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Prefazione
Con lo sviluppo della tecnologia a ultrasuoni, la sua applicazione è sempre più ampia, può essere utilizzata per pulire minuscole particelle di sporco e può essere utilizzata anche per la saldatura di metallo o plastica. Soprattutto nei prodotti in plastica di oggi, viene utilizzata principalmente la saldatura a ultrasuoni, poiché la struttura della vite viene omessa, l'aspetto può essere più perfetto e viene fornita anche la funzione di impermeabilizzazione e protezione dalla polvere. Il design del corno di saldatura in plastica ha un impatto importante sulla qualità della saldatura finale e sulla capacità di produzione. Nella produzione di nuovi contatori elettrici, le onde ultrasoniche vengono utilizzate per fondere insieme le facce superiore e inferiore. Tuttavia, durante l'uso, si è riscontrato che alcuni strumenti sono installati sulla macchina e si verificano crepe e altri guasti in un breve periodo di tempo. Alcuni prodotti per saldatura con utensili La percentuale di difetti è alta. Vari difetti hanno avuto un impatto considerevole sulla produzione. Secondo la comprensione, i fornitori di apparecchiature hanno capacità di progettazione limitate per gli strumenti e spesso attraverso riparazioni ripetute per ottenere indicatori di progettazione. Pertanto, è necessario utilizzare i nostri vantaggi tecnologici per sviluppare utensili durevoli e un metodo di progettazione ragionevole.
2 Principio di saldatura plastica ad ultrasuoni
La saldatura ad ultrasuoni della plastica è un metodo di lavorazione che utilizza la combinazione di termoplastiche nella vibrazione forzata ad alta frequenza e le superfici di saldatura si sfregano l'una contro l'altra per produrre una fusione locale ad alta temperatura. Per ottenere buoni risultati di saldatura a ultrasuoni, sono necessari attrezzature, materiali e parametri di processo. Quanto segue è una breve introduzione al suo principio.
2.1 Sistema di saldatura plastica ad ultrasuoni
La figura 1 è una vista schematica di un sistema di saldatura. L'energia elettrica viene fatta passare attraverso il generatore di segnale e l'amplificatore di potenza per produrre un segnale elettrico alternato di frequenza ultrasonica (> 20 kHz) che viene applicato al trasduttore (ceramica piezoelettrica). Attraverso il trasduttore, l'energia elettrica diventa l'energia della vibrazione meccanica, e l'ampiezza della vibrazione meccanica viene regolata dalla tromba all'ampiezza di lavoro appropriata, e quindi trasmessa uniformemente al materiale a contatto con esso attraverso la testa dell'utensile (saldatura utensili). Le superfici di contatto dei due materiali di saldatura sono soggette a vibrazioni forzate ad alta frequenza e il calore di attrito genera una fusione locale ad alta temperatura. Dopo il raffreddamento, i materiali vengono combinati per ottenere la saldatura.

In un sistema di saldatura, la sorgente del segnale è una parte del circuito che contiene un circuito amplificatore di potenza la cui stabilità di frequenza e capacità di azionamento influiscono sulle prestazioni della macchina. Il materiale è un termoplastico e il design della superficie del giunto deve considerare come generare rapidamente calore e attraccare. Trasduttori, trombe e teste utensili possono essere tutte considerate strutture meccaniche per una facile analisi dell'accoppiamento delle loro vibrazioni. Nella saldatura della plastica, la vibrazione meccanica viene trasmessa sotto forma di onde longitudinali. Come trasferire efficacemente l'energia e regolare l'ampiezza è il punto principale del progetto.
2.2 Testa utensile (utensili per saldatura)
La testa dell'utensile funge da interfaccia di contatto tra la saldatrice a ultrasuoni e il materiale. La sua funzione principale è quella di trasmettere la vibrazione meccanica longitudinale emessa dal variatore in modo uniforme ed efficiente al materiale. Il materiale utilizzato è solitamente una lega di alluminio di alta qualità o addirittura una lega di titanio. Poiché il design dei materiali plastici cambia molto, l'aspetto è molto diverso e la testa dell'utensile deve cambiare di conseguenza. La forma del piano di lavoro deve essere ben abbinata al materiale, in modo da non danneggiare la plastica quando vibra; allo stesso tempo, la frequenza del solido di vibrazione longitudinale di primo ordine dovrebbe essere coordinata con la frequenza di uscita della saldatrice, altrimenti l'energia di vibrazione verrà consumata internamente. Quando la testa dell'utensile vibra, si verifica una concentrazione di stress locale. Come ottimizzare queste strutture locali è anche una considerazione di progettazione. Questo articolo esplora come applicare le teste degli strumenti di progettazione ANSYS per ottimizzare i parametri di progettazione e le tolleranze di produzione.
