Predhovor
S rozvojom ultrazvukovej technológie je jej aplikácia čoraz rozsiahlejšia, dá sa s ňou vyčistiť drobné čiastočky nečistôt a dá sa použiť aj na zváranie kovov alebo plastov. Najmä v dnešných plastových výrobkoch sa väčšinou používa ultrazvukové zváranie, pretože je vynechaná skrutková štruktúra, vzhľad môže byť dokonalejší a je zabezpečená aj funkcia hydroizolácie a prachotesnosti. Konštrukcia zváracieho klaksónu má významný vplyv na konečnú kvalitu zvárania a výrobnú kapacitu. Pri výrobe nových elektromerov sa ultrazvukové vlny používajú na spojenie hornej a dolnej strany. Počas používania sa však zistí, že niektoré nástroje sú na stroji nainštalované a prasknuté alebo sa vyskytnú ďalšie poruchy v krátkom časovom období. Niektoré nástroje na zváranie nástrojov Miera defektov je vysoká. Na výrobu mali značný vplyv rôzne poruchy. Podľa porozumenia majú dodávatelia zariadení obmedzené konštrukčné možnosti pre obrábanie nástrojov a často dosahujú konštrukčné ukazovatele opakovanými opravami. Preto je potrebné využiť naše vlastné technologické výhody na vývoj odolného nástroja a rozumnej metódy návrhu.
2 Ultrazvukový princíp zvárania plastov
Ultrazvukové zváranie plastov je metóda spracovania, ktorá využíva kombináciu termoplastov pri vysokofrekvenčných nútených vibráciách a zváracie povrchy sa navzájom otierajú, aby sa dosiahlo miestne vysokoteplotné tavenie. Na dosiahnutie dobrých výsledkov zvárania ultrazvukom sú potrebné zariadenia, materiály a parametre procesu. Nasleduje krátke predstavenie jeho princípu.
2.1 Ultrazvukový systém zvárania plastov
Obrázok 1 je schematický pohľad na zvárací systém. Elektrická energia prechádza generátorom signálu a výkonovým zosilňovačom a vytvára striedavý elektrický signál s ultrazvukovou frekvenciou (> 20 kHz), ktorý sa privádza do prevodníka (piezoelektrická keramika). Prostredníctvom meniča sa elektrická energia stáva energiou mechanických vibrácií a amplitúda mechanických vibrácií sa nastaví klaksónom na príslušnú pracovnú amplitúdu a potom sa rovnomerne prenáša na materiál, ktorý je s ním v kontakte, prostredníctvom hlavy nástroja (zváranie). náradie). Kontaktné povrchy dvoch zváracích materiálov sú vystavené vysokofrekvenčným vynúteným vibráciám a trecie teplo generuje miestne vysokoteplotné tavenie. Po ochladení sa materiály spoja, aby sa dosiahlo zváranie.

V zváracom systéme je zdrojom signálu obvodová časť, ktorá obsahuje obvod výkonového zosilňovača, ktorého frekvenčná stabilita a schopnosť pohonu ovplyvňujú výkon stroja. Materiál je termoplast a pri návrhu spojovacej plochy je potrebné zvážiť, ako rýchlo vytvoriť teplo a dokovať. Prevodníky, klaksóny a hlavy nástrojov možno považovať za mechanické konštrukcie pre ľahkú analýzu spojenia ich vibrácií. Pri zváraní plastov sa mechanické vibrácie prenášajú vo forme pozdĺžnych vĺn. Ako efektívne prenášať energiu a upravovať amplitúdu je hlavným bodom návrhu.
2.2 Hlava nástroja (zváracie nástroje)
Hlava nástroja slúži ako kontaktné rozhranie medzi ultrazvukovým zváracím strojom a materiálom. Jeho hlavnou funkciou je prenášať pozdĺžne mechanické vibrácie vysielané variátorom rovnomerne a efektívne na materiál. Použitým materiálom je zvyčajne vysoko kvalitná hliníková zliatina alebo dokonca titánová zliatina. Pretože sa dizajn plastových materiálov veľmi mení, vzhľad je veľmi odlišný a podľa toho sa musí meniť aj hlava nástroja. Tvar pracovnej plochy by mal byť dobre zladený s materiálom, aby sa pri vibrovaní nepoškodil plast; súčasne by mala byť pevná frekvencia pozdĺžnych vibrácií prvého rádu koordinovaná s výstupnou frekvenciou zváracieho stroja, inak bude energia vibrácií spotrebovaná interne. Keď vibruje hlava nástroja, dôjde k miestnej koncentrácii napätia. Ako optimalizovať tieto miestne štruktúry, je to aj návrhové hľadisko. Tento článok skúma, ako použiť hlavy návrhových nástrojov ANSYS na optimalizáciu parametrov návrhu a výrobných tolerancií.
