Przedmowa
Wraz z rozwojem technologii ultradźwiękowej jej zastosowanie jest coraz bardziej obszerne, może być stosowany do czyszczenia drobnych brudnych cząstek i może być również stosowany do spawania metalu lub plastiku. Zwłaszcza w dzisiejszych produktach z tworzyw sztucznych stosuje się spawanie ultradźwiękowe, ponieważ struktura śruby jest pomijana, wygląd może być doskonalszy, a funkcja wodoodporności i odpierania jest również zapewniana. Projekt plastikowego rogu spawalniczego ma istotny wpływ na ostateczną jakość spawania i zdolność produkcyjną. W produkcji nowych mierników elektrycznych fale ultradźwiękowe są używane do łączenia górnych i dolnych twarzy. Jednak podczas użytkowania stwierdzono, że niektóre narzędzia są instalowane na maszynie i pęknięte, a inne awarie występują w krótkim czasie. Niektóre produkty spawania narzędzi Wskaźnik defektów jest wysoki. Różne usterki miały znaczący wpływ na produkcję. Zgodnie z zrozumieniem dostawcy sprzętu mają ograniczone możliwości projektowania oprzyrządowania i często poprzez powtarzające się naprawy w celu uzyskania wskaźników projektowych. Dlatego konieczne jest wykorzystanie naszych własnych korzyści technologicznych w celu opracowania trwałego oprzyrządowania i rozsądnej metody projektowania.
2 Zasada spawania plastikowego ultradźwiękowego
Spawanie plastikowe ultradźwiękowe jest metodą przetwarzania, która wykorzystuje kombinację termoplastii w wibracjach wymuszonych o wysokiej częstotliwości, a powierzchnie spawania ocierają się o siebie w celu uzyskania lokalnego topnienia o wysokiej jakości. Aby osiągnąć dobre wyniki spawania ultradźwiękowego, wymagane są sprzęt, materiały i parametry procesu. Poniżej znajduje się krótkie wprowadzenie do jego zasady.
2.1 Ultradźwiękowy układ spawalniczy z tworzywa sztucznego
Rysunek 1 jest schematem systemu spawania. Energia elektryczna jest przepuszczana przez generator sygnału i wzmacniacz mocy w celu uzyskania naprzemiennego sygnału elektrycznego częstotliwości ultradźwiękowej (> 20 kHz), który jest przyłożony do przetwornika (ceramika piezoelektryczna). Za pośrednictwem przetwornika energia elektryczna staje się energią wibracji mechanicznej, a amplituda wibracji mechanicznej jest dostosowywana przez klakson do odpowiedniej amplitudy roboczej, a następnie równomiernie przenoszona do materiału w kontakcie przez głowicę narzędzia (narzędzia spawania). Powierzchnie kontaktowe dwóch materiałów spawalniczych są poddawane wibracjom wymuszonym o wysokiej częstotliwości, a ciepło tarcia generuje lokalne topienie o wysokiej temperaturze. Po chłodzeniu materiały są łączone w celu osiągnięcia spawania.
W systemie spawania źródło sygnału jest częścią obwodu, która zawiera obwód wzmacniacza mocy, którego stabilność częstotliwości i zdolność napędu wpływają na wydajność maszyny. Materiał jest termoplastyczny, a konstrukcja powierzchni złącza musi rozważyć, jak szybko wygenerować ciepło i dok. Przetworniki, rogi i głowy narzędzi można uznać za struktury mechaniczne w celu łatwej analizy sprzężenia ich wibracji. W spawaniu plastikowym wibracje mechaniczne są przenoszone w postaci fal podłużnych. Jak skutecznie przenosić energię i dostosować amplitudę, jest głównym punktem projektowania.