3 progettazione di utensili per saldatura
Come accennato in precedenza, il design degli strumenti di saldatura è piuttosto importante. Ci sono molti fornitori di apparecchiature ad ultrasuoni in Cina che producono i propri strumenti di saldatura, ma una parte considerevole di loro sono imitazioni e quindi vengono costantemente tagliate e testate. Attraverso questo metodo di regolazione ripetuta, si ottiene il coordinamento degli strumenti e della frequenza delle apparecchiature. In questo documento, il metodo degli elementi finiti può essere utilizzato per determinare la frequenza durante la progettazione degli strumenti. Il risultato del test degli utensili e l'errore di frequenza di progetto sono solo dell'1%. Allo stesso tempo, questo documento introduce il concetto di DFSS (Design For Six Sigma) per ottimizzare e robusta progettazione degli utensili. Il concetto del design 6-Sigma è quello di raccogliere completamente la voce del cliente nel processo di progettazione per un design mirato; e pre-considerazione di possibili deviazioni nel processo di produzione per garantire che la qualità del prodotto finale sia distribuita entro un livello ragionevole. Il processo di progettazione è mostrato nella Figura 2. Partendo dallo sviluppo degli indicatori di progettazione, la struttura e le dimensioni degli strumenti sono inizialmente progettate in base all'esperienza esistente. Il modello parametrico viene stabilito in ANSYS, quindi il modello viene determinato dal metodo DOE (Simulation Experiment Design). Parametri importanti, in base ai requisiti robusti, determinano il valore e quindi utilizzano il metodo del problema secondario per ottimizzare altri parametri. Tenendo conto dell'influenza dei materiali e dei parametri ambientali durante la produzione e l'uso degli utensili, è stato anche progettato con tolleranze per soddisfare i requisiti dei costi di produzione. Infine, il progetto di fabbricazione, test e teoria dei test e l'errore effettivo, per soddisfare gli indicatori di progettazione forniti. La seguente introduzione dettagliata passo dopo passo.
3.1 Progettazione di forme geometriche (definizione di un modello parametrico)
La progettazione dell'attrezzatura di saldatura determina innanzitutto la sua forma geometrica e struttura approssimative e stabilisce un modello parametrico per l'analisi successiva. La figura 3 a) è il progetto dell'attrezzatura di saldatura più comune, in cui un certo numero di scanalature a forma di U sono aperte nella direzione della vibrazione su un materiale di circa parallelepipedo. Le dimensioni complessive sono le lunghezze delle direzioni X, Y e Z, e le dimensioni laterali X e Y sono generalmente paragonabili alle dimensioni del pezzo da saldare. La lunghezza di Z è uguale alla mezza lunghezza d'onda dell'onda ultrasonica, perché nella teoria della vibrazione classica, la frequenza assiale del primo ordine dell'oggetto allungato è determinata dalla sua lunghezza e la lunghezza della semionda è esattamente abbinata all'acustica frequenza d'onda. Questo design è stato esteso. Utilizzo, è benefico per la diffusione delle onde sonore. Lo scopo della scanalatura a forma di U è ridurre la perdita di vibrazioni laterali dell'utensileria. La posizione, la dimensione e il numero sono determinati in base alla dimensione complessiva dell'attrezzatura. Si può vedere che in questo design ci sono meno parametri che possono essere regolati liberamente, quindi abbiamo apportato miglioramenti su questa base. La figura 3 b) è un utensile di nuova concezione che ha un parametro di dimensione in più rispetto al design tradizionale: il raggio dell'arco esterno R. Inoltre, la scanalatura è incisa sulla superficie di lavoro dell'utensileria per cooperare con la superficie del pezzo in plastica, utile per trasmettere l'energia delle vibrazioni e proteggere il pezzo in lavorazione da eventuali danni. Questo modello viene sistematicamente modellato parametricamente in ANSYS, e quindi nel successivo progetto sperimentale.
3.2 Disegno sperimentale DOE (determinazione di parametri importanti)
DFSS è stato creato per risolvere problemi tecnici pratici. Non persegue la perfezione, ma è efficace e robusto. Incarna l'idea del 6-Sigma, coglie la principale contraddizione e abbandona il “99,97%”, richiedendo al contempo che il design sia abbastanza resistente alla variabilità ambientale. Pertanto, prima di effettuare l'ottimizzazione dei parametri target, è necessario prima esaminarli e selezionare la dimensione che ha un'influenza importante sulla struttura ei loro valori dovrebbero essere determinati secondo il principio di robustezza.
