cuvânt înainte
Odată cu dezvoltarea tehnologiei cu ultrasunete, aplicația sa este din ce în ce mai extinsă, poate fi utilizată pentru curățarea particulelor mici de murdărie și poate fi folosită și pentru sudarea metalelor sau a plasticului. În special în produsele din plastic de astăzi, sudarea cu ultrasunete este utilizată în cea mai mare parte, deoarece structura șurubului este omisă, aspectul poate fi mai perfect și funcția de impermeabilizare și protecție împotriva prafului este, de asemenea, prevăzută. Proiectarea claxonului de sudură din plastic are un impact important asupra calității finale a sudurii și a capacității de producție. În producția de contoare electrice noi, undele ultrasonice sunt utilizate pentru a fuziona fețele superioare și inferioare împreună. Cu toate acestea, în timpul utilizării, se constată că unele unelte sunt instalate pe mașină și sunt sparte și alte defecțiuni apar într-o perioadă scurtă de timp. Unele produse de sudură pentru scule Rata defectelor este mare. Diverse defecte au avut un impact considerabil asupra producției. Conform înțelegerii, furnizorii de echipamente au capacități de proiectare limitate pentru scule și adesea prin reparații repetate pentru a atinge indicatorii de proiectare. Prin urmare, este necesar să folosim propriile noastre avantaje tehnologice pentru a dezvolta scule durabile și o metodă de proiectare rezonabilă.
2 Principiul sudării cu ultrasunete a plasticului
Sudarea cu ultrasunete a plasticului este o metodă de procesare care utilizează combinația de termoplastice în vibrația forțată de înaltă frecvență, iar suprafețele de sudare se freacă una de cealaltă pentru a produce topirea locală la temperaturi ridicate. Pentru a obține rezultate bune la sudarea cu ultrasunete, sunt necesare echipamente, materiale și parametri de proces. Următoarea este o scurtă introducere a principiului său.
2.1 Sistem de sudare cu ultrasunete din plastic
Figura 1 este o vedere schematică a unui sistem de sudare. Energia electrică este trecută prin generatorul de semnal și amplificatorul de putere pentru a produce un semnal electric alternativ de frecvență cu ultrasunete (> 20 kHz) care se aplică traductorului (ceramică piezoelectrică). Prin traductor, energia electrică devine energia vibrației mecanice, iar amplitudinea vibrației mecanice este reglată de claxon la amplitudinea de lucru adecvată și apoi transmisă uniform materialului în contact cu acesta prin capul sculei (sudare scule). Suprafețele de contact ale celor două materiale de sudură sunt supuse vibrațiilor forțate de înaltă frecvență, iar căldura de frecare generează topirea locală la temperatură ridicată. După răcire, materialele sunt combinate pentru a realiza sudarea.

Într-un sistem de sudare, sursa de semnal este o parte a circuitului care conține un circuit de amplificare a puterii a cărui stabilitate a frecvenței și capacitatea de acționare afectează performanța mașinii. Materialul este un material termoplastic, iar proiectarea suprafeței articulației trebuie să ia în considerare modul de generare rapidă a căldurii și a andocării. Traductoarele, coarnele și capetele sculelor pot fi considerate toate structuri mecanice pentru o analiză ușoară a cuplării vibrațiilor lor. În sudarea plasticului, vibrațiile mecanice sunt transmise sub formă de unde longitudinale. Punctul principal al proiectării este transferul eficient de energie și reglarea amplitudinii.
2.2 Capul sculei (scule de sudură)
Capul sculei servește ca interfață de contact între mașina de sudat cu ultrasunete și material. Funcția sa principală este de a transmite vibrația mecanică longitudinală produsă de variator în mod uniform și eficient către material. Materialul utilizat este de obicei aliaj de aluminiu de înaltă calitate sau chiar aliaj de titan. Deoarece designul materialelor plastice se schimbă foarte mult, aspectul este foarte diferit, iar capul sculei trebuie să se schimbe în consecință. Forma suprafeței de lucru trebuie să se potrivească bine cu materialul, pentru a nu deteriora plasticul atunci când vibrează; în același timp, frecvența solidă a vibrațiilor longitudinale de ordinul întâi trebuie să fie coordonată cu frecvența de ieșire a mașinii de sudat, altfel energia vibrației va fi consumată intern. Când capul sculei vibrează, apare concentrația locală de stres. Modul de optimizare a acestor structuri locale este, de asemenea, o considerație de proiectare. Acest articol explorează modul de aplicare a capetelor de instrumente de proiectare ANSYS pentru a optimiza parametrii de proiectare și toleranțele de fabricație.
