Вести

Предговор
Со развојот на ултразвучната технологија, нејзината примена е сè пообемна, може да се користи за чистење на ситни честички од нечистотија, а може да се користи и за заварување метал или пластика. Особено во денешните пластични производи, најчесто се користи заварување со ултразвук, бидејќи структурата на завртката е изоставена, изгледот може да биде посовршен, а исто така е предвидена и функцијата на хидроизолација и водоотпорност. Дизајнот на пластичниот заварувачки рог има важно влијание врз крајниот квалитет на заварувањето и производствениот капацитет. Во производството на нови електрични броила, ултразвучните бранови се користат за спојување на горните и долните лица заедно. Меѓутоа, за време на употребата, откриено е дека некои алатки се инсталирани на машината и пукнати, а други дефекти се случуваат за краток временски период. Некои производи за заварување со алатки Стапката на дефект е висока. Различни дефекти имаат значително влијание врз производството. Според разбирањето, снабдувачите на опрема имаат ограничени можности за дизајнирање алатки, и честопати преку повторени поправки за да се постигнат индикатори за дизајн. Затоа, потребно е да ги искористиме нашите сопствени технолошки предности за да развиеме трајно подготвување алатки и разумен метод на дизајнирање.
2 Принцип на ултразвучно пластично заварување
Ултразвучно пластично заварување е метод на обработка што ја користи комбинацијата на термопластика во присилната вибрација на висока фреквенција, а површините за заварување се тријат едни со други за да се произведе локално топлинско топење. Со цел да се постигнат добри резултати со ултразвучно заварување, потребна е опрема, материјали и параметри на процесот. Следното е краток вовед во неговиот принцип.
2.1 Ултразвучен систем за пластично заварување
Слика 1 е шематски приказ на системот за заварување. Електричната енергија се пренесува преку генераторот на сигнали и засилувачот на моќноста за да се произведе наизменичен електричен сигнал со ултразвучна фреквенција (> 20 kHz) што се нанесува на трансдуцерот (пиезоелектрична керамика). Преку трансдуцерот, електричната енергија станува енергија на механичката вибрација, а амплитудата на механичката вибрација ја прилагодува рогот до соодветната работна амплитуда, а потоа рамномерно се пренесува на материјалот во контакт со него преку главата на алатот (заварување инструменти). Контактните површини на двата материјали за заварување се подложени на високофреквентни присилни вибрации, а топлината од триење генерира локално топење на висока температура. По ладењето, материјалите се комбинираат за да се постигне заварување.

Во системот за заварување, изворот на сигналот е дел од колото што содржи коло за засилувач на струја чија стабилност на фреквенцијата и способноста на погонот влијаат на перформансите на машината. Материјалот е термопластичен, а во дизајнот на површината на зглобот треба да се разгледа како брзо да се генерираат топлина и пристаниште. Трансдусерите, роговите и главите на алатите може да се сметаат за механички структури за лесна анализа на спојката на нивните вибрации. При пластично заварување, механичката вибрација се пренесува во форма на надолжни бранови. Како ефикасно да се пренесе енергија и да се прилагоди амплитудата е главната точка на дизајнот.
2.2 Глава на алатот (алатка за заварување)
Главата на алатот служи како контакт интерфејс помеѓу ултразвучната машина за заварување и материјалот. Неговата главна функција е да ги пренесува надолжните механички вибрации што ги произведува варијаторот рамномерно и ефикасно до материјалот. Користениот материјал е обично висококвалитетна легура на алуминиум или дури и легура на титаниум. Бидејќи дизајнот на пластични материјали многу се менува, изгледот е многу различен, а главата на алатот треба соодветно да се смени. Обликот на работната површина треба добро да се совпадне со материјалот, за да не се оштети пластиката при вибрирање; во исто време, подолжната вибрациона цврста фреквенција од прв ред треба да се координира со излезната фреквенција на машината за заварување, во спротивно енергијата на вибрациите ќе се потроши внатрешно. Кога главата на алатот вибрира, се јавува локална концентрација на стрес. Како да се оптимизираат овие локални структури, исто така, се разгледува и дизајнот. Оваа статија истражува како да се применат главите на алатките за дизајн ANSYS за да се оптимизираат параметрите на дизајнот и толеранциите на производството.
