Önsöz
Ultrasonik teknolojinin geliştirilmesi ile uygulaması gittikçe daha geniştir, küçük kir parçacıklarını temizlemek için kullanılabilir ve metal veya plastik kaynak yapmak için de kullanılabilir. Özellikle günümüzün plastik ürünlerinde, ultrasonik kaynak çoğunlukla kullanılır, çünkü vida yapısı atlandığından, görünüm daha mükemmel olabilir ve su yalıtımı ve toz yalıtım fonksiyonu da sağlanır. Plastik kaynak kornasının tasarımı, nihai kaynak kalitesi ve üretim kapasitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yeni elektrikli sayaçların üretiminde, üst ve alt yüzleri birlikte kaynaştırmak için ultrasonik dalgalar kullanılır. Bununla birlikte, kullanım sırasında, makineye bazı araçların kurulduğu ve çatlamış olduğu ve diğer arızaların kısa sürede meydana geldiği bulunmuştur. Bazı takım kaynak ürünleri kusur oranı yüksektir. Çeşitli hataların üretim üzerinde önemli bir etkisi olmuştur. Anlayışa göre, ekipman tedarikçileri takımlar için sınırlı tasarım özelliklerine ve genellikle tasarım göstergeleri elde etmek için tekrarlanan onarımlar yoluyla. Bu nedenle, dayanıklı takımlar ve makul bir tasarım yöntemi geliştirmek için kendi teknolojik avantajlarımızı kullanmak gerekir.
2 Ultrasonik Plastik Kaynak İlkesi
Ultrasonik plastik kaynak, yüksek - frekanslı zorla titreşimdeki termoplastiklerin kombinasyonunu kullanan bir işleme yöntemidir ve kaynak yüzeyleri, yerel yüksek - sıcaklık erimesi üretmek için birbirine ovmaktadır. İyi ultrasonik kaynak sonuçları elde etmek için ekipman, malzeme ve işlem parametreleri gereklidir. Aşağıdakiler ilkesine kısa bir giriş yapmaktadır.
2.1 Ultrasonik Plastik Kaynak Sistemi
Şekil 1, bir kaynak sisteminin şematik bir görünümüdür. Elektrik enerjisi, dönüştürücüye (piezoelektrik seramik) uygulanan ultrasonik frekansın (> 20 kHz) alternatif bir elektrik sinyali üretmek için sinyal jeneratöründen ve güç amplifikatöründen geçirilir. Dönüştürücü aracılığıyla elektrik enerjisi mekanik titreşimin enerjisi haline gelir ve mekanik titreşimin genliği boynuz tarafından uygun çalışma genliğine ayarlanır ve daha sonra takım kafası (kaynak takımı) aracılığıyla temas eden malzemeye eşit olarak iletilir. İki kaynak malzemesinin temas yüzeyleri yüksek - frekanslı zorla titreşime tabi tutulur ve sürtünme ısısı yerel yüksek sıcaklıkta erime üretir. Soğutulduktan sonra, malzemeler kaynak elde etmek için birleştirilir.
Bir kaynak sisteminde, sinyal kaynağı, frekans stabilitesi ve tahrik kapasitesi makinenin performansını etkileyen bir güç amplifikatör devresi içeren bir devre parçasıdır. Malzeme bir termoplastiktir ve eklem yüzeyinin tasarımı, ısı ve rıhtımın nasıl hızlı bir şekilde üretileceğini düşünmelidir. Dönüştürücüler, boynuzlar ve takım kafaları, titreşimlerinin birleştirilmesinin kolay analizi için mekanik yapılar olarak kabul edilebilir. Plastik kaynakta, mekanik titreşim uzunlamasına dalgalar şeklinde iletilir. Enerjiyi etkili bir şekilde aktarma ve genliği ayarlama tasarımın ana noktasıdır.
