Kata Pengantar
Dengan perkembangan teknologi ultrasonik, aplikasinya lebih luas, ia boleh digunakan untuk membersihkan zarah kotoran kecil, dan ia juga boleh digunakan untuk logam kimpalan atau plastik. Terutama dalam produk plastik hari ini, kimpalan ultrasonik kebanyakannya digunakan, kerana struktur skru ditinggalkan, penampilannya boleh menjadi lebih sempurna, dan fungsi kalis air dan debu juga disediakan. Reka bentuk tanduk kimpalan plastik mempunyai kesan penting terhadap kualiti kimpalan dan kapasiti pengeluaran akhir. Dalam pengeluaran meter elektrik baru, gelombang ultrasonik digunakan untuk menggabungkan muka atas dan bawah bersama -sama. Walau bagaimanapun, semasa penggunaan, didapati bahawa beberapa alat dipasang pada mesin dan retak dan kegagalan lain berlaku dalam masa yang singkat. Sesetengah produk kimpalan perkakas kadar kecacatan adalah tinggi. Pelbagai kesalahan mempunyai kesan yang besar terhadap pengeluaran. Menurut pemahaman, pembekal peralatan mempunyai keupayaan reka bentuk yang terhad untuk perkakas, dan sering melalui pembaikan berulang untuk mencapai petunjuk reka bentuk. Oleh itu, adalah perlu untuk menggunakan kelebihan teknologi kita sendiri untuk membangunkan perkakas tahan lama dan kaedah reka bentuk yang munasabah.
2 prinsip kimpalan plastik ultrasonik
Kimpalan plastik ultrasonik adalah kaedah pemprosesan yang menggunakan gabungan termoplastik dalam getaran terpaksa frekuensi tinggi, dan permukaan kimpalan menggosok antara satu sama lain untuk menghasilkan lebur suhu tinggi tempatan. Untuk mencapai hasil kimpalan ultrasonik yang baik, peralatan, bahan dan parameter proses diperlukan. Berikut adalah pengenalan ringkas kepada prinsipnya.
2.1 Sistem Kimpalan Plastik Ultrasonik
Rajah 1 adalah pandangan skematik sistem kimpalan. Tenaga elektrik diluluskan melalui penjana isyarat dan penguat kuasa untuk menghasilkan isyarat elektrik berselang frekuensi ultrasonik (> 20 kHz) yang digunakan untuk transduser (seramik piezoelektrik). Melalui transduser, tenaga elektrik menjadi tenaga getaran mekanikal, dan amplitud getaran mekanikal diselaraskan oleh tanduk ke amplitud kerja yang sesuai, dan kemudian diserahkan secara seragam ke bahan yang bersentuhan dengannya melalui kepala alat (alat kimpalan). Permukaan hubungan kedua -dua bahan kimpalan tertakluk kepada getaran terpaksa kekerapan yang tinggi, dan haba geseran menghasilkan lebur suhu tinggi tempatan. Selepas penyejukan, bahan digabungkan untuk mencapai kimpalan.
Dalam sistem kimpalan, sumber isyarat adalah bahagian litar yang mengandungi litar penguat kuasa yang kestabilan kekerapan dan keupayaan pemacu mempengaruhi prestasi mesin. Bahan ini adalah termoplastik, dan reka bentuk permukaan sendi perlu mempertimbangkan bagaimana untuk menghasilkan haba dan dok dengan cepat. Transduser, tanduk dan kepala alat semua boleh dianggap struktur mekanikal untuk analisis mudah gandingan getaran mereka. Dalam kimpalan plastik, getaran mekanikal dihantar dalam bentuk gelombang membujur. Bagaimana untuk memindahkan tenaga dengan berkesan dan menyesuaikan amplitud adalah titik utama reka bentuk.
