머리말
초음파 기술의 개발을 통해 적용은 점점 더 광범위하며 작은 먼지 입자를 청소하는 데 사용될 수 있으며 용접 금속이나 플라스틱에도 사용될 수 있습니다. 특히 오늘날의 플라스틱 제품에서는 초음파 용접이 주로 사용됩니다. 나사 구조가 생략되고 외관은 더 완벽 할 수 있으며 방수 및 방수 기능도 제공됩니다. 플라스틱 용접 혼의 설계는 최종 용접 품질 및 생산 능력에 중요한 영향을 미칩니다. 새로운 전기 미터의 생산에서 초음파 파는 상단과 하부면을 함께 융합시키는 데 사용됩니다. 그러나 사용하는 동안 일부 도구가 기계에 설치되고 금이 간다는 것이 밝혀졌으며 단기간에 다른 고장이 발생합니다. 일부 툴링 용접 제품 결함 속도가 높습니다. 다양한 결함이 생산에 상당한 영향을 미쳤습니다. 이해에 따르면, 장비 공급 업체는 툴링을위한 설계 기능이 제한적이며 종종 반복 수리를 통해 설계 지표를 달성합니다. 따라서 내구성있는 툴링과 합리적인 설계 방법을 개발하기 위해 자체 기술적 장점을 사용해야합니다.
2 초음파 플라스틱 용접 원리
초음파 플라스틱 용접은 높은 주파수 강제 진동에서 열가소성의 조합을 사용하는 가공 방법이며, 용접 표면은 서로를 문지르기 위해 로컬 높은 온도 용융을 생성합니다. 우수한 초음파 용접 결과를 얻으려면 장비, 재료 및 프로세스 매개 변수가 필요합니다. 다음은 원리에 대한 간단한 소개입니다.
2.1 초음파 플라스틱 용접 시스템
그림 1은 용접 시스템의 개략도입니다. 전기 에너지는 신호 발생기 및 전력 증폭기를 통해 전달되어 트랜스 듀서 (압전 세라믹)에 적용되는 초음파 주파수 (> 20 kHz)의 교대 전기 신호를 생성합니다. 트랜스 듀서를 통해 전기 에너지는 기계적 진동의 에너지가되고, 기계적 진동의 진폭은 혼에 의해 적절한 작동 진폭으로 조정 된 다음 공구 헤드 (용접 공구)를 통해 이와 접촉하는 재료로 균일하게 전송됩니다. 두 용접 재료의 접촉 표면은 높은 주파수 강제 진동을 받고 마찰 열은 국소 고온 용융을 생성합니다. 냉각 후, 재료를 결합하여 용접을 달성합니다.
용접 시스템에서 신호 소스는 주파수 안정성과 구동 기능이 기계의 성능에 영향을 미치는 전력 증폭기 회로를 포함하는 회로 부품입니다. 이 재료는 열가소성이며 관절 표면의 설계는 열과 도크를 빠르게 생성하는 방법을 고려해야합니다. 트랜스 듀서, 뿔 및 공구 헤드는 모두 진동의 결합을 쉽게 분석 할 수 있도록 기계적 구조로 간주 될 수 있습니다. 플라스틱 용접에서, 기계적 진동은 종 방향 파의 형태로 전달된다. 에너지를 효과적으로 전달하고 진폭을 조정하는 방법은 디자인의 주요 지점입니다.
2.2 도구 헤드 (용접 툴링)
도구 헤드는 초음파 용접 기계와 재료 사이의 접촉 인터페이스 역할을합니다. 주요 기능은 VARIATOR에 의해 생산 된 종 방향 기계적 진동을 재료에 골고루하고 효율적으로 전송하는 것입니다. 사용 된 재료는 일반적으로 고품질 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금입니다. 플라스틱 재료의 디자인이 많이 바뀌기 때문에 외관은 매우 다르며 공구 헤드는 그에 따라 변경되어야합니다. 작동 표면의 모양은 진동 할 때 플라스틱을 손상시키지 않도록 재료와 잘 일치해야합니다. 동시에, 첫 번째 - 주문 세로 진동 고체 주파수는 용접 기계의 출력 주파수와 조정되어야하며, 그렇지 않으면 진동 에너지가 내부적으로 소비됩니다. 공구 헤드가 진동하면 국소 응력 농도가 발생합니다. 이러한 로컬 구조를 최적화하는 방법은 설계 고려 사항입니다. 이 기사에서는 ANSYS 설계 도구 헤드를 적용하여 설계 매개 변수 및 제조 공차를 최적화하는 방법을 살펴 봅니다.