2.2 Takım Kafası (Kaynak Takımları)
Takım kafası, ultrasonik kaynak makinesi ile malzeme arasındaki temas arayüzü olarak hizmet eder. Ana işlevi, varyör tarafından üretilen uzunlamasına mekanik titreşimi malzemeye eşit ve verimli bir şekilde iletmektir. Kullanılan malzeme genellikle yüksek kaliteli alüminyum alaşım veya hatta titanyum alaşımıdır. Plastik malzemelerin tasarımı çok değiştiğinden, görünüm çok farklıdır ve takım kafasının buna göre değişmesi gerekir. Çalışma yüzeyinin şekli, titreşirken plastiğe zarar vermemek için malzeme ile iyi eşleştirilmelidir; Aynı zamanda, ilk - sıralı boyuna titreşim katı frekansı, kaynak makinesinin çıkış frekansı ile koordine edilmelidir, aksi takdirde titreşim enerjisi dahili olarak tüketilir. Takım kafası titreştiğinde, lokal stres konsantrasyonu meydana gelir. Bu yerel yapıların nasıl optimize edileceği de bir tasarım değerlendirmesidir. Bu makalede, tasarım parametrelerini ve üretim toleranslarını optimize etmek için ANSYS tasarım aracı kafalarının nasıl uygulanacağı araştırılmaktadır.
3 Kaynak Takım Tasarımı
Daha önce de belirtildiği gibi, kaynak takımlarının tasarımı oldukça önemlidir. Çin'de kendi kaynak araçlarını üreten birçok ultrasonik ekipman tedarikçisi vardır, ancak bunların önemli bir kısmı taklittir ve daha sonra sürekli olarak keser ve test ederler. Bu tekrarlanan ayarlama yöntemi sayesinde, takım ve ekipman frekansının koordinasyonu elde edilir. Bu yazıda, alet tasarlarken frekansı belirlemek için sonlu eleman yöntemi kullanılabilir. Takım testi sonucu ve tasarım frekansı hatası sadece%1'dir. Aynı zamanda, bu makale takımın optimize edilmesi ve sağlam tasarımını optimize etmek için DFSS (altı sigma için tasarım) kavramını tanıtır. 6 - Sigma tasarımı kavramı, hedeflenen tasarım için tasarım sürecinde müşterinin sesini tam olarak toplamaktır; ve nihai ürünün kalitesinin makul bir seviyede dağıtılmasını sağlamak için üretim sürecindeki olası sapmaların öngörülmesi. Tasarım süreci Şekil 2'de gösterilmektedir. Tasarım göstergelerinin geliştirilmesinden başlayarak, takımın yapısı ve boyutları başlangıçta mevcut deneyime göre tasarlanmıştır. Parametrik model ANSYS'de kurulur ve daha sonra model Simülasyon Deney Tasarımı (DOE) yöntemi ile belirlenir. Önemli parametreler, sağlam gereksinimlere göre, değeri belirleyin ve ardından diğer parametreleri optimize etmek için alt - problem yöntemini kullanın. Takımların üretimi ve kullanımı sırasında malzeme ve çevresel parametrelerin etkisi dikkate alındığında, üretim maliyetlerinin gereksinimlerini karşılamak için toleranslarla da tasarlanmıştır. Son olarak, verilen tasarım göstergelerini karşılamak için üretim, test ve test teorisi tasarımı ve gerçek hata. Aşağıdaki adım - By - Adım Detaylı Giriş.