2.2 Kepala Alat (Peralatan Kimpalan)
Kepala alat berfungsi sebagai antara muka hubungan antara mesin kimpalan ultrasonik dan bahan. Fungsi utamanya adalah untuk menghantar getaran mekanikal longitudinal yang dikeluarkan oleh variator sama rata dan cekap kepada bahan. Bahan yang digunakan biasanya aloi aluminium berkualiti tinggi atau aloi titanium. Kerana reka bentuk bahan plastik banyak berubah, penampilannya sangat berbeza, dan kepala alat harus berubah sewajarnya. Bentuk permukaan kerja harus dipadankan dengan baik dengan bahan, supaya tidak merosakkan plastik apabila bergetar; Pada masa yang sama, frekuensi pepejal getaran longitudinal pertama harus diselaraskan dengan kekerapan output mesin kimpalan, jika tidak, tenaga getaran akan dimakan secara dalaman. Apabila kepala alat bergetar, kepekatan tekanan tempatan berlaku. Bagaimana untuk mengoptimumkan struktur tempatan ini juga merupakan pertimbangan reka bentuk. Artikel ini meneroka cara memohon kepala alat reka bentuk ANSYS untuk mengoptimumkan parameter reka bentuk dan toleransi pembuatan.
3 Reka Bentuk Peralatan Kimpalan
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, reka bentuk perkakas kimpalan adalah sangat penting. Terdapat banyak pembekal peralatan ultrasonik di China yang menghasilkan alat kimpalan mereka sendiri, tetapi sebahagian besarnya adalah tiruan, dan kemudian mereka sentiasa memangkas dan menguji. Melalui kaedah pelarasan berulang ini, koordinasi kekerapan perkakas dan peralatan dicapai. Dalam makalah ini, kaedah elemen terhingga boleh digunakan untuk menentukan kekerapan apabila mereka bentuk perkakas. Hasil ujian perkakas dan ralat kekerapan reka bentuk hanya 1%. Pada masa yang sama, makalah ini memperkenalkan konsep DFSS (reka bentuk untuk Six Sigma) untuk mengoptimumkan dan reka bentuk perkakas yang mantap. Konsep 6 - Sigma Design adalah untuk mengumpulkan sepenuhnya suara pelanggan dalam proses reka bentuk untuk reka bentuk yang disasarkan; dan pra - Pertimbangan penyimpangan yang mungkin dalam proses pengeluaran untuk memastikan kualiti produk akhir diedarkan dalam tahap yang munasabah. Proses reka bentuk ditunjukkan dalam Rajah 2. Bermula dari perkembangan penunjuk reka bentuk, struktur dan dimensi perkakas pada mulanya direka mengikut pengalaman yang sedia ada. Model parametrik ditubuhkan dalam ANSYS, dan kemudian model ditentukan oleh kaedah Reka Bentuk Eksperimen Simulasi (DOE). Parameter penting, mengikut keperluan yang mantap, menentukan nilai, dan kemudian gunakan kaedah sub - masalah untuk mengoptimumkan parameter lain. Dengan mengambil kira pengaruh bahan dan parameter alam sekitar semasa pembuatan dan penggunaan perkakas, ia juga telah direka dengan toleransi untuk memenuhi keperluan kos pembuatan. Akhirnya, reka bentuk teori pembuatan, ujian dan ujian dan kesilapan sebenar, untuk memenuhi petunjuk reka bentuk yang dihantar. Langkah berikut - oleh - Pengenalan terperinci langkah.
3.1 Reka Bentuk Bentuk Geometri (Menetapkan Model Parametrik)
Merancang perkakas kimpalan pertama menentukan bentuk dan struktur geometri anggarannya dan menetapkan model parametrik untuk analisis berikutnya. Rajah 3 a) adalah reka bentuk perkakas kimpalan yang paling biasa, di mana beberapa alur berbentuk U - dibuka ke arah getaran pada bahan kira -kira cuboid. Dimensi keseluruhan adalah panjang arah x, y, dan z, dan dimensi sisi x dan y umumnya setanding dengan saiz bahan kerja yang dikimpal. Panjang z adalah sama dengan panjang gelombang separuh gelombang ultrasonik, kerana dalam teori getaran klasik, frekuensi paksi yang pertama - pesanan objek memanjang ditentukan oleh panjangnya, dan panjang gelombang separuh - tepat dipadankan dengan kekerapan gelombang akustik. Reka bentuk ini telah dilanjutkan. Penggunaan, bermanfaat untuk penyebaran gelombang bunyi. Tujuan alur berbentuk U - adalah untuk mengurangkan kehilangan getaran sisi perkakas. Kedudukan, saiz dan nombor ditentukan mengikut saiz keseluruhan perkakas. Ia dapat dilihat bahawa dalam reka bentuk ini, terdapat parameter yang lebih sedikit yang boleh dikawal secara bebas, jadi kami telah membuat penambahbaikan atas dasar ini. Rajah 3 b) adalah alat yang baru direka bentuk yang mempunyai satu lagi parameter saiz daripada reka bentuk tradisional: radius arka luar R. Di samping itu, alur diukir pada permukaan kerja perkakas untuk bekerjasama dengan permukaan bahan kerja plastik, yang bermanfaat untuk menghantar tenaga getaran dan melindungi bahan kerja dari kerosakan. Model ini secara rutin dimodelkan secara parametrik dalam ANSYS, dan kemudian reka bentuk eksperimen seterusnya.