3 návrh zváracích nástrojov
Ako už bolo spomenuté, konštrukcia zváracích nástrojov je dosť dôležitá. V Číne existuje veľa dodávateľov ultrazvukového zariadenia, ktorí vyrábajú svoje vlastné zváracie nástroje, ale značnú časť z nich tvoria napodobeniny a tie potom neustále orezávajú a testujú. Touto metódou opakovaného nastavenia sa dosiahne koordinácia frekvencie nástrojov a zariadení. V tomto článku je možné na určenie frekvencie pri navrhovaní nástrojov použiť metódu konečných prvkov. Výsledok skúšky nástrojov a chyba návrhovej frekvencie sú iba 1%. Tento príspevok zároveň predstavuje koncept DFSS (Design For Six Sigma) na optimalizáciu a robustný dizajn nástrojov. Koncept 6-Sigma spočíva v úplnom zhromaždení hlasu zákazníka v procese navrhovania pre cielené navrhovanie; a predbežné zváženie možných odchýlok vo výrobnom procese s cieľom zabezpečiť, aby sa kvalita konečného produktu distribuovala na primeranej úrovni. Proces navrhovania je znázornený na obrázku 2. Počnúc vývojom ukazovateľov návrhu sa štruktúra a rozmery nástrojov pôvodne navrhujú podľa existujúcich skúseností. Parametrický model je stanovený v programe ANSYS a potom je model určený metódou návrhu simulačného experimentu (DOE). Dôležité parametre podľa náročných požiadaviek určujú hodnotu a potom pomocou metódy čiastkového problému optimalizujú ďalšie parametre. Berúc do úvahy vplyv materiálov a environmentálnych parametrov počas výroby a používania nástrojov, bol tiež navrhnutý s toleranciami, aby vyhovoval požiadavkám na výrobné náklady. A konečne, výroba, test a teória testu design a skutočné chyby, aby boli splnené indikátory návrhu, ktoré sú dodávané. Nasledujúci podrobný úvod krok za krokom.
3.1 Návrh geometrického tvaru (vytvorenie parametrického modelu)
Návrh zváracieho nástroja najskôr určí jeho približný geometrický tvar a štruktúru a vytvorí parametrický model pre následnú analýzu. Obrázok 3 a) je návrh najbežnejšieho zváracieho nástroja, pri ktorom sa niekoľko drážok v tvare písmena U otvára v smere vibrácií na materiáli s približne kvádrom. Celkové rozmery sú dĺžky smerov X, Y a Z a bočné rozmery X a Y sú všeobecne porovnateľné s veľkosťou zváraného obrobku. Dĺžka Z sa rovná polovičnej vlnovej dĺžke ultrazvukovej vlny, pretože v klasickej teórii vibrácií je axiálna frekvencia podlhovastého objektu prvého rádu určená jeho dĺžkou a dĺžka polovičnej vlny je presne zladená s akustickou vlnou. vlnová frekvencia. Tento dizajn bol rozšírený. Použitie je prospešné pre šírenie zvukových vĺn. Účelom drážky v tvare písmena U je znížiť stratu bočných vibrácií nástroja. Poloha, veľkosť a počet sa určujú podľa celkovej veľkosti nástrojov. Je vidieť, že v tomto dizajne je menej parametrov, ktoré je možné voľne regulovať, preto sme na tomto základe vykonali vylepšenia. Obrázok 3 b) je novo navrhnutý nástroj, ktorý má ešte jeden parameter veľkosti oproti tradičnému dizajnu: vonkajší polomer oblúka R. Okrem toho je na pracovnej ploche nástroja vyrytá drážka, ktorá spolupracuje s povrchom plastového obrobku, čo je prospešné pre prenos vibračnej energie a ochranu obrobku pred poškodením. Tento model je rutinne parametricky modelovaný v programe ANSYS a potom je k dispozícii ďalší experimentálny návrh.
3.2 DOE experimentálny návrh (stanovenie dôležitých parametrov)
DFSS je vytvorený na riešenie praktických technických problémov. Nesleduje dokonalosť, ale je efektívny a robustný. Stelesňuje myšlienku 6-Sigma, vystihuje hlavný rozpor a opúšťa „99,97%“, pričom vyžaduje, aby bol dizajn celkom odolný voči premenlivosti prostredia. Preto by sa pred vykonaním optimalizácie cieľového parametra malo najskôr skontrolovať, mala by sa zvoliť veľkosť, ktorá má dôležitý vplyv na štruktúru, a ich hodnoty by sa mali určiť podľa princípu robustnosti.