2.2 Głowica narzędzia (oprzyrządowanie spawania)
Głowica narzędzia służy jako interfejs kontaktowy między ultradźwiękowym maszyną spawalniczą a materiałem. Jego główną funkcją jest przesyłanie podłużnych wibracji mechanicznych wysyłanych przez wariator równomiernie i wydajnie do materiału. Zastosowany materiał jest zwykle wysokiej jakości stopem aluminium, a nawet stopu tytanu. Ponieważ projekt materiałów plastikowych bardzo się zmienia, wygląd jest bardzo inny, a głowica narzędzi musi odpowiednio się zmienić. Kształt powierzchni roboczej powinien być dobrze dopasowany do materiału, aby nie uszkodzić plastiku podczas wibracji; Jednocześnie pierwsza - Zakaz wibracji podłużnej częstotliwości stałej powinna być skoordynowana z częstotliwością wyjściową maszyny spawalniczej, w przeciwnym razie energia wibracji będzie zużywana wewnętrznie. Gdy głowica narzędzia wibruje, występuje lokalne stężenie naprężeń. Jak zoptymalizować te lokalne struktury, jest również kwestią projektową. W tym artykule bada, jak zastosować głowice narzędzi projektowych ANSYS w celu optymalizacji parametrów projektowych i tolerancji produkcyjnych.
3 Projektowanie narzędzi spawania
Jak wspomniano wcześniej, projekt narzędzi spawania jest dość ważny. W Chinach jest wielu dostawców sprzętu ultradźwiękowego, którzy produkują własne narzędzia spawalnicze, ale znaczną częścią z nich są imitacje, a następnie stale się przycinają i testują. Dzięki tej powtarzanej metodzie regulacji osiąga się koordynację narzędzi i częstotliwości sprzętu. W tym artykule metodę elementu skończonego można zastosować do określenia częstotliwości podczas projektowania oprzyrządowania. Wynik testu narzędzi i błąd częstotliwości projektowania wynoszą tylko 1%. Jednocześnie niniejszy artykuł wprowadza koncepcję DFSS (projekt dla Six Sigma) w celu optymalizacji i solidnego projektowania oprzyrządowania. Koncepcja projektu 6 - Sigma polega na pełnym zebraniu głosu klienta w procesie projektowym do ukierunkowanego projektowania; i wstępne rozważenie możliwych odchyleń w procesie produkcyjnym w celu zapewnienia, że jakość produktu końcowego jest rozdzielona na rozsądnym poziomie. Proces projektowania pokazano na rycinie 2. Począwszy od opracowania wskaźników projektowych, struktura i wymiary oprzyrządowania są początkowo zaprojektowane zgodnie z istniejącym doświadczeniem. Model parametryczny jest ustalany w ANSYS, a następnie model jest określany metodą projektu eksperymentu symulacyjnego (DOE). Ważne parametry, zgodnie z solidnymi wymaganiami, określają wartość, a następnie użyj metody problemu sub - Biorąc pod uwagę wpływ materiałów i parametrów środowiskowych podczas produkcji i korzystania z oprzyrządowania, został również zaprojektowany z tolerancją w celu spełnienia wymagań kosztów produkcji. Wreszcie, projektowanie teorii produkcji, testu i testów oraz faktyczny błąd, aby spełnić dostarczane wskaźniki projektowe. Poniższy krok - przez - krok szczegółowe wprowadzenie.