3.1 Geometrik şekil tasarımı (parametrik bir model oluşturma)
Kaynak takımlarının tasarlanması önce yaklaşık geometrik şeklini ve yapısını belirler ve sonraki analiz için parametrik bir model oluşturur. Şekil 3 a), yaklaşık küboid bir malzemede titreşim yönünde bir dizi U - şekilli oluğun açıldığı en yaygın kaynak takımının tasarımıdır. Genel boyutlar, x, y ve z yönlerinin uzunluklarıdır ve x ve y lateral boyutları genellikle kaynaklanan iş parçasının boyutu ile karşılaştırılabilir. Z uzunluğu ultrasonik dalganın yarım dalga boyuna eşittir, çünkü klasik titreşim teorisinde, uzun nesnenin ilk - sırası eksenel frekansı uzunluğu ile belirlenir ve yarı - dalga uzunluğu tam olarak akustik dalga frekansı ile eşleşir. Bu tasarım genişletildi. Kullanım, ses dalgalarının yayılması için faydalıdır. U - şekilli oluğun amacı, takımın yanal titreşim kaybını azaltmaktır. Konum, boyut ve sayı, takımın toplam boyutuna göre belirlenir. Bu tasarımda, serbestçe düzenlenebilecek daha az parametre olduğu görülebilir, bu nedenle bu temelde iyileştirmeler yaptık. Şekil 3 b), geleneksel tasarımdan bir daha büyüklük parametresine sahip yeni tasarlanmış bir takımdır: dış ark yarıçapı R. Ek olarak, oluk, titreşim enerjisini iletmek ve iş parçasını hasardan korumak için yararlı olan plastik iş parçasının yüzeyi ile işbirliği yapmak için takımın çalışma yüzeyine kazınmıştır. Bu model rutin olarak ANSYS'de parametrik olarak modellenmiştir ve daha sonra bir sonraki deneysel tasarım.
3.2 DOE Deneysel Tasarımı (Önemli Parametrelerin Belirlenmesi)
DFSS, pratik mühendislik sorunlarını çözmek için oluşturulmuştur. Mükemmelliği sürdürmez, ancak etkili ve sağlamdır. 6 - Sigma fikrini somutlaştırır, ana çelişkiyi yakalar ve tasarımın çevresel değişkenliğe oldukça dirençli olmasını gerektirirken “%99.97” i terk eder. Bu nedenle, hedef parametre optimizasyonu yapılmadan önce, önce taranmalı ve yapı üzerinde önemli bir etkisi olan boyut seçilmeli ve değerleri sağlamlık prensibine göre belirlenmelidir.
3.2.1 DOE parametre ayarı ve DOE
Tasarım parametreleri, toplam sekiz olan U - şekilli oluğun vb. Takım şekli ve boyut konumudur. Hedef parametre ilk - sıralı eksenel titreşim frekansıdır, çünkü kaynak üzerinde en büyük etkiye sahiptir ve maksimum konsantre stres ve çalışma yüzeyi genliğindeki fark durum değişkenleri olarak sınırlıdır. Deneyime dayanarak, parametrelerin sonuçlar üzerindeki etkisinin doğrusal olduğu varsayılmaktadır, bu nedenle her faktör sadece yüksek ve düşük olmak üzere sadece iki seviyeye ayarlanmıştır. Parametrelerin ve karşılık gelen adların listesi aşağıdaki gibidir.
DOE, daha önce yerleşik parametrik model kullanılarak ANSYS'de gerçekleştirilir. Yazılım sınırlamaları nedeniyle, tam - faktör DOE sadece 7 parametreyi kullanabilirken, modelin 8 parametresi vardır ve ANSYS’in DOE sonuçları analizi profesyonel 6 - Sigma yazılımı kadar kapsamlı değildir ve etkileşimi işleyemez. Bu nedenle, programın sonuçlarını hesaplamak ve çıkarmak için bir DOE döngüsü yazmak için APDL kullanıyoruz ve daha sonra verileri analiz için Minitab'a koyuyoruz.
3.2.2 DOE sonuçlarının analizi
Minitab’ın DOE analizi Şekil 4'te gösterilmektedir ve ana etkileyici faktörler analizi ve etkileşim analizini içerir. Ana etkileyici faktör analizi, hangi tasarım değişkeni değişikliklerinin hedef değişken üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu belirlemek için kullanılır, böylece hangisinin önemli tasarım değişkenleri olduğunu gösterir. Faktörler arasındaki etkileşim daha sonra faktörlerin seviyesini belirlemek ve tasarım değişkenleri arasındaki bağlantı derecesini azaltmak için analiz edilir. Bir tasarım faktörü yüksek veya düşük olduğunda diğer faktörlerin değişim derecesini karşılaştırın. Bağımsız aksiyoma göre, optimal tasarım birbirine bağlı değildir, bu nedenle daha az değişken seviyeyi seçin.
