novas

Prólogo
Co desenvolvemento da tecnoloxía de ultrasóns, a súa aplicación é cada vez máis extensa, pódese usar para limpar pequenas partículas de sucidade e tamén se pode usar para soldar metais ou plásticos. Especialmente nos produtos plásticos actuais úsase principalmente a soldadura por ultrasóns porque se omite a estrutura do parafuso, o aspecto pode ser máis perfecto e tamén se ofrece a función de impermeabilización e impermeabilización. O deseño da bucina de soldadura de plástico ten un impacto importante na calidade final da soldadura e na capacidade de produción. Na produción de novos contadores eléctricos, as ondas de ultrasóns úsanse para fusionar as caras superior e inferior. Non obstante, durante o uso, compróbase que algunhas ferramentas están instaladas na máquina e fendíanse e outras fallas nun curto período de tempo. Algúns produtos de soldadura de ferramentas A taxa de defectos é alta. Varias fallas tiveron un impacto considerable na produción. Segundo o entendemento, os provedores de equipos teñen capacidades de deseño limitadas para ferramentas e, a miúdo, mediante reparacións repetidas para acadar indicadores de deseño. Polo tanto, é necesario empregar as nosas propias vantaxes tecnolóxicas para desenvolver ferramentas duradeiras e un método de deseño razoable.
2 Principio de soldadura por plástico por ultrasóns
A soldadura por plástico por ultrasóns é un método de procesamento que utiliza a combinación de termoplásticos na vibración forzada de alta frecuencia e as superficies de soldadura frotan entre si para producir fusión local a alta temperatura. Para conseguir bos resultados de soldadura por ultrasóns, son necesarios equipos, materiais e parámetros de proceso. A continuación amósase unha breve introdución ao seu principio.
2.1 Sistema de soldadura por ultrasóns de plástico
A figura 1 é unha vista esquemática dun sistema de soldadura. A enerxía eléctrica pásase a través do xerador de sinal e do amplificador de potencia para producir un sinal eléctrico alterno de frecuencia ultrasónica (> 20 kHz) que se aplica ao transdutor (cerámica piezoeléctrica). A través do transdutor, a enerxía eléctrica convértese na enerxía da vibración mecánica e a amplitude da vibración mecánica é axustada pola trompa á amplitude de traballo adecuada e despois transmítese uniformemente ao material en contacto con el a través da cabeza da ferramenta (soldadura ferramentas). As superficies de contacto dos dous materiais de soldadura están sometidas a vibracións forzadas de alta frecuencia e a calor de fricción xera a fusión local a alta temperatura. Despois do arrefriamento, os materiais combínanse para lograr a soldadura.

Nun sistema de soldadura, a fonte de sinal é unha parte do circuíto que contén un circuíto amplificador de potencia cuxa estabilidade de frecuencia e capacidade de accionamento afectan o rendemento da máquina. O material é un termoplástico e o deseño da superficie da unión debe considerar como xerar calor e atracar rapidamente. Os transdutores, os cornos e as cabezas das ferramentas poden considerarse estruturas mecánicas para facilitar a análise do acoplamento das súas vibracións. Na soldadura de plástico, a vibración mecánica transmítese en forma de ondas lonxitudinais. Como transferir enerxía de xeito efectivo e axustar a amplitude é o punto principal do deseño.
2.2 Cabezal de ferramenta (soldadura)
A cabeza da ferramenta serve como interface de contacto entre a máquina de soldar por ultrasóns e o material. A súa principal función é transmitir ao material a vibración mecánica lonxitudinal producida polo variador de xeito uniforme e eficiente. O material empregado adoita ser aliaxe de aluminio de alta calidade ou incluso aliaxe de titanio. Debido a que o deseño dos materiais plásticos cambia moito, o aspecto é moi diferente e a cabeza da ferramenta ten que cambiar en consecuencia. A forma da superficie de traballo debe estar ben combinada co material, para non danar o plástico cando vibra; ao mesmo tempo, a frecuencia sólida de vibración lonxitudinal de primeiro orde debería coordinarse coa frecuencia de saída da máquina de soldar, se non, a enerxía de vibración consumirase internamente. Cando a cabeza da ferramenta vibra, prodúcese unha concentración de tensión local. Como optimizar estas estruturas locais tamén é unha consideración de deseño. Este artigo explora como aplicar cabezas de ferramentas de deseño ANSYS para optimizar os parámetros de deseño e as tolerancias de fabricación.
