la testa dello strumento deve cambiare di conseguenza. La forma della superficie di lavoro dovrebbe essere ben abbinata al materiale, in modo da non danneggiare la plastica durante la vibrazione; Allo stesso tempo, la frequenza solida di vibrazione longitudinale del primo - ordine dovrebbe essere coordinata con la frequenza di uscita della saldatura, altrimenti l'energia di vibrazione verrà consumata internamente. Quando la testa dell'utensile vibra, si verifica la concentrazione di sollecitazione locale. Anche come ottimizzare queste strutture locali è una considerazione di progettazione. Questo articolo esplora come applicare le teste degli strumenti di progettazione ANSYS per ottimizzare i parametri di progettazione e le tolleranze di produzione.
3 progettazione di utensili da saldatura
Come accennato in precedenza, la progettazione degli strumenti di saldatura è piuttosto importante. Ci sono molti fornitori di attrezzature ad ultrasuoni in Cina che producono i propri strumenti di saldatura, ma una parte considerevole di esse sono imitazioni e quindi sono costantemente tagli e test. Attraverso questo ripetuto metodo di regolazione, si ottiene il coordinamento della frequenza degli strumenti e delle apparecchiature. In questo documento, il metodo degli elementi finiti può essere utilizzato per determinare la frequenza durante la progettazione degli utensili. Il risultato del test di strumenti e l'errore di frequenza di progettazione sono solo dell'1%. Allo stesso tempo, questo documento introduce il concetto di DFSS (Design for Six Sigma) per ottimizzare e robusto il design degli strumenti. Il concetto di design 6 - Sigma è quello di raccogliere pienamente la voce del cliente nel processo di progettazione per il design mirato; e pre -considerazione delle possibili deviazioni nel processo di produzione per garantire che la qualità del prodotto finale sia distribuita a un livello ragionevole. Il processo di progettazione è mostrato nella Figura 2. A partire dallo sviluppo degli indicatori di progettazione, la struttura e le dimensioni degli utensili sono inizialmente progettati in base all'esperienza esistente. Il modello parametrico è stabilito in ANSYS e quindi il modello è determinato dal metodo DOE Experiment Design (DOE). Parametri importanti, secondo i requisiti robusti, determinano il valore e quindi usano il metodo del sub - problema per ottimizzare altri parametri. Tenendo conto dell'influenza di materiali e parametri ambientali durante la produzione e l'uso degli strumenti, è stato anche progettato con tolleranze per soddisfare i requisiti dei costi di produzione. Infine, la progettazione di produzione, teoria dei test e test ed errore effettivo, per soddisfare gli indicatori di progettazione che vengono consegnati. Il passaggio seguente - per - Passo dettagliato Introduzione.
3.1 Progettazione della forma geometrica (stabilendo un modello parametrico)
La progettazione degli strumenti di saldatura determina prima la sua forma e struttura geometriche approssimative e stabilisce un modello parametrico per le successive analisi. La Figura 3 a) è la progettazione degli utensili di saldatura più comuni, in cui sono aperti un numero di scanalature a forma di U - Le dimensioni complessive sono le lunghezze delle direzioni X, Y e Z e le dimensioni laterali X e Y sono generalmente paragonabili alle dimensioni del pezzo saldato. La lunghezza di Z è uguale alla mezza lunghezza d'onda dell'onda ad ultrasuoni, perché nella teoria delle vibrazioni classiche, la prima frequenza assiale dell'ordine dell'oggetto allungato è determinata dalla sua lunghezza e la lunghezza della mezza - onda è esattamente abbinata alla frequenza dell'onda acustica. Questo design è stato esteso. L'uso, è benefico per la diffusione di onde sonore. Lo scopo della scanalatura a forma di U - è ridurre la perdita di vibrazioni laterali degli utensili. La posizione, la dimensione e il numero sono determinati in base alla dimensione complessiva degli utensili. Si può vedere che in questo progetto ci sono meno parametri che possono essere regolati liberamente, quindi abbiamo apportato miglioramenti su questa base. La Figura 3 b) è uno strumento di nuova concezione che ha un parametro di dimensioni in più rispetto al design tradizionale: il raggio dell'arco esterno R. Inoltre, la scanalatura è incisa sulla superficie di lavoro degli utensili per collaborare con la superficie del pezzo di plastica, che è utile trasmettere energia di vibrazione e proteggere il pezzo di lavoro dai danni. Questo modello è abitualmente modellato parametricamente in ANSYS e quindi il prossimo design sperimentale.
3.2 Progetta sperimentale DOE (determinazione di parametri importanti)
DFSS viene creato per risolvere problemi di ingegneria pratica. Non persegue la perfezione, ma è efficace e robusto. Incarna l'idea di 6 - Sigma, cattura la contraddizione principale e abbandona il "99,97%", richiedendo al contempo che il design sia abbastanza resistente alla variabilità ambientale. Pertanto, prima di effettuare l'ottimizzazione dei parametri target, dovrebbe essere screening per prima e le dimensioni che hanno un'influenza importante sulla struttura dovrebbero essere selezionate e i loro valori dovrebbero essere determinati secondo il principio di robustezza.