3 용접 툴링 설계
앞에서 언급했듯이 용접 툴링의 설계는 매우 중요합니다. 중국에는 자체 용접 도구를 생산하는 초음파 장비 공급 업체가 많이 있지만 그 중 상당 부분은 모방이며 끊임없이 트리밍 및 테스트를하고 있습니다. 이 반복 조정 방법을 통해 툴링 및 장비 주파수의 조정이 달성됩니다. 이 논문에서 유한 요소 방법을 사용하여 툴링을 설계 할 때 주파수를 결정할 수 있습니다. 툴링 테스트 결과 및 설계 주파수 오차는 1%에 불과합니다. 동시에이 논문은 DFSS (Six Sigma를위한 설계)의 개념을 도입하여 도구 설계를 최적화하고 강력한 디자인을 소개합니다. 6 - Sigma Design의 개념은 대상 디자인을위한 설계 프로세스에서 고객의 음성을 완전히 수집하는 것입니다. 최종 제품의 품질이 합리적인 수준 내에서 분포되도록 생산 공정에서 가능한 편차를 고려하십시오. 설계 프로세스는 그림 2에 나와 있습니다. 설계 표시기의 개발부터 툴링의 구조와 치수는 처음에 기존 경험에 따라 설계되었습니다. 파라 메트릭 모델은 ANSYS에서 설정된 다음 모델은 Simulation Experiment Design (DOE) 방법에 의해 결정됩니다. 강력한 요구 사항에 따라 중요한 매개 변수는 값을 결정한 다음 하위 - 문제 방법을 사용하여 다른 매개 변수를 최적화합니다. 툴링의 제조 및 사용 중 재료 및 환경 매개 변수의 영향을 고려하여 제조 비용의 요구 사항을 충족시키기 위해 공차로 설계되었습니다. 마지막으로, 전달되는 설계 지표를 충족하기 위해 제조, 테스트 및 테스트 이론 설계 및 실제 오류. 다음 단계 - by - 단계 상세한 소개.
3.1 기하학적 형상 설계 (파라 메트릭 모델 설정)
용접 툴링 설계 먼저 대략적인 기하학적 모양과 구조를 결정하고 후속 분석을위한 파라 메트릭 모델을 설정합니다. 그림 3 a)는 가장 일반적인 용접 공구의 설계로, 다수의 U - 모양의 홈이 대략 입방 형의 재료에 진동 방향으로 열린다. 전체 치수는 x, y 및 z 방향의 길이이며 측면 치수 x와 y는 일반적으로 용접되는 공작물의 크기와 비슷합니다. z의 길이는 초음파 파의 절반 파장과 동일합니다. 고전적인 진동 이론에서 길쭉한 물체의 첫 번째 축 방향 주파수는 길이에 의해 결정되고 반 - 파 길이는 음향 파 주파수와 정확히 일치하기 때문입니다. 이 디자인은 확장되었습니다. 사용은 음파의 확산에 유리합니다. U - 모양의 그루브의 목적은 툴링의 측면 진동 손실을 줄이는 것입니다. 위치, 크기 및 숫자는 툴링의 전체 크기에 따라 결정됩니다. 이 디자인에는 자유롭게 조절할 수있는 매개 변수가 적으므로이를 기반으로 개선했습니다. 그림 3 b) 기존 설계보다 크기 매개 변수가 하나 더 높아지는 새로 설계된 툴링입니다. 외부 아크 반경. 이 모델은 ANSYS에서 정기적으로 매개 변수로 모델링 된 다음 다음 실험 설계입니다.
3.2 DOE 실험 설계 (중요한 매개 변수 결정)
DFSS는 실제 엔지니어링 문제를 해결하기 위해 만들어졌습니다. 완벽 함을 추구하지는 않지만 효과적이고 강력합니다. 6 - 시그마의 아이디어를 구현하고, 주요 모순을 포착하고,“99.97%”를 포기하면서 디자인은 환경 변동성에 상당히 저항력이 있어야합니다. 따라서 대상 매개 변수 최적화를하기 전에 먼저 스크리닝해야하며 구조에 중요한 영향을 미치는 크기를 선택해야하며 견고성 원리에 따라 그 값을 결정해야합니다.
3.2.1 DOE 매개 변수 설정 및 DOE
설계 매개 변수는 툴링 모양 및 U - 모양의 그루브 등의 크기 위치, 총 8입니다. 대상 매개 변수는 용접에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 첫 번째 - 주문 축 진동 주파수이며, 최대 집중 응력과 작업 표면 진폭의 차이는 상태 변수로 제한됩니다. 경험에 기초하여, 결과에 대한 매개 변수의 효과는 선형이라고 가정하므로 각 요인은 높고 낮은 두 레벨로만 설정됩니다. 매개 변수 및 해당 이름 목록은 다음과 같습니다.