3 deseño de ferramentas de soldadura
Como se mencionou anteriormente, o deseño das ferramentas de soldadura é bastante importante. Hai moitos provedores de equipos de ultrasóns en China que producen as súas propias ferramentas de soldadura, pero unha parte considerable deles son imitacións e logo están constantemente recortando e probando. A través deste método de axuste repetido, conséguese a coordinación das ferramentas e a frecuencia dos equipos. Neste artigo pódese usar o método de elementos finitos para determinar a frecuencia ao deseñar a ferramenta. O resultado da proba de ferramentas e o erro de frecuencia de deseño son só do 1%. Ao mesmo tempo, este traballo introduce o concepto de DFSS (Design For Six Sigma) para optimizar e deseñar de forma robusta as ferramentas. O concepto de deseño de 6 Sigma é recoller completamente a voz do cliente no proceso de deseño para o deseño dirixido; e consideración previa de posibles desviacións no proceso de produción para garantir que a calidade do produto final se distribúa nun nivel razoable. O proceso de deseño móstrase na figura 2. A partir do desenvolvemento dos indicadores de deseño, a estrutura e as dimensións da ferramenta deseñáronse inicialmente segundo a experiencia existente. O modelo paramétrico establécese en ANSYS e, a continuación, o modelo determínase polo método de deseño do experimento de simulación (DOE). Os parámetros importantes, de acordo cos esixentes requisitos, determinan o valor e despois utilizan o método do subproblema para optimizar outros parámetros. Tendo en conta a influencia dos materiais e os parámetros ambientais durante a fabricación e uso da ferramenta, tamén se deseñou con tolerancias para cumprir os requisitos de custos de fabricación. Finalmente, a fabricación, a proba e o deseño da teoría da proba e o erro real, para cumprir cos indicadores de deseño que se entregan. A seguinte introdución detallada paso a paso.
3.1 Deseño de formas xeométricas (establecemento dun modelo paramétrico)
O deseño das ferramentas de soldadura determina primeiro a súa forma e estrutura xeométrica aproximada e establece un modelo paramétrico para a súa posterior análise. A figura 3 a) é o deseño da ferramenta de soldadura máis común, na que se abren varias ranuras en forma de U na dirección da vibración sobre un material de aproximadamente cuboides. As dimensións globais son as lonxitudes das direccións X, Y e Z, e as dimensións laterais X e Y son xeralmente comparables ao tamaño da peza a soldar. A lonxitude de Z é igual á media lonxitude de onda da onda ultrasónica, porque na teoría clásica das vibracións, a frecuencia axial de primeira orde do obxecto alongado está determinada pola súa lonxitude e a lonxitude da media onda está exactamente igualada á acústica. frecuencia de onda. Este deseño ampliouse. O seu uso é beneficioso para a propagación das ondas sonoras. O suco en forma de U é o obxectivo de reducir a perda de vibración lateral da ferramenta. A posición, o tamaño e o número determínanse segundo o tamaño global da ferramenta. Pódese ver que neste deseño hai menos parámetros que se poden regular libremente, polo que fixemos melloras nesta base. A figura 3 b) é unha ferramenta de novo deseño que ten un parámetro de tamaño máis que o deseño tradicional: o raio de arco exterior R. Ademais, a ranura está gravada na superficie de traballo da ferramenta para cooperar coa superficie da peza de plástico, o que é beneficioso para transmitir a enerxía de vibración e protexer a peza de traballo contra danos. Este modelo modélase paramétricamente de xeito rutinario en ANSYS, e despois o seguinte deseño experimental.
3.2 Deseño experimental DOE (determinación de parámetros importantes)
DFSS créase para resolver problemas prácticos de enxeñaría. Non persegue a perfección, pero é eficaz e robusto. Incorpora a idea de 6-Sigma, capta a contradición principal e abandona o "99,97%", ao tempo que require que o deseño sexa bastante resistente á variabilidade ambiental. Polo tanto, antes de realizar a optimización dos parámetros de destino, debe examinarse primeiro e seleccionar o tamaño que inflúe de xeito importante na estrutura e determinar os seus valores segundo o principio de robustez.