3.1 Geometryczna konstrukcja kształtu (ustanowienie modelu parametrycznego)
Projektowanie narzędzi spawania najpierw określa jego przybliżony kształt i struktura geometryczna i ustanawia model parametryczny do późniejszej analizy. Ryc. 3 A) to konstrukcja najczęstszego narzędzia do spawania, w którym otwiera się szereg rowków w kształcie u - Ogólne wymiary to długości kierunków x, y i z, a boczne wymiary x i y są ogólnie porównywalne z rozmiarem spawanego przedmiotu obrabianego. Długość Z jest równa długości połowy fali fali ultradźwiękowej, ponieważ w klasycznej teorii wibracji pierwsza - Oxialna częstotliwość osiowa podłużnego obiektu jest określona przez jego długość, a długość fali o połowęch jest dokładnie dopasowana do częstotliwości fali akustycznej. Ten projekt został rozszerzony. Używanie jest korzystne dla rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych. Celem rowka w kształcie U - jest zmniejszenie utraty wibracji bocznych oprzyrządowania. Pozycja, rozmiar i liczba są określane zgodnie z ogólnym rozmiarem oprzyrządowania. Można zauważyć, że w tym projekcie istnieje mniej parametrów, które można swobodnie regulować, dlatego na tej podstawie wprowadziliśmy ulepszenia. Rycina 3 B) to nowo zaprojektowane oprzyrządowanie, które ma jeszcze jeden parametr rozmiaru niż tradycyjny projekt: zewnętrzny promień łuku R. Ponadto rowek jest wygrawerowany na powierzchni roboczej narzędzia do współpracy z powierzchnią plastikowego obrabiania, który jest korzystny dla transmisji energii wibracyjnej i ochrony wyrabiania przed uszkodzeniem. Ten model jest rutynowo parametrycznie modelowany w ANSYS, a następnie w kolejnym projekcie eksperymentalnym.
3.2 Projekt eksperymentalny DOE (określenie ważnych parametrów)
DFSS jest tworzony w celu rozwiązania praktycznych problemów inżynierskich. Nie daje doskonałości, ale jest skuteczny i solidny. Uosabia ideę 6 - Sigma, oddaje główną sprzeczność i porzuca „99,97%”, jednocześnie wymagając, aby projekt był dość odporny na zmienność środowiska. Dlatego przed dokonaniem optymalizacji parametrów docelowych należy go najpierw przesiewać, a rozmiar, który ma istotny wpływ na strukturę, należy wybrać, a ich wartości należy określić zgodnie z zasadą odporności.
3.2.1 Ustawienie parametrów DOE i DOE
Parametry projektowe to kształt narzędzi i położenie rozmiaru rowka w kształcie U - itp., W sumie osiem. Parametr docelowy jest pierwszą - rzędową częstotliwością drgań osiowych, ponieważ ma największy wpływ na spoinę, a maksymalne stężone naprężenie i różnica w amplitudzie powierzchni roboczej są ograniczone jako zmienne stanu. Na podstawie doświadczenia zakłada się, że wpływ parametrów na wyniki jest liniowy, więc każdy współczynnik jest ustawiony tylko na dwa poziomy, wysoki i niski. Lista parametrów i odpowiednich nazw jest następująca.
DOE odbywa się w ANSYS przy użyciu wcześniej ustalonego modelu parametrycznego. Ze względu na ograniczenia oprogramowania pełne - czynnik DOE może używać tylko do 7 parametrów, podczas gdy model ma 8 parametrów, a analiza wyników DOE przez ANSYS nie jest tak kompleksowa jak profesjonalne oprogramowanie 6 - Sigma i nie może obsługiwać interakcji. Dlatego używamy APDL do napisania pętli DOE do obliczania i wyodrębnienia wyników programu, a następnie umieszczania danych w minitab do analizy.
3.2.2 Analiza wyników DOE
Analiza DOE Minitab pokazano na rycinie 4 i obejmuje analizę głównych czynników wpływających i analizę interakcji. Główna analiza czynnikowa wpływająca na określenie, które zmiany zmiennych projektowych mają większy wpływ na zmienną docelową, co wskazuje, które są ważnymi zmiennymi projektowymi. Następnie analizuje się interakcję między czynnikami w celu ustalenia poziomu czynników i zmniejszenia stopnia sprzężenia między zmiennymi projektowymi. Porównaj stopień zmiany innych czynników, gdy współczynnik projektowania jest wysoki lub niski. Według niezależnego aksjomatu optymalna konstrukcja nie jest ze sobą sprzężona, więc wybierz poziom mniej zmienny.