3.2.1 Impostazione dei parametri DOE e DOE
I parametri di progettazione sono la forma degli utensili e la posizione dimensionale della scanalatura a forma di U -, ecc., Un totale di otto. Il parametro target è la prima frequenza di vibrazione assiale dell'ordine perché ha la maggiore influenza sulla saldatura e la massima sollecitazione concentrata e la differenza nell'ampiezza della superficie di lavoro sono limitate come variabili di stato. Sulla base dell'esperienza, si presume che l'effetto dei parametri sui risultati sia lineare, quindi ogni fattore è impostato solo su due livelli, alti e bassi. L'elenco dei parametri e dei nomi corrispondenti è il seguente.
DOE viene eseguito in ANSYS utilizzando il modello parametrico precedentemente stabilito. A causa delle limitazioni del software, Full - Factor DOE può utilizzare solo fino a 7 parametri, mentre il modello ha 8 parametri e l'analisi di ANSYS sui risultati DOE non è completa come il software Professional 6 - Sigma e non può gestire l'interazione. Pertanto, utilizziamo APDL per scrivere un loop DOE per calcolare ed estrarre i risultati del programma, quindi inserire i dati in minitab per l'analisi.
3.2.2 Analisi dei risultati DOE
L'analisi DOE di Minitab è mostrata nella Figura 4 e include l'analisi dei fattori di influenza e l'analisi dell'interazione. L'analisi fattoriale di influenza principale viene utilizzata per determinare quali modifiche alla variabile di progettazione hanno un impatto maggiore sulla variabile target, indicando così quali sono importanti variabili di progettazione. L'interazione tra i fattori viene quindi analizzata per determinare il livello dei fattori e per ridurre il grado di accoppiamento tra le variabili di progettazione. Confronta il grado di cambiamento di altri fattori quando un fattore di progettazione è alto o basso. Secondo l'assioma indipendente, il design ottimale non è accoppiato tra loro, quindi scegli il livello meno variabile.
I risultati dell'analisi degli strumenti di saldatura in questo documento sono: I parametri di progettazione importanti sono il raggio dell'arco esterno e la larghezza dello slot degli utensili. Il livello di entrambi i parametri è "alto", cioè il raggio prende un valore maggiore nella DOE e anche la larghezza della scanalatura prende un valore maggiore. Sono stati determinati i parametri importanti e i loro valori, quindi sono stati utilizzati molti altri parametri per ottimizzare il design in ANSYS per regolare la frequenza di strumenti per abbinare la frequenza operativa della saldatura. Il processo di ottimizzazione è il seguente.
3.3 Ottimizzazione dei parametri target (frequenza di strumenti)
Le impostazioni dei parametri dell'ottimizzazione del design sono simili a quelle del DOE. La differenza è che i valori di due parametri importanti sono stati determinati e gli altri tre parametri sono correlati alle proprietà del materiale, che sono considerate rumore e non possono essere ottimizzate. I restanti tre parametri che possono essere regolati sono la posizione assiale dello slot, la lunghezza e la larghezza degli strumenti. L'ottimizzazione utilizza il metodo di approssimazione del sottoproblema in ANSYS, che è un metodo ampiamente utilizzato nei problemi di ingegneria e il processo specifico viene omesso.
Vale la pena notare che l'uso della frequenza come variabile target richiede una piccola abilità in funzione. Poiché ci sono molti parametri di progettazione e una vasta gamma di variazioni, le modalità di vibrazione degli utensili sono molte nella gamma di frequenza di interesse. Se il risultato dell'analisi modale viene utilizzato direttamente, è difficile trovare la prima modalità assiale dell'ordine, poiché la sequenza modale può verificarsi quando i parametri cambiano, ovvero l'ordinale di frequenza naturale corrispondente alla modalità originale cambia. Pertanto, questo documento adotta prima l'analisi modale e quindi utilizza il metodo di sovrapposizione modale per ottenere la curva di risposta in frequenza. Trovando il valore di picco della curva di risposta in frequenza, può garantire la frequenza modale corrispondente. Questo è molto importante nel processo di ottimizzazione automatica, eliminando la necessità di determinare manualmente la modalità.
Dopo il completamento dell'ottimizzazione, la frequenza di lavoro del progetto degli strumenti può essere molto vicina alla frequenza di destinazione e l'errore è inferiore al valore di tolleranza specificato nell'ottimizzazione. A questo punto, la progettazione degli strumenti è sostanzialmente determinata, seguita da tolleranze di produzione per la progettazione della produzione.