3 proiectare scule de sudură
După cum sa menționat mai devreme, proiectarea sculelor de sudură este destul de importantă. Există mulți furnizori de echipamente cu ultrasunete în China care își produc propriile unelte de sudură, dar o parte considerabilă dintre acestea sunt imitații și apoi sunt în mod constant tăiate și testate. Prin această metodă de reglare repetată, se realizează coordonarea sculelor și a frecvenței echipamentelor. În această lucrare, metoda elementelor finite poate fi utilizată pentru a determina frecvența la proiectarea sculei. Rezultatul testului de scule și eroarea de frecvență de proiectare sunt de numai 1%. În același timp, această lucrare introduce conceptul DFSS (Design For Six Sigma) pentru optimizarea și designul robust al sculelor. Conceptul de design 6-Sigma este de a colecta pe deplin vocea clientului în procesul de proiectare pentru proiectarea vizată; și luarea în considerare a posibilelor abateri în procesul de producție pentru a se asigura că calitatea produsului final este distribuită într-un nivel rezonabil. Procesul de proiectare este prezentat în Figura 2. Pornind de la dezvoltarea indicatorilor de proiectare, structura și dimensiunile sculelor sunt proiectate inițial în funcție de experiența existentă. Modelul parametric este stabilit în ANSYS, iar apoi modelul este determinat de metoda proiectării experimentului de simulare (DOE). Parametrii importanți, conform cerințelor solide, determină valoarea și apoi utilizează metoda subproblemă pentru a optimiza alți parametri. Luând în considerare influența materialelor și a parametrilor de mediu în timpul fabricării și utilizării sculelor, a fost, de asemenea, proiectat cu toleranțe pentru a satisface cerințele costurilor de fabricație. În cele din urmă, fabricația, testarea și testarea teoriei de proiectare și eroarea reală, pentru a îndeplini indicatorii de proiectare furnizați. Următoarea introducere detaliată pas cu pas.
3.1 Proiectarea formei geometrice (stabilirea unui model parametric)
Proiectarea sculelor de sudură determină mai întâi forma și structura sa geometrică aproximativă și stabilește un model parametric pentru analiza ulterioară. Figura 3 a) este proiectarea celui mai comun instrument de sudură, în care un număr de caneluri în formă de U sunt deschise în direcția vibrației pe un material de aproximativ cuboid. Dimensiunile globale sunt lungimile direcțiilor X, Y și Z, iar dimensiunile laterale X și Y sunt în general comparabile cu dimensiunea piesei de prelucrat sudate. Lungimea lui Z este egală cu jumătatea lungimii de undă a undei ultrasonice, deoarece în teoria clasică a vibrațiilor, frecvența axială de ordinul întâi al obiectului alungit este determinată de lungimea sa, iar lungimea semiondei este exact potrivită cu cea acustică frecvența undelor. Acest design a fost extins. Utilizarea este benefică pentru răspândirea undelor sonore. Scopul canelurii în formă de U este de a reduce pierderea vibrațiilor laterale ale sculei. Poziția, dimensiunea și numărul sunt determinate în funcție de dimensiunea totală a sculei. Se poate observa că în acest design există mai puțini parametri care pot fi reglementați în mod liber, așa că am făcut îmbunătățiri pe această bază. Figura 3 b) este un instrument nou proiectat care are un parametru de dimensiune mai mult decât designul tradițional: raza exterioară a arcului R. În plus, canelura este gravată pe suprafața de lucru a sculei pentru a coopera cu suprafața piesei din material plastic, ceea ce este benefic pentru a transmite energia vibrațiilor și a proteja piesa de prelucrat de deteriorări. Acest model este modelat în mod obișnuit parametric în ANSYS și apoi în următorul proiect experimental.
3.2 Proiectare experimentală DOE (determinarea parametrilor importanți)
DFSS este creat pentru a rezolva probleme practice de inginerie. Nu urmărește perfecțiunea, dar este eficientă și robustă. Întruchipează ideea de 6-Sigma, surprinde contradicția principală și abandonează „99,97%”, cerând în același timp ca proiectarea să fie destul de rezistentă la variabilitatea mediului. Prin urmare, înainte de a realiza optimizarea parametrilor țintă, ar trebui să fie selectat mai întâi și ar trebui selectată dimensiunea care are o influență importantă asupra structurii, iar valorile lor ar trebui determinate în conformitate cu principiul robusteții.