3 дизајн на алати за заварување
Како што споменавме порано, дизајнот на алатот за заварување е доста важен. Постојат многу добавувачи на ултразвучна опрема во Кина кои произведуваат свои алатки за заварување, но значителен дел од нив се имитации, а потоа тие постојано сечат и тестираат. Преку овој метод на повторено прилагодување, се постигнува координација на алатот и фреквенцијата на опремата. Во овој труд, методот на конечни елементи може да се користи за да се одреди фреквенцијата при дизајнирање на алатот. Резултатот од тестот за обработка и грешката во фреквенцијата на дизајнот се само 1%. Во исто време, овој труд го воведува концептот на DFSS (Design For Six Sigma) за оптимизирање и робустен дизајн на алатки. Концептот на дизајнот на 6-Сигма е целосно да го собере гласот на клиентот во процесот на дизајнирање за насочен дизајн; и претходно разгледување на можните отстапувања во производниот процес за да се осигура дека квалитетот на финалниот производ е дистрибуиран во разумно ниво. Процесот на дизајнирање е прикажан на слика 2. Поаѓајќи од развојот на индикаторите за дизајн, структурата и димензиите на алатот првично се дизајнираат според постојното искуство. Параметарскиот модел е воспоставен во ANSYS, а потоа моделот се одредува со методот на дизајн на симулациски експеримент (DOE). Важните параметри, според робусните барања, ја одредуваат вредноста, а потоа користете го методот на подпроблем за да ги оптимизирате другите параметри. Земајќи го предвид влијанието на материјалите и параметрите на животната средина за време на производството и употребата на алатот, тој исто така е дизајниран со толеранции за да ги задоволи барањата на трошоците за производство. Конечно, производство, тест и тест теорија дизајн и реална грешка, за да се исполнат индикатори за дизајн што се испорачуваат. Следниот детален вовед чекор по чекор.
3.1 Дизајн на геометриска форма (воспоставување параметарски модел)
Со дизајнирање на алатот за заварување најпрво се одредува неговата приближна геометриска форма и структура и се воспоставува параметарски модел за последователна анализа. Слика 3 а) е дизајн на најчестата алатка за заварување, во која се отвораат голем број жлебови во форма на буквата У во насока на вибрации на материјал од приближно кубоид. Вкупните димензии се должините на X, Y и Z насоките, а страничните димензии X и Y генерално се споредуваат со големината на работното парче што се заварува. Должината на Z е еднаква на половина бранова должина на ултразвучниот бран, бидејќи во класичната теорија на вибрации, аксијалната фреквенција од прв ред на издолжениот објект се определува според неговата должина, а должината на полубрано е точно соодветна со акустичната фреквенција на бран. Овој дизајн е продолжен. Употребата е корисна за ширењето на звучните бранови. Целта на жлебот во форма на буквата У е да се намали загубата на странични вибрации на алатот. Позицијата, големината и бројот се одредуваат според вкупната големина на алатот. Може да се види дека во овој дизајн, има помалку параметри што можат слободно да се регулираат, па затоа направивме подобрувања по оваа основа. Слика 3 б) е ново дизајнирана алатка која има уште еден параметар за големината од традиционалниот дизајн: радиус на надворешниот лак R. Покрај тоа, жлебот е врежан на работната површина на алатот за да соработува со површината на пластичното работно парче, што е корисно да се пренесе енергијата на вибрациите и да се заштити работното парче од оштетување. Овој модел е рутински параметарски моделиран во ANSYS, а потоа и на следниот експериментален дизајн.
3.2 DOE експериментален дизајн (одредување на важни параметри)
DFSS е создаден за решавање на практични инженерски проблеми. Не го следи совршенството, но е ефикасен и робустен. Ја отелотворува идејата за 6-Сигма, ја доловува главната противречност и се откажува од „99,97%“, истовремено барајќи дизајнот да биде доста отпорен на варијабилноста на животната средина. Затоа, пред да се направи оптимизацијата на целниот параметар, прво треба да се скринира и да се избере големината што има важно влијание врз структурата и нивните вредности да се одредат според принципот на цврстина.
3.2.1 Поставување параметар DOE и DOE
Дизајнерските параметри се формата на алатот и големината на положбата на жлебот во форма на буквата У, итн., Вкупно осум. Целниот параметар е аксијална фреквенција на вибрации од прв ред бидејќи има најголемо влијание врз заварот, а максималниот концентриран напон и разликата во амплитудата на работната површина се ограничени како променливи на состојбата. Врз основа на искуството, се претпоставува дека ефектот на параметрите врз резултатите е линеарен, така што секој фактор е поставен само на две нивоа, високо и ниско. Списокот со параметри и соодветните имиња е како што следува.