3.4 Progettazione di tolleranza
La progettazione strutturale generale è completata dopo che tutti i parametri di progettazione sono stati determinati, ma per problemi di ingegneria, in particolare quando si considera il costo della produzione di massa, la progettazione di tolleranza è essenziale. Anche il costo della bassa precisione è ridotto, ma la capacità di soddisfare le metriche di progettazione richiede calcoli statistici per i calcoli quantitativi. Il sistema di progettazione di probabilità PDS in ANSYS può analizzare meglio la relazione tra tolleranza ai parametri di progettazione e tolleranza ai parametri target e può generare file di report correlati completi.
3.4.1 Impostazioni e calcoli dei parametri PDS
Secondo l'idea DFSS, l'analisi della tolleranza dovrebbe essere eseguita su importanti parametri di progettazione e altre tolleranze generali possono essere determinate empiricamente. La situazione in questo documento è piuttosto speciale, perché in base alla capacità della lavorazione, la tolleranza di produzione dei parametri di progettazione geometrica è molto piccola e ha scarso effetto sulla frequenza finale degli utensili; Mentre i parametri delle materie prime sono molto diversi a causa dei fornitori e il prezzo delle materie prime rappresenta oltre l'80% dei costi di elaborazione degli strumenti. Pertanto, è necessario impostare un intervallo di tolleranza ragionevole per le proprietà del materiale. Le proprietà materiali rilevanti qui sono la densità, il modulo di elasticità e la velocità della propagazione delle onde sonore.
L'analisi della tolleranza utilizza la simulazione casuale Monte Carlo in ANSYS per campionare il metodo latino Hypercube perché può rendere la distribuzione dei punti di campionamento più uniforme e ragionevole e ottenere una migliore correlazione di meno punti. Questo documento imposta 30 punti. Supponiamo che le tolleranze dei tre parametri del materiale siano distribuite secondo Gauss, inizialmente somministrato un limite superiore e inferiore e quindi calcolate in ANSYS.
3.4.2 Analisi dei risultati PDS
Attraverso il calcolo dei PD, vengono forniti i valori variabili target corrispondenti a 30 punti di campionamento. La distribuzione delle variabili target è sconosciuta. I parametri vengono nuovamente montati utilizzando il software Minitab e la frequenza è sostanzialmente distribuita in base alla distribuzione normale. Ciò garantisce la teoria statistica dell'analisi della tolleranza.
Il calcolo PDS fornisce una formula di adattamento dalla variabile di progettazione all'espansione della tolleranza della variabile target: dove y è la variabile target, x è la variabile di progettazione, c è il coefficiente di correlazione e i è il numero variabile.
In base a questo, la tolleranza target può essere assegnata a ciascuna variabile di progettazione per completare il compito di progettazione di tolleranza.
3.5 Verifica sperimentale
La parte anteriore è il processo di progettazione dell'intero strumento di saldatura. Dopo il completamento, le materie prime vengono acquistate in base alle tolleranze del materiale consentite dal design e quindi consegnate alla produzione. La frequenza e i test modali vengono eseguiti dopo il completamento della produzione e il metodo di prova utilizzato è il metodo di prova da cecchino più semplice ed efficace. Poiché l'indice più interessato è la prima frequenza modale assiale dell'ordine, il sensore di accelerazione è attaccato alla superficie di lavoro e l'altra estremità viene colpita lungo la direzione assiale e la frequenza effettiva degli utensili può essere ottenuta mediante analisi spettrale. Il risultato della simulazione del progetto è 14925 Hz, il risultato del test è 14954 Hz, la risoluzione della frequenza è di 16 Hz e l'errore massimo è inferiore all'1%. Si può vedere che l'accuratezza della simulazione di elementi finiti nel calcolo modale è molto elevata.
Dopo aver superato il test sperimentale, gli strumenti vengono messi in produzione e assemblaggio sulla saldatura ad ultrasuoni. La condizione di reazione è buona. Il lavoro è stato stabile per oltre mezzo anno e il tasso di qualificazione alla saldatura è elevato, che ha superato la durata di servizio di tre mesi promessa dal produttore generale delle attrezzature. Ciò dimostra che il design ha successo e il processo di produzione non è stato ripetutamente modificato e regolato, risparmiando tempo e forza lavoro.
4 Conclusione
Questo documento inizia con il principio della saldatura in plastica ad ultrasuoni, afferra profondamente il focus tecnico della saldatura e propone il concetto di progettazione di nuovi strumenti. Quindi utilizzare la potente funzione di simulazione dell'elemento finito per analizzare concretamente il design e introdurre l'idea di progettazione 6 - sigma di DFSS e controllare i parametri di progettazione importanti attraverso la progettazione sperimentale di ANSYS DOE e l'analisi della tolleranza PDS per ottenere un design robusto. Infine, gli strumenti sono stati fabbricati con successo una volta e il design è stato ragionevole dal test di frequenza sperimentale e dalla verifica della produzione effettiva. Dimostra inoltre che questo insieme di metodi di progettazione è fattibile ed efficace.
Tempo post: nov - 04 - 2020