3.2 Reka Bentuk Eksperimen DOE (Penentuan Parameter Penting)
DFSS dicipta untuk menyelesaikan masalah kejuruteraan praktikal. Ia tidak mengejar kesempurnaan, tetapi berkesan dan teguh. Ia merangkumi idea 6 - sigma, menangkap percanggahan utama, dan meninggalkan "99.97%", sambil memerlukan reka bentuk untuk menjadi tahan terhadap kebolehubahan alam sekitar. Oleh itu, sebelum membuat pengoptimuman parameter sasaran, ia harus ditayangkan terlebih dahulu, dan saiz yang mempunyai pengaruh penting terhadap struktur harus dipilih, dan nilai mereka harus ditentukan mengikut prinsip keteguhan.
3.2.1 Tetapan Parameter DOE dan DOE
Parameter reka bentuk adalah bentuk perkakas dan kedudukan saiz alur berbentuk U -, dan lain -lain, sejumlah lapan. Parameter sasaran adalah frekuensi getaran paksi pertama yang pertama kerana ia mempunyai pengaruh terbesar pada kimpalan, dan tekanan maksimum pekat dan perbezaan dalam amplitud permukaan kerja terhad sebagai pembolehubah keadaan. Berdasarkan pengalaman, diandaikan bahawa kesan parameter pada hasilnya adalah linear, jadi setiap faktor hanya ditetapkan kepada dua tahap, tinggi dan rendah. Senarai parameter dan nama yang sepadan adalah seperti berikut.
DOE dilakukan di ANSYS menggunakan model parametrik yang telah ditetapkan sebelum ini. Oleh kerana batasan perisian, Full - Factor DOE hanya boleh menggunakan sehingga 7 parameter, manakala model mempunyai 8 parameter, dan analisis ANSYS terhadap hasil DOE tidak begitu komprehensif sebagai perisian profesional 6 - Sigma, dan tidak dapat mengendalikan interaksi. Oleh itu, kami menggunakan APDL untuk menulis gelung DOE untuk mengira dan mengekstrak hasil program, dan kemudian memasukkan data ke dalam Minitab untuk analisis.
3.2.2 Analisis hasil DOE
Analisis DOE Minitab ditunjukkan dalam Rajah 4 dan termasuk analisis faktor pengaruh utama dan analisis interaksi. Analisis faktor yang mempengaruhi utama digunakan untuk menentukan perubahan pembolehubah reka bentuk yang mempunyai kesan yang lebih besar pada pembolehubah sasaran, dengan itu menunjukkan pembolehubah reka bentuk yang penting. Interaksi antara faktor -faktor kemudian dianalisis untuk menentukan tahap faktor dan untuk mengurangkan tahap gandingan antara pembolehubah reka bentuk. Bandingkan tahap perubahan faktor lain apabila faktor reka bentuk adalah tinggi atau rendah. Menurut aksioma bebas, reka bentuk optimum tidak digabungkan antara satu sama lain, jadi pilih tahap yang kurang berubah -ubah.