Wyniki analizy narzędzi spawania w tym artykule to: Ważnymi parametrami projektowymi są zewnętrzny promień łuku i szerokość gniazda oprzyrządowania. Poziom obu parametrów jest „wysoki”, to znaczy promień ma większą wartość w DOE, a szerokość rowka również ma większą wartość. Ważne parametry i ich wartości zostały określone, a następnie użyto kilku innych parametrów do optymalizacji projektu w ANSYS w celu dostosowania częstotliwości narzędzi w celu dopasowania częstotliwości roboczej maszyny spawalniczej. Proces optymalizacji jest następujący.
3.3 Optymalizacja parametrów docelowych (częstotliwość narzędzi)
Ustawienia parametrów optymalizacji projektowania są podobne do ustawień DOE. Różnica polega na tym, że określono wartości dwóch ważnych parametrów, a pozostałe trzy parametry są powiązane z właściwościami materiału, które są uważane za szum i nie można ich zoptymalizować. Pozostałe trzy parametry, które można dostosować, to położenie osiowe szczeliny, długość i szerokość narzędzi. Optymalizacja wykorzystuje metodę aproksymacji podproblemu w ANSYS, która jest szeroko stosowaną metodą w problemach inżynieryjnych, a konkretny proces jest pomijany.
Warto zauważyć, że stosowanie częstotliwości jako zmiennej docelowej wymaga niewielkiej umiejętności. Ponieważ istnieje wiele parametrów projektowych i szeroki zakres zmienności, tryby wibracji oprzyrządowania mają wiele w zakresie zainteresowania. Jeśli wynik analizy modalnej jest bezpośrednio używany, trudno jest znaleźć pierwszy - Tryb osiowy, ponieważ przeplatanie sekwencji modalnej może wystąpić, gdy zmieniają się parametry, to znaczy porządek częstotliwości naturalnej odpowiadający oryginalnego trybu. Dlatego niniejszy artykuł najpierw przyjmuje analizę modalną, a następnie wykorzystuje metodę superpozycji modalnej w celu uzyskania krzywej odpowiedzi częstotliwościowej. Znalezienie wartości szczytowej krzywej odpowiedzi częstotliwościowej może zapewnić odpowiednią częstotliwość modalną. Jest to bardzo ważne w procesie automatycznej optymalizacji, eliminując potrzebę ręcznego ustalenia modalności.
Po zakończeniu optymalizacji częstotliwość robocza projektowania oprzyrządowania może być bardzo zbliżona do częstotliwości docelowej, a błąd jest mniejszy niż wartość tolerancji określona w optymalizacji. W tym momencie projekt narzędzi jest zasadniczo określony, a następnie produkcja tolerancji na projektowanie produkcji.
3.4 Projektowanie tolerancji
Ogólna konstrukcja konstrukcyjna jest zakończona po ustaleniu wszystkich parametrów projektowych, ale w przypadku problemów inżynieryjnych, szczególnie w rozważaniu kosztów masowej produkcji, projektowanie tolerancji jest niezbędne. Koszt niskiej precyzji jest również zmniejszony, ale zdolność do spełnienia wskaźników projektowych wymaga obliczeń statystycznych do obliczeń ilościowych. System projektowania prawdopodobieństwa PDS w ANSYS może lepiej przeanalizować związek między tolerancją parametrów projektowych a tolerancją parametrów docelowych i może generować pełne powiązane pliki raportów.
3.4.1 Ustawienia i obliczenia parametrów PDS
Zgodnie z ideą DFSS analizę tolerancji należy przeprowadzić na ważnych parametrach projektowych, a inne ogólne tolerancje można określić empirycznie. Sytuacja w tym artykule jest dość wyjątkowa, ponieważ zgodnie z zdolnością obróbki tolerancja produkcji geometrycznych parametrów projektowych jest bardzo mała i ma niewielki wpływ na końcową częstotliwość narzędzi; Podczas gdy parametry surowców są znacznie różne ze względu na dostawców, a cena surowców stanowi ponad 80% kosztów przetwarzania narzędzi. Dlatego konieczne jest ustalenie rozsądnego zakresu tolerancji dla właściwości materiału. Odpowiednie właściwości materiału to gęstość, moduł elastyczności i prędkość propagacji fali dźwiękowej.