3.2.1 Setarea parametrilor DOE și DOE
Parametrii de proiectare sunt forma sculei și poziția de dimensiune a canelurii în formă de U etc., în total opt. Parametrul țintă este frecvența vibrațiilor axiale de ordinul întâi, deoarece are cea mai mare influență asupra sudurii, iar tensiunea maximă concentrată și diferența de amplitudine a suprafeței de lucru sunt limitate ca variabile de stare. Pe baza experienței, se presupune că efectul parametrilor asupra rezultatelor este liniar, deci fiecare factor este setat doar la două niveluri, ridicat și scăzut. Lista parametrilor și a denumirilor corespunzătoare este următoarea.
DOE se efectuează în ANSYS utilizând modelul parametric stabilit anterior. Datorită limitării software-ului, DOE cu factor complet poate utiliza până la 7 parametri, în timp ce modelul are 8 parametri, iar analiza ANSYS a rezultatelor DOE nu este la fel de cuprinzătoare ca software-ul profesional 6-sigma și nu poate gestiona interacțiunea. Prin urmare, folosim APDL pentru a scrie o buclă DOE pentru a calcula și extrage rezultatele programului, apoi punem datele în Minitab pentru analiză.
3.2.2 Analiza rezultatelor DOE
Analiza DOE a Minitab este prezentată în Figura 4 și include principalii factori de influență analiza și analiza interacțiunii. Analiza principală a factorilor de influență este utilizată pentru a determina modificările variabilei de proiectare care au un impact mai mare asupra variabilei țintă, indicând astfel care sunt variabilele de proiectare importante. Interacțiunea dintre factori este apoi analizată pentru a determina nivelul factorilor și pentru a reduce gradul de cuplare între variabilele de proiectare. Comparați gradul de schimbare al altor factori atunci când un factor de proiectare este ridicat sau scăzut. Conform axiomei independente, designul optim nu este cuplat unul cu celălalt, deci alegeți nivelul care este mai puțin variabil.
Rezultatele analizei sculelor de sudură din această lucrare sunt: ​​parametrii de proiectare importanți sunt raza arcului exterior și lățimea fantei sculelor. Nivelul ambilor parametri este „ridicat”, adică raza ia o valoare mai mare în DOE, iar lățimea canelurii ia o valoare mai mare. Parametrii importanți și valorile lor au fost determinați, iar apoi au fost utilizați alți câțiva parametri pentru a optimiza proiectarea în ANSYS pentru a regla frecvența sculelor pentru a se potrivi cu frecvența de funcționare a mașinii de sudat. Procesul de optimizare este după cum urmează.
3.3 Optimizarea parametrilor țintă (frecvența instrumentelor)
Setările parametrilor pentru optimizarea proiectării sunt similare cu cele ale DOE. Diferența constă în faptul că au fost determinate valorile a doi parametri importanți, iar ceilalți trei parametri sunt legați de proprietățile materialului, care sunt considerate zgomot și nu pot fi optimizate. Restul de trei parametri care pot fi reglați sunt poziția axială a fantei, lungimea și lățimea sculei. Optimizarea utilizează metoda de aproximare a subproblemelor în ANSYS, care este o metodă larg utilizată în problemele de inginerie, iar procesul specific este omis.
Este demn de remarcat faptul că utilizarea frecvenței ca variabilă țintă necesită puțină abilitate în operare. Deoarece există mulți parametri de proiectare și o gamă largă de variații, modurile de vibrație ale sculelor sunt multe în intervalul de frecvență de interes. Dacă rezultatul analizei modale este utilizat în mod direct, este dificil de găsit modul axial de ordinul întâi, deoarece intercalarea secvenței modale poate apărea atunci când parametrii se schimbă, adică ordinala de frecvență naturală corespunzătoare modului original de schimbare. Prin urmare, această lucrare adoptă mai întâi analiza modală și apoi folosește metoda de suprapunere modală pentru a obține curba de răspuns în frecvență. Găsind valoarea de vârf a curbei de răspuns în frecvență, poate asigura frecvența modală corespunzătoare. Acest lucru este foarte important în procesul de optimizare automată, eliminând necesitatea de a determina manual modalitatea.
După finalizarea optimizării, frecvența de lucru a sculei poate fi foarte apropiată de frecvența țintă, iar eroarea este mai mică decât valoarea toleranței specificată în optimizare. În acest moment, proiectarea sculelor este practic determinată, urmată de toleranțe de fabricație pentru proiectarea producției.
3.4 Proiectarea toleranței
Proiectarea structurală generală este finalizată după ce toți parametrii de proiectare au fost determinați, dar pentru problemele de inginerie, mai ales atunci când se ia în considerare costul producției de masă, proiectarea toleranței este esențială. Costul preciziei reduse este, de asemenea, redus, dar capacitatea de a îndeplini valorile de proiectare necesită calcule statistice pentru calcule cantitative. Sistemul de proiectare a probabilității PDS din ANSYS poate analiza mai bine relația dintre toleranța parametrilor de proiectare și toleranța parametrilor țintă și poate genera fișiere de raport complete.