Hasil analisis alat kimpalan dalam makalah ini adalah: parameter reka bentuk penting adalah radius arka luar dan lebar slot perkakas. Tahap kedua -dua parameter adalah "tinggi", iaitu, radius mengambil nilai yang lebih besar dalam DOE, dan lebar alur juga mengambil nilai yang lebih besar. Parameter penting dan nilai mereka ditentukan, dan kemudian beberapa parameter lain digunakan untuk mengoptimumkan reka bentuk dalam ANSYS untuk menyesuaikan kekerapan perkakas untuk memadankan kekerapan operasi mesin kimpalan. Proses pengoptimuman adalah seperti berikut.
3.3 Pengoptimuman Parameter Sasaran (Kekerapan Peralatan)
Tetapan parameter pengoptimuman reka bentuk adalah serupa dengan DOE. Perbezaannya ialah nilai dua parameter penting telah ditentukan, dan tiga parameter lain berkaitan dengan sifat bahan, yang dianggap sebagai bunyi dan tidak dapat dioptimumkan. Baki tiga parameter yang boleh diselaraskan adalah kedudukan paksi slot, panjang dan lebar perkakas. Pengoptimuman menggunakan kaedah penghampiran subproblem dalam ANSYS, yang merupakan kaedah yang digunakan secara meluas dalam masalah kejuruteraan, dan proses tertentu ditinggalkan.
Perlu diingat bahawa menggunakan kekerapan sebagai pembolehubah sasaran memerlukan sedikit kemahiran dalam operasi. Kerana terdapat banyak parameter reka bentuk dan pelbagai variasi, mod getaran perkakas banyak dalam julat kekerapan kepentingan. Jika hasil analisis modal digunakan secara langsung, sukar untuk mencari mod paksi pertama yang pertama, kerana interleving urutan modal mungkin berlaku apabila parameter berubah, iaitu, ordinal frekuensi semulajadi yang sepadan dengan perubahan mod asal. Oleh itu, makalah ini mengamalkan analisis modal terlebih dahulu, dan kemudian menggunakan kaedah superposisi modal untuk mendapatkan lengkung tindak balas frekuensi. Dengan mencari nilai puncak lengkung tindak balas frekuensi, ia dapat memastikan kekerapan modal yang sepadan. Ini sangat penting dalam proses pengoptimuman automatik, menghapuskan keperluan untuk menentukan modaliti secara manual.
Selepas pengoptimuman selesai, kekerapan kerja reka bentuk perkakas boleh menjadi sangat dekat dengan kekerapan sasaran, dan ralat kurang daripada nilai toleransi yang ditentukan dalam pengoptimuman. Pada ketika ini, reka bentuk perkakas pada dasarnya ditentukan, diikuti dengan toleransi pembuatan untuk reka bentuk pengeluaran.
3.4 Reka Bentuk Toleransi
Reka bentuk struktur umum selesai selepas semua parameter reka bentuk telah ditentukan, tetapi untuk masalah kejuruteraan, terutamanya apabila mempertimbangkan kos pengeluaran besar -besaran, reka bentuk toleransi adalah penting. Kos ketepatan yang rendah juga dikurangkan, tetapi keupayaan untuk memenuhi metrik reka bentuk memerlukan pengiraan statistik untuk pengiraan kuantitatif. Sistem reka bentuk kebarangkalian PDS di ANSYS dapat menganalisis hubungan antara toleransi parameter reka bentuk dan toleransi parameter sasaran, dan dapat menghasilkan fail laporan yang lengkap.
3.4.1 Tetapan dan pengiraan parameter PDS
Menurut idea DFSS, analisis toleransi harus dilakukan pada parameter reka bentuk penting, dan toleransi umum lain dapat ditentukan secara empirik. Keadaan dalam makalah ini agak istimewa, kerana menurut keupayaan pemesinan, toleransi pembuatan parameter reka bentuk geometri sangat kecil, dan mempunyai sedikit kesan pada kekerapan perkakas akhir; Walaupun parameter bahan mentah sangat berbeza kerana pembekal, dan harga bahan mentah menyumbang lebih daripada 80% kos pemprosesan perkakas. Oleh itu, adalah perlu untuk menetapkan julat toleransi yang munasabah untuk sifat bahan. Ciri -ciri bahan yang berkaitan di sini adalah ketumpatan, modulus keanjalan dan kelajuan penyebaran gelombang bunyi.