Bu makaledeki kaynak takımlarının analiz sonuçları: Önemli tasarım parametreleri dış ark yarıçapı ve takımın yuva genişliğidir. Her iki parametrenin seviyesi “yüksek”, yani yarıçap DOE'de daha büyük bir değer alır ve oluk genişliği de daha büyük bir değer alır. Önemli parametreler ve değerleri belirlendi ve daha sonra, kaynak frekansını kaynak makinesinin çalışma frekansına uyacak şekilde ayarlamak için ANSYS'deki tasarımı optimize etmek için başka birkaç parametre kullanıldı. Optimizasyon işlemi aşağıdaki gibidir.
3.3 Hedef parametre optimizasyonu (takım frekansı)
Tasarım optimizasyonunun parametre ayarları DOE'ninkine benzer. Fark, iki önemli parametrenin değerlerinin belirlenmesi ve diğer üç parametrenin gürültü olarak kabul edilen ve optimize edilemeyen malzeme özellikleri ile ilişkili olmasıdır. Ayarlanabilen geri kalan üç parametre, yuvanın eksenel konumu, uzunluk ve takım genişliğidir. Optimizasyon, mühendislik problemlerinde yaygın olarak kullanılan bir yöntem olan ANSYS'de alt problem yaklaşım yöntemini kullanır ve spesifik işlem atlanır.
Frekansı hedef değişken olarak kullanmanın çalışmada biraz beceri gerektirdiğini belirtmek gerekir. Birçok tasarım parametresi ve geniş bir varyasyon yelpazesi olduğundan, takımın titreşim modları ilgi frekans aralığında çoktur. Modal analizin sonucu doğrudan kullanılırsa, ilk - sıralı eksenel modunu bulmak zordur, çünkü parametreler değiştiğinde, yani orijinal moda karşılık gelen doğal frekans ordu değiştiğinde modal sekans oluşabilir. Bu nedenle, bu makale önce modal analizi benimser ve daha sonra frekans yanıt eğrisini elde etmek için modal süperpozisyon yöntemini kullanır. Frekans tepki eğrisinin tepe değerini bularak, karşılık gelen modal frekansı sağlayabilir. Bu, otomatik optimizasyon işleminde çok önemlidir, bu da modaliteyi manuel olarak belirleme ihtiyacını ortadan kaldırır.
Optimizasyon tamamlandıktan sonra, takımın tasarım çalışma frekansı hedef frekansa çok yakın olabilir ve hata optimizasyonda belirtilen tolerans değerinden daha azdır. Bu noktada, takım tasarımı temel olarak belirlenir, ardından üretim tasarımı için üretim toleransları gelir.
3.4 Tolerans Tasarımı
Genel yapısal tasarım, tüm tasarım parametreleri belirlendikten sonra tamamlanır, ancak mühendislik problemleri için, özellikle seri üretim maliyeti göz önüne alındığında, tolerans tasarımı esastır. Düşük hassasiyet maliyeti de azalır, ancak tasarım metriklerini karşılama yeteneği nicel hesaplamalar için istatistiksel hesaplamalar gerektirir. ANSYS'deki PDS olasılık tasarım sistemi, tasarım parametresi toleransı ve hedef parametre toleransı arasındaki ilişkiyi daha iyi analiz edebilir ve tam ilişkili rapor dosyaları oluşturabilir.
3.4.1 PDS Parametre Ayarları ve Hesaplamaları
DFSS fikrine göre, önemli tasarım parametreleri üzerinde tolerans analizi yapılmalıdır ve diğer genel toleranslar ampirik olarak belirlenebilir. Bu makaledeki durum oldukça özeldir, çünkü işleme yeteneğine göre, geometrik tasarım parametrelerinin üretim toleransı çok küçüktür ve son takım frekansı üzerinde çok az etkisi vardır; Hammadde parametreleri tedarikçiler nedeniyle çok farklı olsa da ve hammaddelerin fiyatı takım işleme maliyetlerinin% 80'inden fazlasını oluşturmaktadır. Bu nedenle, malzeme özellikleri için makul bir tolerans aralığı belirlemek gerekir. Buradaki ilgili malzeme özellikleri yoğunluk, esneklik modülü ve ses dalgası yayılmasının hızıdır.