3.4.1 Setări și calcule ale parametrilor PDS
Conform ideii DFSS, analiza toleranței ar trebui efectuată pe parametri importanți de proiectare, iar alte toleranțe generale pot fi determinate empiric. Situația din această lucrare este destul de specială, deoarece, în funcție de capacitatea de prelucrare, toleranța de fabricație a parametrilor de proiectare geometrică este foarte mică și are un efect redus asupra frecvenței finale a sculelor; în timp ce parametrii materiilor prime sunt foarte diferiți din cauza furnizorilor, iar prețul materiilor prime reprezintă mai mult de 80% din costurile de prelucrare a sculelor. Prin urmare, este necesar să se stabilească un interval rezonabil de toleranță pentru proprietățile materialului. Proprietățile relevante ale materialului aici sunt densitatea, modulul de elasticitate și viteza de propagare a undelor sonore.
Analiza toleranței utilizează simularea aleatorie Monte Carlo în ANSYS pentru a testa metoda Hypercube latin deoarece poate face distribuția punctelor de eșantionare mai uniformă și mai rezonabilă și poate obține o corelație mai bună cu mai puține puncte. Acest referat stabilește 30 de puncte. Să presupunem că toleranțele celor trei parametri materiali sunt distribuiți în funcție de Gauss, inițial dată o limită superioară și inferioară și apoi calculată în ANSYS.
3.4.2 Analiza rezultatelor PDS
Prin calculul PDS, sunt date valorile variabilei țintă corespunzătoare a 30 de puncte de eșantionare. Distribuția variabilelor țintă este necunoscută. Parametrii sunt montați din nou utilizând software-ul Minitab, iar frecvența este distribuită în principiu în funcție de distribuția normală. Acest lucru asigură teoria statistică a analizei toleranței.
Calculul PDS oferă o formulă adecvată de la variabila de proiectare la expansiunea de toleranță a variabilei țintă: unde y este variabila țintă, x este variabila de proiectare, c este coeficientul de corelație și i este numărul variabilei.

În conformitate cu aceasta, toleranța țintă poate fi atribuită fiecărei variabile de proiectare pentru a finaliza sarcina de proiectare a toleranței.
3.5 Verificarea experimentală
Partea frontală este procesul de proiectare a întregului instrument de sudură. După finalizare, materiile prime sunt achiziționate în conformitate cu toleranțele de material permise de proiectare și apoi livrate producătorului. Frecvența și testarea modală se efectuează după finalizarea procesului de fabricație, iar metoda de testare utilizată este cea mai simplă și mai eficientă metodă de testare a lunetistului. Deoarece indicele cel mai preocupat este frecvența modală axială de ordinul întâi, senzorul de accelerație este atașat la suprafața de lucru, iar celălalt capăt este lovit de-a lungul direcției axiale, iar frecvența reală a sculei poate fi obținută prin analiză spectrală. Rezultatul simulării proiectării este de 14925 Hz, rezultatul testului este de 14954 Hz, rezoluția de frecvență este de 16 Hz, iar eroarea maximă este mai mică de 1%. Se poate observa că precizia simulării elementelor finite în calculul modal este foarte mare.
După trecerea testului experimental, sculele sunt puse în producție și asamblate pe mașina de sudat cu ultrasunete. Starea de reacție este bună. Lucrările au fost stabile de mai bine de jumătate de an, iar rata de calificare a sudurii este ridicată, ceea ce a depășit durata de viață de trei luni promisă de producătorul general de echipamente. Acest lucru arată că proiectarea are succes, iar procesul de fabricație nu a fost modificat și ajustat în mod repetat, economisind timp și forță de muncă.
4. Concluzie
Această lucrare începe cu principiul sudării cu ultrasunete a plasticului, înțelege profund accentul tehnic al sudării și propune conceptul de proiectare a noilor scule. Apoi utilizați funcția de simulare puternică a elementului finit pentru a analiza concret proiectarea și introduceți ideea de proiectare 6-Sigma a DFSS și controlați parametrii de proiectare importanți prin proiectarea experimentală ANSYS DOE și analiza toleranței PDS pentru a realiza un design robust. În cele din urmă, sculele au fost fabricate cu succes o singură dată, iar proiectarea a fost rezonabilă prin testul de frecvență experimental și verificarea efectivă a producției. De asemenea, dovedește că acest set de metode de proiectare este fezabil și eficient.