Analisis toleransi menggunakan simulasi Monte Carlo secara rawak dalam ANSYS untuk mencuba kaedah hypercube Latin kerana ia boleh membuat pengedaran titik pensampelan lebih seragam dan munasabah, dan mendapatkan korelasi yang lebih baik oleh titik yang lebih sedikit. Makalah ini menetapkan 30 mata. Anggapkan bahawa toleransi dari tiga parameter bahan diedarkan mengikut Gauss, pada mulanya diberikan had atas dan bawah, dan kemudian dikira dalam ANSYS.
3.4.2 Analisis hasil PDS
Melalui pengiraan PDS, nilai pembolehubah sasaran yang sepadan dengan 30 titik persampelan diberikan. Pengagihan pembolehubah sasaran tidak diketahui. Parameter dipasang semula menggunakan perisian Minitab, dan kekerapan pada dasarnya diedarkan mengikut taburan normal. Ini memastikan teori statistik analisis toleransi.
Pengiraan PDS memberikan formula yang sesuai dari pembolehubah reka bentuk kepada pengembangan toleransi pembolehubah sasaran: di mana y adalah pemboleh ubah sasaran, x adalah pemboleh ubah reka bentuk, c ialah pekali korelasi, dan saya adalah nombor pembolehubah.
Menurut ini, toleransi sasaran boleh diberikan kepada setiap pemboleh ubah reka bentuk untuk menyelesaikan tugas reka bentuk toleransi.
3.5 Pengesahan Eksperimen
Bahagian depan adalah proses reka bentuk keseluruhan alat kimpalan. Selepas selesai, bahan mentah dibeli mengikut toleransi bahan yang dibenarkan oleh reka bentuk, dan kemudian dihantar ke pembuatan. Kekerapan dan ujian modal dilakukan selepas pembuatan selesai, dan kaedah ujian yang digunakan adalah kaedah ujian sniper yang paling mudah dan paling berkesan. Kerana indeks yang paling prihatin adalah frekuensi modal paksi pertama yang pertama, sensor pecutan dilampirkan pada permukaan kerja, dan ujung yang lain dipukul di sepanjang arah paksi, dan kekerapan sebenar perkakas dapat diperolehi oleh analisis spektrum. Hasil simulasi reka bentuk ialah 14925 Hz, hasil ujian adalah 14954 Hz, resolusi kekerapan adalah 16 Hz, dan ralat maksimum kurang dari 1%. Ia dapat dilihat bahawa ketepatan simulasi elemen terhingga dalam pengiraan modal sangat tinggi.
Selepas lulus ujian eksperimen, perkakas dimasukkan ke dalam pengeluaran dan pemasangan pada mesin kimpalan ultrasonik. Keadaan reaksi adalah baik. Kerja -kerja ini telah stabil selama lebih dari setengah tahun, dan kadar kelayakan kimpalan adalah tinggi, yang telah melebihi hayat perkhidmatan tiga bulan yang dijanjikan oleh pengeluar peralatan umum. Ini menunjukkan bahawa reka bentuk berjaya, dan proses pembuatan tidak berulang kali diubahsuai dan diselaraskan, menjimatkan masa dan tenaga kerja.
4 Kesimpulan
Makalah ini bermula dengan prinsip kimpalan plastik ultrasonik, sangat memahami tumpuan teknikal kimpalan, dan mencadangkan konsep reka bentuk alat baru. Kemudian gunakan fungsi simulasi kuat elemen terhingga untuk menganalisis reka bentuk secara konkrit, dan memperkenalkan idea reka bentuk 6 - sigma DFSS, dan mengawal parameter reka bentuk penting melalui reka bentuk eksperimen ANSYS DOE dan analisis toleransi PDS untuk mencapai reka bentuk yang mantap. Akhirnya, perkakas itu berjaya dihasilkan sekali, dan reka bentuk itu munasabah oleh ujian frekuensi eksperimen dan pengesahan pengeluaran sebenar. Ia juga membuktikan bahawa kaedah reka bentuk ini boleh dilaksanakan dan berkesan.
Masa Pos: Nov - 04 - 2020