Tolerans analizi, Latin hipercube yöntemini örneklemek için ANSYS'de rastgele Monte Carlo simülasyonu kullanır, çünkü örnekleme noktalarının dağılımını daha düzgün ve makul hale getirebilir ve daha az puan daha iyi korelasyon elde edebilir. Bu makale 30 puan belirlemektedir. Üç malzeme parametresinin toleranslarının Gauss'a göre dağıtıldığını, başlangıçta üst ve alt sınır verildiğini ve daha sonra ANSYS'de hesaplandığını varsayın.
3.4.2 PDS sonuçlarının analizi
PD'lerin hesaplanması yoluyla, 30 örnekleme noktasına karşılık gelen hedef değişken değerler verilmiştir. Hedef değişkenlerin dağılımı bilinmemektedir. Parametreler tekrar minitab yazılımı kullanılarak takılır ve frekans temel olarak normal dağılıma göre dağıtılır. Bu, istatistiksel tolerans analizi teorisini sağlar.
PDS hesaplaması, tasarım değişkeninden hedef değişkenin tolerans genişlemesine uygun bir formül verir: burada y hedef değişkendir, x tasarım değişkenidir, c korelasyon katsayısıdır ve i değişken sayıdır.
Buna göre, tolerans tasarımı görevini tamamlamak için her tasarım değişkenine hedef tolerans atanabilir.
3.5 Deneysel Doğrulama
Ön kısım, tüm kaynak aracının tasarım sürecidir. Tamamlandıktan sonra, hammaddeler tasarımın izin verdiği malzeme toleranslarına göre satın alınır ve daha sonra üretime teslim edilir. Frekans ve modal test, üretim tamamlandıktan sonra gerçekleştirilir ve kullanılan test yöntemi en basit ve en etkili keskin nişancı test yöntemidir. En çok ilgili indeks ilk - sıralı eksenel modal frekans olduğundan, hızlanma sensörü çalışma yüzeyine bağlanır ve diğer uç eksenel yön boyunca vurulur ve takımın gerçek frekansı spektral analizle elde edilebilir. Tasarımın simülasyon sonucu 14925 Hz, test sonucu 14954 Hz, frekans çözünürlüğü 16 Hz ve maksimum hata%1'den az. Modal hesaplamada sonlu eleman simülasyonunun doğruluğunun çok yüksek olduğu görülebilir.
Deneysel testi geçtikten sonra, takım ultrasonik kaynak makinesinde üretime ve montaja konur. Reaksiyon koşulu iyidir. Çalışma yarım yıldan fazla bir süredir istikrarlıdır ve kaynak yeterlilik oranı yüksektir, bu da genel ekipman üreticisi tarafından vaat edilen üç - aylık hizmet ömrünü aşmıştır. Bu, tasarımın başarılı olduğunu ve üretim sürecinin tekrar tekrar değiştirilmediğini ve ayarlanmadığını, zaman ve insan gücünden tasarruf etmediğini göstermektedir.
4 Sonuç
Bu makale ultrasonik plastik kaynak prensibi ile başlar, kaynağın teknik odağını derinlemesine kavramakta ve yeni takımların tasarım konseptini önermektedir. Daha sonra tasarımı somut olarak analiz etmek için sonlu elementin güçlü simülasyon fonksiyonunu kullanın ve DFSS'nin 6 - Sigma tasarım fikrini tanıtın ve sağlam tasarım elde etmek için ANSYS DOE deneysel tasarım ve PDS tolerans analizi aracılığıyla önemli tasarım parametrelerini kontrol edin. Son olarak, takım bir kez başarıyla üretildi ve tasarım deneysel frekans testi ve gerçek üretim doğrulaması ile makul oldu. Ayrıca, bu tasarım yöntemlerinin mümkün ve etkili olduğunu kanıtlamaktadır.
Gönderme Zamanı: Kasım - 04 - 2020