3.2.1 Axuste de parámetros DOE e DOE
Os parámetros de deseño son a forma da ferramenta e a posición do tamaño da ranura en forma de U, etc., un total de oito. O parámetro obxectivo é a frecuencia de vibración axial de primeira orde porque ten a maior influencia na soldadura, e a tensión máxima concentrada e a diferenza na amplitude da superficie de traballo son limitadas como variables de estado. Baseado na experiencia, suponse que o efecto dos parámetros nos resultados é lineal, polo que cada factor só se establece en dous niveis, alto e baixo. A lista de parámetros e nomes correspondentes é a seguinte.
O DOE realízase en ANSYS usando o modelo paramétrico previamente establecido. Debido ás limitacións do software, o DOE de factor completo só pode usar ata 7 parámetros, mentres que o modelo ten 8 parámetros e a análise de ANSYS dos resultados do DOE non é tan completa como o software profesional de 6 sigma e non pode manexar a interacción. Polo tanto, usamos APDL para escribir un bucle DOE para calcular e extraer os resultados do programa e despois poñemos os datos en Minitab para a súa análise.
3.2.2 Análise dos resultados do DOE
A análise DOE de Minitab móstrase na Figura 4 e inclúe a análise dos principais factores que inflúen e a análise da interacción. A principal análise do factor de influencia úsase para determinar que cambios nas variables de deseño teñen un maior impacto na variable de destino, indicando así cales son as variables de deseño importantes. A continuación, analízase a interacción entre os factores para determinar o nivel dos factores e reducir o grao de acoplamento entre as variables de deseño. Compare o grao de cambio doutros factores cando un factor de deseño é alto ou baixo. Segundo o axioma independente, o deseño óptimo non está acoplado entre si, polo que elixe o nivel menos variable.
Os resultados da análise da ferramenta de soldadura neste artigo son: os parámetros de deseño importantes son o raio exterior do arco e o ancho da ranura da ferramenta. O nivel de ambos parámetros é "alto", é dicir, o raio ten un valor maior no DOE e o ancho da ranura tamén ten un valor maior. Determináronse os parámetros importantes e os seus valores e, a continuación, utilizáronse outros parámetros para optimizar o deseño en ANSYS para axustar a frecuencia de ferramentas para que coincida coa frecuencia de funcionamento da máquina de soldar. O proceso de optimización é o seguinte.
3.3 Optimización de parámetros de destino (frecuencia de ferramentas)
A configuración dos parámetros da optimización do deseño é similar á do DOE. A diferenza é que se determinaron os valores de dous parámetros importantes e os outros tres parámetros están relacionados coas propiedades do material, que se consideran ruído e non se poden optimizar. Os tres parámetros restantes que se poden axustar son a posición axial da ranura, a lonxitude e o ancho da ferramenta. A optimización utiliza o método de aproximación de subproblemas en ANSYS, que é un método moi utilizado en problemas de enxeñaría e omítese o proceso específico.
Cabe destacar que o uso de frecuencia como variable obxectivo require un pouco de habilidade no funcionamento. Debido a que hai moitos parámetros de deseño e unha ampla gama de variacións, os modos de vibración da ferramenta son moitos no rango de frecuencia de interese. Se o resultado da análise modal úsase directamente, é difícil atopar o modo axial de primeira orde, porque o intercalado de secuencias modais pode producirse cando cambian os parámetros, é dicir, o ordinal de frecuencia natural correspondente ao modo orixinal. Polo tanto, este artigo adopta a análise modal primeiro e despois usa o método de superposición modal para obter a curva de resposta en frecuencia. Ao atopar o valor máximo da curva de resposta en frecuencia, pode asegurar a frecuencia modal correspondente. Isto é moi importante no proceso de optimización automática, eliminando a necesidade de determinar manualmente a modalidade.
Despois de completar a optimización, a frecuencia de traballo de deseño da ferramenta pode estar moi preto da frecuencia obxectivo e o erro é inferior ao valor de tolerancia especificado na optimización. Neste punto, o deseño de ferramentas determínase basicamente, seguido de tolerancias de fabricación para o deseño de produción.
3.4 Deseño de tolerancia
O deseño estrutural xeral complétase despois de determinarse todos os parámetros de deseño, pero para problemas de enxeñaría, especialmente cando se ten en conta o custo da produción en masa, é esencial o deseño de tolerancia. O custo da baixa precisión tamén se reduce, pero a capacidade de cumprir as métricas de deseño require cálculos estatísticos para cálculos cuantitativos. O sistema de deseño de probabilidade PDS en ANSYS pode analizar mellor a relación entre a tolerancia dos parámetros de deseño e a tolerancia dos parámetros de destino e pode xerar ficheiros de informe relacionados completos.