3.2.1 Impostazione dei parametri DOE e DOE
I parametri di progettazione sono la forma dell'utensile e la posizione delle dimensioni della scanalatura a forma di U, ecc., Per un totale di otto. Il parametro target è la frequenza di vibrazione assiale del primo ordine perché ha la maggiore influenza sulla saldatura e la massima sollecitazione concentrata e la differenza nell'ampiezza della superficie di lavoro sono limitate come variabili di stato. In base all'esperienza, si presume che l'effetto dei parametri sui risultati sia lineare, quindi ogni fattore è impostato solo su due livelli, alto e basso. L'elenco dei parametri e dei nomi corrispondenti è il seguente.
DOE viene eseguito in ANSYS utilizzando il modello parametrico stabilito in precedenza. A causa delle limitazioni del software, il DOE a fattore pieno può utilizzare solo fino a 7 parametri, mentre il modello ha 8 parametri e l'analisi dei risultati DOE di ANSYS non è completa come il software professionale 6 sigma e non può gestire l'interazione. Pertanto, utilizziamo APDL per scrivere un ciclo DOE per calcolare ed estrarre i risultati del programma, quindi inserire i dati in Minitab per l'analisi.
3.2.2 Analisi dei risultati DOE
L'analisi DOE di Minitab è mostrata nella Figura 4 e include l'analisi dei principali fattori di influenza e l'analisi dell'interazione. L'analisi dei fattori di influenza principale viene utilizzata per determinare quali modifiche alle variabili di progetto hanno un impatto maggiore sulla variabile di destinazione, indicando in tal modo quali sono le variabili di progetto importanti. L'interazione tra i fattori viene quindi analizzata per determinare il livello dei fattori e per ridurre il grado di accoppiamento tra le variabili di progetto. Confronta il grado di variazione di altri fattori quando un fattore di progettazione è alto o basso. Secondo l'assioma indipendente, il design ottimale non è accoppiato tra loro, quindi scegli il livello che è meno variabile.
I risultati dell'analisi degli utensili di saldatura in questo documento sono: i parametri di progetto importanti sono il raggio dell'arco esterno e la larghezza della fessura dell'attrezzatura. Il livello di entrambi i parametri è "alto", ovvero il raggio assume un valore maggiore nel DOE e anche la larghezza della scanalatura assume un valore maggiore. Sono stati determinati i parametri importanti ei loro valori, quindi sono stati utilizzati molti altri parametri per ottimizzare il progetto in ANSYS per regolare la frequenza di attrezzaggio in modo che corrisponda alla frequenza operativa della saldatrice. Il processo di ottimizzazione è il seguente.
3.3 Ottimizzazione dei parametri target (frequenza degli utensili)
Le impostazioni dei parametri dell'ottimizzazione del progetto sono simili a quelle del DOE. La differenza è che sono stati determinati i valori di due parametri importanti e gli altri tre parametri sono correlati alle proprietà del materiale, che sono considerate rumore e non possono essere ottimizzate. I restanti tre parametri che possono essere regolati sono la posizione assiale dell'asola, la lunghezza e la larghezza dell'utensile. L'ottimizzazione utilizza il metodo di approssimazione dei sottoproblemi in ANSYS, che è un metodo ampiamente utilizzato nei problemi di ingegneria, e il processo specifico viene omesso.
Vale la pena notare che l'utilizzo della frequenza come variabile di destinazione richiede un po 'di abilità nel funzionamento. Poiché ci sono molti parametri di progettazione e un'ampia gamma di variazioni, le modalità di vibrazione degli utensili sono molte nell'intervallo di frequenza di interesse. Se il risultato dell'analisi modale viene utilizzato direttamente, è difficile trovare la modalità assiale del primo ordine, perché l'interleaving della sequenza modale può verificarsi quando i parametri cambiano, cioè l'ordinale della frequenza naturale corrispondente alla modalità originale cambia. Pertanto, questo documento adotta prima l'analisi modale, quindi utilizza il metodo di sovrapposizione modale per ottenere la curva di risposta in frequenza. Trovando il valore di picco della curva di risposta in frequenza, può garantire la frequenza modale corrispondente. Questo è molto importante nel processo di ottimizzazione automatica, eliminando la necessità di determinare manualmente la modalità.
Dopo che l'ottimizzazione è stata completata, la frequenza di lavoro di progetto dell'attrezzatura può essere molto vicina alla frequenza di destinazione e l'errore è inferiore al valore di tolleranza specificato nell'ottimizzazione. A questo punto, il progetto dell'attrezzatura è sostanzialmente determinato, seguito dalle tolleranze di produzione per il progetto di produzione.
3.4 Progetto di tolleranza
La progettazione strutturale generale è completata dopo che tutti i parametri di progettazione sono stati determinati, ma per problemi di ingegneria, soprattutto se si considera il costo della produzione di massa, la progettazione della tolleranza è essenziale. Anche il costo della bassa precisione viene ridotto, ma la capacità di soddisfare le metriche di progettazione richiede calcoli statistici per calcoli quantitativi. Il PDS Probability Design System in ANSYS può analizzare meglio la relazione tra la tolleranza dei parametri di progetto e la tolleranza dei parametri target e può generare file di report correlati completi.