DOE се изведува во ANSYS со користење на претходно утврдениот параметарски модел. Поради ограничувања на софтверот, DOE со полн фактор може да користи само до 7 параметри, додека моделот има 8 параметри, а анализата на ANSYS за резултатите од DOE не е толку сеопфатна како професионалниот софтвер со 6-сигма и не може да се справи со интеракцијата. Затоа, ние користиме APDL за да напишеме DOE-јамка за да ги пресметаме и извлечеме резултатите од програмата, а потоа ги ставаме податоците во Minitab за анализа.
3.2.2 Анализа на резултатите од DOE
Анализата на DOE на Minitab е прикажана на слика 4 и вклучува анализа на главните фактори на влијание и анализа на интеракцијата. Анализата на главната фактор на влијание се користи за да се утврди кои промени во дизајнерската варијабла имаат поголемо влијание врз целната променлива, со што се наведуваат кои се важни варијабли на дизајнот. Интеракцијата помеѓу факторите потоа се анализира за да се одреди нивото на факторите и да се намали степенот на спојување помеѓу варијаблите на дизајнот. Споредете го степенот на промена на другите фактори кога факторот за дизајн е висок или низок. Според независната аксиома, оптималниот дизајн не е споен едни со други, затоа изберете го нивото што е помалку променливо.
Резултатите од анализата на алатот за заварување во овој труд се: важните параметри на дизајнот се радиусот на надворешниот лак и ширината на отворот на алатот. Нивото на двата параметри е „високо“, односно радиусот зазема поголема вредност во DOE, а ширината на жлебот исто така зема поголема вредност. Беа утврдени важните параметри и нивните вредности, а потоа беа искористени неколку други параметри за оптимизирање на дизајнот во ANSYS за прилагодување на фреквенцијата на алатот за да одговара на работната фреквенција на машината за заварување. Процесот на оптимизација е како што следува.
3.3 Оптимизација на целниот параметар (фреквенција на алатки)
Поставките за параметрите на оптимизацијата на дизајнот се слични на оние на DOE. Разликата е во тоа што се утврдени вредностите на два важни параметри, а другите три параметри се поврзани со материјалните својства, кои се сметаат за бучава и не можат да се оптимизираат. Останатите три параметри што можат да се прилагодат се аксијалната позиција на слотот, должината и ширината на алатот. Оптимизацијата го користи методот на приближување на подпроблемот во ANSYS, кој е широко користен метод во инженерските проблеми, а специфичниот процес е изоставен.
Вреди да се напомене дека користењето на фреквенцијата како целна променлива бара малку вештина во работењето. Бидејќи има многу параметри на дизајнот и широк спектар на варијации, режимите на вибрации на алатот се многу во фреквентниот опсег од интерес. Ако резултатот од модалната анализа се користи директно, тешко е да се најде аксијален режим од прв ред, бидејќи мешањето на модалната низа може да се случи кога ќе се променат параметрите, односно редоследот на природната фреквенција што одговара на оригиналниот режим се менува. Затоа, овој труд прво ја усвојува модалната анализа, а потоа се користи методот на модално суперпозиција за да се добие кривата на одговор на фреквенцијата. Со наоѓање на врвната вредност на кривата на одговор на фреквенцијата, може да се обезбеди соодветната модална фреквенција. Ова е многу важно во процесот на автоматска оптимизација, со што се елиминира потребата за рачно одредување на модалитетот.
По завршувањето на оптимизацијата, работната фреквенција на дизајнот на алатките може да биде многу близу до целната фреквенција, а грешката е помала од вредноста на толеранција одредена во оптимизацијата. Во овој момент, основниот дизајн е определен, проследен со производни толеранции за производствен дизајн.
3.4 Дизајн на толеранција
Општиот структурен дизајн е завршен откако ќе бидат утврдени сите параметри на дизајнот, но за инженерски проблеми, особено кога се разгледуваат трошоците за масовно производство, дизајнот на толеранција е од суштинско значење. Трошоците за мала прецизност исто така се намалуваат, но можноста за исполнување на проектните метрики бара статистички пресметки за квантитативни пресметки. Системот за дизајнирање веројатност PDS во ANSYS може подобро да ја анализира врската помеѓу толеранцијата на параметарот на дизајнот и толеранцијата на целниот параметар и може да генерира целосни поврзани датотеки со извештаи.