3.2.1 Nastavenie parametrov DOE a DOE
Konštrukčnými parametrami sú tvar nástroja a veľkostná poloha drážky v tvare U atď., Spolu osem. Cieľovým parametrom je frekvencia axiálnych vibrácií prvého rádu, pretože má najväčší vplyv na zvar a maximálne koncentrované napätie a rozdiel v amplitúde pracovnej plochy sú obmedzené ako premenné stavu. Na základe skúseností sa predpokladá, že vplyv parametrov na výsledky je lineárny, takže každý faktor je nastavený iba na dve úrovne, vysokú a nízku. Zoznam parametrov a zodpovedajúcich mien je nasledovný.
DOE sa vykonáva v ANSYS pomocou predtým vytvoreného parametrického modelu. Z dôvodu softvérových obmedzení môže plnofaktorový DOE používať iba až 7 parametrov, zatiaľ čo model má 8 parametrov a analýza výsledkov DOE spoločnosťou ANSYS nie je taká komplexná ako profesionálny softvér so 6 sigmami a nedokáže zvládnuť interakciu. Preto používame APDL na napísanie DOE slučky na výpočet a extrakciu výsledkov programu a potom vložíme údaje do Minitabu na analýzu.
3.2.2 Analýza výsledkov DOE
Analýza DOE od spoločnosti Minitab je uvedená na obrázku 4 a obsahuje analýzu hlavných ovplyvňujúcich faktorov a analýzu interakcií. Analýza hlavných ovplyvňujúcich faktorov sa používa na určenie, ktoré zmeny návrhovej premennej majú väčší vplyv na cieľovú premennú, a tým naznačujú, ktoré sú dôležité návrhové premenné. Interakcia medzi faktormi sa potom analyzuje, aby sa určila úroveň faktorov a znížil stupeň väzby medzi návrhovými premennými. Porovnajte stupeň zmeny iných faktorov, keď je návrhový faktor vysoký alebo nízky. Podľa nezávislej axiómy optimálny dizajn nie je navzájom prepojený, preto zvoľte menej variabilnú úroveň.
Výsledky analýzy zváracích nástrojov v tomto článku sú: dôležitými konštrukčnými parametrami sú polomer vonkajšieho oblúka a šírka štrbiny nástrojov. Úroveň oboch parametrov je „vysoká“, to znamená, že polomer má v DOE väčšiu hodnotu a šírka drážky tiež väčšiu hodnotu. Boli určené dôležité parametre a ich hodnoty a potom bolo pomocou niekoľkých ďalších parametrov optimalizované prevedenie v ANSYS na úpravu frekvencie nástrojov tak, aby zodpovedala pracovnej frekvencii zváracieho stroja. Proces optimalizácie je nasledovný.
3.3 Optimalizácia cieľových parametrov (frekvencia nástrojov)
Nastavenia parametrov optimalizácie návrhu sú podobné ako v DOE. Rozdiel je v tom, že boli určené hodnoty dvoch dôležitých parametrov a ďalšie tri parametre súvisia s vlastnosťami materiálu, ktoré sa považujú za šum a nemožno ich optimalizovať. Zvyšné tri parametre, ktoré je možné upraviť, sú axiálna poloha drážky, dĺžka a šírka nástroja. Optimalizácia využíva metódu aproximácie subproblémov v ANSYS, ktorá je veľmi používanou metódou v inžinierskych problémoch a konkrétny proces je vynechaný.
Stojí za zmienku, že použitie frekvencie ako cieľovej premennej vyžaduje trochu zručností v prevádzke. Pretože existuje veľa konštrukčných parametrov a široká škála variácií, vibračné režimy nástrojov sú v záujmovom frekvenčnom rozsahu. Ak sa priamo použije výsledok modálnej analýzy, je ťažké nájsť axiálny režim prvého rádu, pretože pri zmene parametrov môže dôjsť k vkladaniu modálnej sekvencie, to znamená k zmene prirodzenej poradovej frekvencie zodpovedajúcej pôvodnému režimu. Preto tento príspevok najskôr prijíma modálnu analýzu a potom používa metódu modálnej superpozície na získanie krivky frekvenčnej odozvy. Nájdením špičkovej hodnoty krivky frekvenčnej odozvy môže zaistiť zodpovedajúcu modálnu frekvenciu. To je v procese automatickej optimalizácie veľmi dôležité, čo eliminuje potrebu ručného určovania modality.
Po dokončení optimalizácie môže byť návrhová pracovná frekvencia nástrojov veľmi blízka cieľovej frekvencii a chyba je menšia ako hodnota tolerancie uvedená v optimalizácii. V tomto okamihu je v zásade určený návrh nástroja, po ktorom nasledujú výrobné tolerancie pre návrh výroby.
3.4 Návrh tolerancie
Všeobecný konštrukčný návrh je dokončený po určení všetkých konštrukčných parametrov, ale pre technické problémy, najmä pri zohľadnení nákladov na hromadnú výrobu, je nevyhnutný návrh tolerancie. Znižujú sa aj náklady na nízku presnosť, ale schopnosť splniť metriky návrhu vyžaduje štatistické výpočty pre kvantitatívne výpočty. Systém PDS Probability Design System v programe ANSYS dokáže lepšie analyzovať vzťah medzi toleranciou návrhových parametrov a toleranciou cieľových parametrov a môže generovať úplné súvisiace súbory správ.