DOE는 이전에 확립 된 파라 메트릭 모델을 사용하여 ANSYS에서 수행됩니다. 소프트웨어 제한으로 인해 Full - Factor DOE는 최대 7 개의 매개 변수 만 사용할 수있는 반면, 모델에는 8 개의 매개 변수가 있으며 ANSYS의 DOE 결과 분석은 Professional 6 - Sigma 소프트웨어만큼 포괄적이지 않으며 상호 작용을 처리 할 수 없습니다. 따라서 APDL을 사용하여 프로그램 결과를 계산하고 추출하기 위해 DOE 루프를 작성한 다음 분석을 위해 데이터를 Minitab에 넣습니다.
3.2.2 DOE 결과 분석
Minitab의 DOE 분석은 그림 4에 나와 있으며 주요 영향 요인 분석 및 상호 작용 분석을 포함합니다. 주요 영향 요인 분석은 대상 변수에 더 큰 영향을 미치는 설계 변수 변경을 결정하는 데 사용되므로 중요한 설계 변수인지를 나타냅니다. 그런 다음 요인들 사이의 상호 작용을 분석하여 요인의 수준을 결정하고 설계 변수 사이의 커플 링 정도를 줄입니다. 설계 계수가 높거나 낮을 때 다른 요인의 변화 정도를 비교하십시오. 독립 공리에 따르면 최적의 설계는 서로 결합되지 않으므로 덜 가변적 인 레벨을 선택하십시오.
이 논문에서 용접 공구의 분석 결과는 다음과 같습니다. 중요한 설계 매개 변수는 외부 아크 반경과 툴링의 슬롯 폭입니다. 두 매개 변수의 레벨은 "높음"입니다. 즉, 반경은 DOE에서 더 큰 값을 취하고 그루브 너비도 더 큰 값을 취합니다. 중요한 매개 변수와 그 값을 결정한 다음, 용접 기계의 작동 주파수와 일치하도록 툴링 주파수를 조정하기 위해 ANSYS의 설계를 최적화하는 데 몇 가지 다른 매개 변수를 사용했습니다. 최적화 프로세스는 다음과 같습니다.
3.3 대상 매개 변수 최적화 (툴링 주파수)
설계 최적화의 매개 변수 설정은 DOE의 매개 변수 설정과 유사합니다. 차이점은 두 가지 중요한 매개 변수의 값이 결정되었고 다른 세 매개 변수는 소음으로 간주되고 최적화 될 수없는 재료 특성과 관련이 있다는 것입니다. 조정할 수있는 나머지 3 개의 매개 변수는 슬롯의 축 위치, 길이 및 툴링 너비입니다. 최적화는 엔지니어링 문제에 널리 사용되는 방법 인 ANSYS에서 하위 문제 근사 방법을 사용하며 특정 프로세스는 생략됩니다.
대상 변수로 주파수를 사용하려면 약간의 작동 기술이 필요하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 많은 설계 매개 변수와 광범위한 변형이 있기 때문에 툴링의 진동 모드는 관심 주파수 범위에 있습니다. 모달 분석의 결과가 직접 사용되는 경우, 매개 변수가 변할 때 모달 시퀀스 인터리빙이 발생할 수 있기 때문에 첫 번째 축 방향 모드를 찾기가 어렵습니다. 따라서이 논문은 먼저 모달 분석을 채택한 다음 모달 중첩 방법을 사용하여 주파수 응답 곡선을 얻습니다. 주파수 응답 곡선의 피크 값을 찾으면 해당 모달 주파수를 보장 할 수 있습니다. 이는 자동 최적화 프로세스에서 매우 중요하므로 양식을 수동으로 결정할 필요가 없습니다.
최적화가 완료된 후, 툴링의 설계 작동 주파수는 대상 주파수에 매우 가까울 수 있으며 오차는 최적화에 지정된 공차 값보다 적습니다. 이 시점에서 툴링 설계는 기본적으로 결정된 다음 생산 설계를위한 제조 공차가 이어집니다.
3.4 공차 설계
일반적인 구조 설계는 모든 설계 매개 변수가 결정된 후에 완료되지만 엔지니어링 문제의 경우, 특히 대량 생산 비용을 고려할 때 공차 설계가 필수적입니다. 정밀도가 낮은 비용도 줄어 듭니다. 그러나 설계 메트릭을 충족하는 능력에는 정량적 계산을위한 통계 계산이 필요합니다. ANSYS의 PDS 확률 설계 시스템은 설계 매개 변수 공차와 대상 매개 변수 공차 사이의 관계를 더 잘 분석하고 완전한 관련 보고서 파일을 생성 할 수 있습니다.