Analiza tolerancji wykorzystuje losową symulację Monte Carlo w ANSYS do próbkowania metody Hipercecube łacińskiej, ponieważ może uczynić rozkład punktów próbkowania bardziej jednolitych i rozsądnych oraz uzyskać lepszą korelację o mniejsze punkty. Ten artykuł ustawia 30 punktów. Załóżmy, że tolerancje trzech parametrów materiału są rozmieszczone zgodnie z Gaussem, początkowo otrzymując górną i dolną granicę, a następnie obliczane w ANSYS.
3.4.2 Analiza wyników PDS
Dzięki obliczeniom PDS podano wartości zmiennej docelowej odpowiadające 30 punktom próbkowania. Rozkład zmiennych docelowych jest nieznany. Parametry są ponownie dopasowane przy użyciu oprogramowania Minitab, a częstotliwość jest zasadniczo rozkładana zgodnie z rozkładem normalnym. Zapewnia to statystyczną teorię analizy tolerancji.
Obliczenie PDS daje formułę dopasowania od zmiennej projektowej do rozszerzenia tolerancji zmiennej docelowej: gdzie y jest zmienną docelową, x jest zmienną projektową, C jest współczynnikiem korelacji, a I jest liczbą zmienną.
Zgodnie z tym tolerancję docelową można przypisać do każdej zmiennej projektowej, aby wykonać zadanie projektowania tolerancji.
3.5 Weryfikacja eksperymentalna
Przednia część to proces projektowania całego narzędzia spawania. Po zakończeniu surowce są kupowane zgodnie z tolerancjami materiałowymi dozwolonymi przez projekt, a następnie dostarczane do produkcji. Testy częstotliwości i modalne są wykonywane po zakończeniu produkcji, a zastosowana metoda testowa jest najprostszą i najskuteczniejszą metodą testu snajpera. Ponieważ najbardziej zainteresowanym indeksem jest pierwsza - Oxialna częstotliwość modalna, czujnik przyspieszenia jest przymocowany do powierzchni roboczej, a drugi koniec jest uderzony wzdłuż kierunku osiowego, a rzeczywistą częstotliwość oprzyrządowania można uzyskać za pomocą analizy spektralnej. Wynik symulacji projektu wynosi 14925 Hz, wynik testu wynosi 14954 Hz, rozdzielczość częstotliwości wynosi 16 Hz, a maksymalny błąd jest mniejszy niż 1%. Można zauważyć, że dokładność symulacji elementu skończonego w obliczeniach modalnych jest bardzo wysoka.
Po przejściu testu eksperymentalnego oprzyrządowanie jest wprowadzane do produkcji i montażu na ultradźwiękowej maszynie spawalniczej. Warunek reakcji jest dobry. Prace są stabilne od ponad pół roku, a stawka kwalifikacji spawalniczej jest wysoka, co przekroczyło trzy miesięczne życie usług obiecane przez producenta sprzętu ogólnego. To pokazuje, że projekt się powiódł, a proces produkcji nie był wielokrotnie modyfikowany i dostosowywany, oszczędzając czas i siłę roboczą.
4 Wniosek
Niniejszy artykuł rozpoczyna się od zasady spawania plastikowego ultradźwiękowego, głęboko chwyta techniczny cel spawania i proponuje koncepcję projektowania nowego oprzyrządowania. Następnie użyj potężnej funkcji symulacyjnej elementu skończonego, aby analizować konkretną analizę projektu, i wprowadzić ideę projektu 6 - sigma DFSS, i kontroluj ważne parametry projektowe poprzez projektowanie eksperymentalne ANSYS DOE i analizę tolerancji PDS w celu osiągnięcia solidnego projektu. Wreszcie oprzyrządowanie zostało z powodzeniem wyprodukowane raz, a projekt był rozsądny w teście częstotliwości eksperymentalnej i faktycznej weryfikacji produkcji. Dowodzi również, że ten zestaw metod projektowania jest wykonalny i skuteczny.
Czas postu: listopada - 04 - 2020