3.4.1 Axustes e cálculos dos parámetros PDS
Segundo a idea DFSS, a análise de tolerancia debería realizarse en parámetros de deseño importantes e pódense determinar outras tolerancias xerais empíricamente. A situación deste traballo é bastante especial, porque segundo a capacidade de mecanizado, a tolerancia de fabricación dos parámetros de deseño xeométrico é moi pequena e ten pouco efecto sobre a frecuencia de ferramenta final; mentres que os parámetros das materias primas son moi diferentes debido aos provedores e o prezo das materias primas supón máis do 80% dos custos de procesamento de ferramentas. Polo tanto, é necesario establecer un rango de tolerancia razoable para as propiedades do material. As propiedades relevantes do material aquí son a densidade, o módulo de elasticidade e a velocidade de propagación da onda sonora.
A análise de tolerancia utiliza a simulación aleatoria de Monte Carlo en ANSYS para probar o método de hipercubo latino porque pode facer a distribución dos puntos de mostraxe máis uniforme e razoable e obter unha mellor correlación por menos puntos. Este traballo establece 30 puntos. Supoñamos que as tolerancias dos tres parámetros materiais distribúense segundo Gauss, inicialmente dado un límite superior e inferior e logo calculado en ANSYS.
3.4.2 Análise de resultados PDS
A través do cálculo de PDS, danse os valores das variables obxectivo correspondentes a 30 puntos de mostraxe. Descoñécese a distribución das variables de destino. Os parámetros axústanse de novo usando o software Minitab e a frecuencia distribúese basicamente segundo a distribución normal. Isto garante a teoría estatística da análise da tolerancia.
O cálculo PDS proporciona unha fórmula adecuada desde a variable de deseño ata a expansión de tolerancia da variable de destino: onde y é a variable de destino, x é a variable de deseño, c é o coeficiente de correlación e i é o número da variable.

Segundo isto, pódese asignar a tolerancia obxectivo a cada variable de deseño para completar a tarefa de deseño de tolerancia.
3.5 Verificación experimental
A parte frontal é o proceso de deseño de toda a ferramenta de soldadura. Despois da conclusión, as materias primas adquírense de acordo coas tolerancias do material permitidas polo deseño e logo envíanse á fabricación. As probas de frecuencia e modalidade realízanse despois de rematar a fabricación e o método de proba empregado é o método de proba de francotirador máis sinxelo e eficaz. Debido a que o índice máis preocupado é a frecuencia modal axial de primeira orde, o sensor de aceleración está unido á superficie de traballo e o outro extremo percorre a dirección axial e a frecuencia real da ferramenta pódese obter mediante análise espectral. O resultado da simulación do deseño é de 14925 Hz, o resultado da proba é de 14954 Hz, a resolución de frecuencia é de 16 Hz e o erro máximo é inferior ao 1%. Pódese ver que a precisión da simulación de elementos finitos no cálculo modal é moi alta.
Despois de superar a proba experimental, a ferramenta ponse en produción e montaxe na máquina de soldar por ultrasóns. A condición de reacción é boa. O traballo estivo máis de medio ano estable e a taxa de cualificación da soldadura é elevada, o que excedeu a vida útil de tres meses prometida polo fabricante xeral de equipos. Isto demostra que o deseño é exitoso e que o proceso de fabricación non se modificou e axustou repetidamente, aforrando tempo e man de obra.
4 Conclusión
Este artigo comeza co principio da soldadura por plástico por ultrasóns, comprende profundamente o foco técnico da soldadura e propón o concepto de deseño de novas ferramentas. A continuación, use a poderosa función de simulación de elementos finitos para analizar o deseño concretamente e introduza a idea de deseño de 6 Sigma de DFSS e controle os parámetros de deseño importantes mediante o deseño experimental ANSYS DOE e a análise de tolerancia PDS para acadar un deseño robusto. Finalmente, a ferramenta foi fabricada con éxito unha vez e o deseño foi razoable pola proba de frecuencia experimental e a verificación da produción real. Tamén demostra que este conxunto de métodos de deseño é factible e eficaz.


Tempo de publicación: 04-04-2020