3.4.1 Nastavenia a výpočty parametrov PDS
Podľa myšlienky DFSS by sa mala analýza tolerancií vykonať na dôležitých konštrukčných parametroch a ďalšie všeobecné tolerancie je možné určiť empiricky. Situácia v tomto článku je dosť zvláštna, pretože podľa schopnosti obrábania je výrobná tolerancia parametrov geometrického návrhu veľmi malá a má malý vplyv na konečnú frekvenciu obrábania; zatiaľ čo parametre surovín sú vzhľadom na dodávateľov veľmi odlišné a cena surovín predstavuje viac ako 80% nákladov na spracovanie nástrojov. Preto je potrebné nastaviť rozumné tolerančné rozpätie pre vlastnosti materiálu. Relevantnými vlastnosťami materiálu sú tu hustota, modul pružnosti a rýchlosť šírenia zvukových vĺn.
Analýza tolerancie využíva náhodnú simuláciu Monte Carlo v programe ANSYS na vzorkovanie metódy Latin Hypercube, pretože umožňuje rovnomernejšie a rozumnejšie rozdelenie vzorkovacích bodov a umožňuje lepšiu koreláciu o menej bodov. Tento príspevok stanovuje 30 bodov. Predpokladajme, že tolerancie troch materiálových parametrov sú rozdelené podľa Gaussa, spočiatku daný horný a dolný limit, a potom vypočítaný v ANSYS.
3.4.2 Analýza výsledkov PDS
Prostredníctvom výpočtu PDS sú dané hodnoty cieľových premenných zodpovedajúce 30 miestam odberu. Distribúcia cieľových premenných nie je známa. Parametre sú opäť prispôsobené pomocou softvéru Minitab a frekvencia je v zásade rozdelená podľa normálneho rozdelenia. To zaisťuje štatistickú teóriu analýzy tolerancie.
Výpočet PDS dáva zodpovedajúci vzorec od návrhovej premennej k rozšíreniu tolerancie cieľovej premennej: kde y je cieľová premenná, x je návrhová premenná, c je korelačný koeficient a i je počet premenných.

Podľa toho je možné cieľovej tolerancii priradiť každú návrhovú premennú na dokončenie úlohy návrhu tolerancií.
3.5 Experimentálne overenie
Predná časť je procesom návrhu celého zváracieho nástroja. Po dokončení sa suroviny nakupujú podľa materiálových tolerancií povolených dizajnom a potom sa dodávajú do výroby. Frekvenčné a modálne testy sa vykonávajú po dokončení výroby a použitá testovacia metóda je najjednoduchšou a najefektívnejšou testovacou metódou ostreľovačov. Pretože najdôležitejším indexom je axiálna modálna frekvencia prvého rádu, je snímač akcelerácie pripevnený k pracovnej ploche a druhý koniec je udieraný pozdĺž axiálneho smeru a skutočnú frekvenciu nástrojov je možné získať spektrálnou analýzou. Výsledok simulácie návrhu je 14925 Hz, výsledok skúšky je 14954 Hz, frekvenčné rozlíšenie je 16 Hz a maximálna chyba je menšia ako 1%. Je vidieť, že presnosť simulácie konečných prvkov v modálnom výpočte je veľmi vysoká.
Po absolvovaní experimentálnej skúšky sa nástroje uvádzajú do výroby a montáže na ultrazvukovom zváracom stroji. Reakčný stav je dobrý. Práce sú stabilné viac ako pol roka a miera kvalifikácie zvárania je vysoká, čo presiahlo trojmesačnú životnosť sľubovanú výrobcom všeobecných zariadení. To ukazuje, že návrh je úspešný a výrobný proces nebol opakovane upravovaný a upravovaný, čo šetrí čas a pracovné sily.
4. Záver
Tento príspevok začína na princípe zvárania plastov ultrazvukom, hlboko sa zaoberá technickým zameraním zvárania a navrhuje koncepciu nového obrábania. Potom použite výkonnú simulačnú funkciu konečných prvkov na konkrétnu analýzu návrhu a predstavte 6-Sigmovú myšlienku návrhu DFSS a ovládajte dôležité parametre návrhu pomocou experimentálneho návrhu ANSYS DOE a analýzy tolerancie PDS, aby ste dosiahli robustný návrh. Nakoniec sa nástroje úspešne raz vyrobili a návrh bol primeraný experimentálnym testom frekvencie a skutočným overením výroby. Tiež dokazuje, že tento súbor metód návrhu je uskutočniteľný a efektívny.