3.4.1 Impostazioni e calcoli dei parametri PDS
Secondo l'idea DFSS, l'analisi delle tolleranze dovrebbe essere eseguita su parametri di progetto importanti e altre tolleranze generali possono essere determinate empiricamente. La situazione in questo documento è piuttosto speciale, perché in base alla capacità di lavorazione, la tolleranza di produzione dei parametri di progettazione geometrica è molto piccola e ha scarso effetto sulla frequenza di lavorazione finale; mentre i parametri delle materie prime sono molto diversi a causa dei fornitori, e il prezzo delle materie prime rappresenta oltre l'80% dei costi di lavorazione degli utensili. Pertanto, è necessario impostare un intervallo di tolleranza ragionevole per le proprietà del materiale. Le proprietà rilevanti del materiale in questo caso sono la densità, il modulo di elasticità e la velocità di propagazione delle onde sonore.
L'analisi della tolleranza utilizza la simulazione Monte Carlo casuale in ANSYS per campionare il metodo Ipercubo latino perché può rendere la distribuzione dei punti di campionamento più uniforme e ragionevole e ottenere una migliore correlazione con un numero inferiore di punti. Questo documento fissa 30 punti. Supponiamo che le tolleranze dei tre parametri del materiale siano distribuite secondo Gauss, dato inizialmente un limite superiore e inferiore, e poi calcolate in ANSYS.
3.4.2 Analisi dei risultati PDS
Attraverso il calcolo del PDS, vengono forniti i valori della variabile target corrispondenti a 30 punti di campionamento. La distribuzione delle variabili di destinazione è sconosciuta. I parametri vengono nuovamente adattati utilizzando il software Minitab e la frequenza è sostanzialmente distribuita secondo la distribuzione normale. Ciò garantisce la teoria statistica dell'analisi della tolleranza.
Il calcolo PDS fornisce una formula di adattamento dalla variabile di progetto all'espansione della tolleranza della variabile di destinazione: dove y è la variabile di destinazione, x è la variabile di progetto, c è il coefficiente di correlazione e i è il numero della variabile.

In base a ciò, la tolleranza target può essere assegnata a ciascuna variabile di progetto per completare l'attività di progettazione della tolleranza.
3.5 Verifica sperimentale
La parte anteriore è il processo di progettazione dell'intero strumento di saldatura. Dopo il completamento, le materie prime vengono acquistate secondo le tolleranze del materiale consentite dal progetto e quindi consegnate alla produzione. I test di frequenza e modali vengono eseguiti al termine della produzione e il metodo di test utilizzato è il metodo di test da cecchino più semplice ed efficace. Poiché l'indice più interessato è la frequenza modale assiale del primo ordine, il sensore di accelerazione è collegato alla superficie di lavoro e l'altra estremità viene colpita lungo la direzione assiale e la frequenza effettiva degli utensili può essere ottenuta mediante analisi spettrale. Il risultato della simulazione del progetto è 14925 Hz, il risultato del test è 14954 Hz, la risoluzione in frequenza è 16 Hz e l'errore massimo è inferiore all'1%. Si può vedere che l'accuratezza della simulazione agli elementi finiti nel calcolo modale è molto alta.
Dopo aver superato la prova sperimentale, l'attrezzatura viene messa in produzione e assemblata sulla saldatrice ad ultrasuoni. La condizione di reazione è buona. Il lavoro è rimasto stabile per più di sei mesi e il tasso di qualificazione della saldatura è alto, che ha superato i tre mesi di vita utile promessi dal produttore di apparecchiature generali. Ciò dimostra che il design ha successo e il processo di produzione non è stato ripetutamente modificato e regolato, risparmiando tempo e manodopera.
4. Conclusione
Questo documento inizia con il principio della saldatura plastica ad ultrasuoni, afferra profondamente il focus tecnico della saldatura e propone il concetto di design di nuovi utensili. Quindi utilizzare la potente funzione di simulazione degli elementi finiti per analizzare concretamente il progetto e introdurre l'idea di progettazione 6-Sigma di DFSS e controllare gli importanti parametri di progettazione attraverso il progetto sperimentale ANSYS DOE e l'analisi della tolleranza PDS per ottenere un design robusto. Infine, l'attrezzatura è stata prodotta con successo una volta e il progetto era ragionevole in base al test di frequenza sperimentale e alla verifica della produzione effettiva. Dimostra anche che questo insieme di metodi di progettazione è fattibile ed efficace.


Tempo post: Nov-04-2020