3.4.1 PDS 매개 변수 설정 및 계산
DFSS 아이디어에 따르면, 중요한 설계 매개 변수에 대한 공차 분석을 수행해야하며, 다른 일반 공차는 경험적으로 결정될 수 있습니다. 가공의 능력에 따라 기하학적 설계 매개 변수의 제조 허용 오차는 매우 작으며 최종 툴링 주파수에 거의 영향을 미치지 않기 때문에이 백서의 상황은 매우 특별합니다. 공급 업체로 인해 원자재의 매개 변수는 크게 다르며 원자재 가격은 툴링 처리 비용의 80% 이상을 차지합니다. 따라서 재료 특성에 대한 합리적인 공차 범위를 설정해야합니다. 여기서 관련 재료 특성은 밀도, 탄성 계수 및 음파 전파 속도입니다.
공차 분석은 ANSYS에서 임의의 Monte Carlo 시뮬레이션을 사용하여 라틴 하이퍼 큐브 방법을 샘플링합니다. 샘플링 포인트의 분포를보다 균일하고 합리적으로 만들 수 있으며 더 적은 점수의 상관 관계를 얻을 수 있기 때문입니다. 이 백서는 30 점을 설정합니다. 세 가지 재료 매개 변수의 공차가 가우스에 따라 분포되고, 처음에는 상한과 하한이 주어진 다음 ANSYS에서 계산된다고 가정합니다.
3.4.2 PDS 결과 분석
PDS 계산을 통해 30 샘플링 지점에 해당하는 목표 변수 값이 제공됩니다. 대상 변수의 분포는 알려져 있지 않습니다. 매개 변수는 Minitab 소프트웨어를 사용하여 다시 장착되며 주파수는 기본적으로 정규 분포에 따라 분포됩니다. 이것은 공차 분석의 통계 이론을 보장합니다.
PDS 계산은 설계 변수에서 대상 변수의 공차 확장으로의 피팅 공식을 제공합니다.
이에 따르면, 대상 공차는 각 설계 변수에 지정되어 공차 설계 작업을 완료 할 수 있습니다.
3.5 실험 검증
전면은 전체 용접 도구의 설계 프로세스입니다. 완료 후, 원료는 설계에 의해 허용되는 재료 공차에 따라 구매 한 다음 제조에 전달됩니다. 주파수 및 모달 테스트는 제조가 완료된 후에 수행되며 사용 된 테스트 방법은 가장 간단하고 가장 효과적인 저격수 테스트 방법입니다. 가장 관련이있는 인덱스는 첫 번째 - 순서 축 모달 주파수이기 때문에 가속 센서는 작업 표면에 부착되고 다른 쪽 끝은 축 방향을 따라 강타되고 툴링의 실제 주파수는 스펙트럼 분석에 의해 얻을 수 있습니다. 설계의 시뮬레이션 결과는 14925Hz이고 테스트 결과는 14954Hz, 주파수 해상도는 16Hz이며 최대 오차는 1%미만입니다. 모달 계산에서 유한 요소 시뮬레이션의 정확도가 매우 높다는 것을 알 수 있습니다.
실험 테스트를 통과 한 후, 툴링은 초음파 용접 기계의 생산 및 어셈블리에 넣습니다. 반응 조건이 좋습니다. 이 작업은 반년 이상 안정되었으며, 용접 자격이 높아서 일반 장비 제조업체가 약속 한 3 개월의 서비스 수명을 초과했습니다. 이는 설계가 성공했으며 제조 공정이 반복적으로 수정되고 조정되지 않아 시간과 인력을 절약 할 수 있습니다.
4 결론
이 논문은 초음파 플라스틱 용접의 원리로 시작하여 용접의 기술적 초점을 깊이 파악하고 새로운 툴링의 설계 개념을 제안합니다. 그런 다음 유한 요소의 강력한 시뮬레이션 기능을 사용하여 설계를 구체적으로 분석하고 DFSS의 6 - Sigma 디자인 아이디어를 소개하고 ANSYS DOE 실험 설계 및 PDS 내성 분석을 통해 중요한 설계 매개 변수를 제어하여 강력한 설계를 달성하십시오. 마지막으로, 툴링은 한 번 성공적으로 제조되었으며, 실험 주파수 테스트와 실제 생산 검증으로 설계가 합리적이었습니다. 또한이 설계 방법 세트가 실현 가능하고 효과적임을 증명합니다.
후 시간 : 11 월 - 04 - 2020