3.4.1 Поставки и пресметки на параметарот PDS
Според идејата на DFSS, анализата на толеранција треба да се изврши на важни параметри на дизајнот, а другите општи толеранции можат да се одредат емпириски. Ситуацијата во овој труд е доста посебна, бидејќи според способноста за обработка, толеранцијата за производство на параметрите за геометриски дизајн е многу мала и има мал ефект врз крајната фреквенција на обработката; додека параметрите на суровините се многу различни заради добавувачите, а цената на суровините сочинува над 80% од трошоците за обработка на алати. Затоа, потребно е да се постави разумен опсег на толеранција за својствата на материјалот. Релевантните својства на материјалот тука се густината, модулот на еластичност и брзината на ширење на звучниот бран.
Анализата на толеранција користи случајна симулација на Монте Карло во ANSYS за примерок на методот Латинска хиперкубја, бидејќи може да ја направи распределбата на точките за земање мостри порамномерна и разумна и да добие подобра корелација за помалку поени. Овој труд поставува 30 поени. Да претпоставиме дека толеранциите на трите материјални параметри се распределени според Гаус, првично дадена горната и долната граница, а потоа пресметани во ANSYS.
3.4.2 Анализа на резултатите од ПДС
Преку пресметката на PDS, дадени се целните променливи вредности што одговараат на 30 поени за земање примероци. Дистрибуцијата на целните варијабли е непозната. Параметрите се поставуваат повторно со помош на софтверот Minitab, а фреквенцијата во основа се дистрибуира според нормалната дистрибуција. Ова обезбедува статистичка теорија на анализа на толеранција.
Пресметката на PDS дава формула за прилагодување од променливата на дизајнот до експанзијата на толеранција на целната променлива: каде што y е целната променлива, x е променливата на дизајнот, c е коефициентот на корелација и i е променливиот број.

Според ова, целната толеранција може да се додели на секоја варијабла за дизајн за да се заврши задачата за дизајн на толеранција.
3.5 Експериментална верификација
Предниот дел е процес на дизајнирање на целата алатка за заварување. По завршувањето, суровините се купуваат во согласност со толеранциите на материјалот дозволени од дизајнот, а потоа се доставуваат до производството. Тестовите за фреквенција и мода се изведуваат по завршувањето на производството, а употребениот тест метод е наједноставниот и најефективниот метод за тестирање со снајпер. Бидејќи најзасегнатиот индекс е аксијална модална фреквенција од прв ред, сензорот за забрзување е прикачен на работната површина, а другиот крај се удира по аксијалната насока, а реалната фреквенција на алатот може да се добие со спектрална анализа. Резултатот од симулацијата на дизајнот е 14925 Hz, резултатот од тестот е 14954 Hz, резолуцијата на фреквенцијата е 16 Hz, а максималната грешка е помала од 1%. Може да се види дека точноста на симулацијата на конечни елементи во модалната пресметка е многу голема.
По положувањето на експерименталниот тест, алатот се става во производство и склопување на машината за ултразвучно заварување. Состојбата на реакција е добра. Работата е стабилна повеќе од половина година, а стапката на квалификација на заварување е висока, што го надмина тримесечниот век на траење ветен од производителот на општа опрема. Ова покажува дека дизајнот е успешен, а производствениот процес не е постојано менуван и прилагоден, заштедувајќи време и работна сила.
4 Заклучок
Овој труд започнува со принципот на ултразвучно пластично заварување, длабоко го сфаќа техничкиот фокус на заварувањето и го предлага дизајнерскиот концепт на новата алатка. Потоа користете ја моќната симулациска функција на конечни елементи за да го анализирате дизајнот конкретно и да ја воведете идејата за дизајн на 6-Сигма на DFSS и да ги контролирате важните параметри за дизајн преку експерименталниот дизајн ANSYS DOE и анализата на толеранција на PDS за да постигнете робустен дизајн Конечно, алатките беа успешно произведени еднаш, а дизајнот беше разумен со експерименталниот тест за фреквенција и вистинската верификација на производството. Исто така, докажува дека овој сет на методи на дизајнирање е изводлив и ефикасен.


Време на објавување: ноември-04-2020 година