vijesti

Predgovor
Razvojem ultrazvučne tehnologije njegova je primjena sve opsežnija, može se koristiti za čišćenje sitnih čestica nečistoće, a može se koristiti i za zavarivanje metala ili plastike. Pogotovo se u današnjim proizvodima od plastike najviše koristi ultrazvučno zavarivanje, jer je izostavljena vijčana struktura, izgled može biti savršeniji, a osigurana je i funkcija hidroizolacije i prašine. Dizajn plastične sirene za varenje ima važan utjecaj na konačnu kvalitetu zavarivanja i kapacitet proizvodnje. U proizvodnji novih električnih brojila, ultrazvučni valovi se koriste za spajanje gornje i donje površine. Međutim, tijekom upotrebe utvrđeno je da su neki alati instalirani na stroju i puknuti, a drugi se kvarovi javljaju u kratkom vremenskom razdoblju. Neki proizvodi za zavarivanje alata Stopa kvara je velika. Razni kvarovi imali su značajan utjecaj na proizvodnju. Prema razumijevanju, dobavljači opreme imaju ograničene mogućnosti dizajniranja alata i često ponovljenim popravcima kako bi postigli pokazatelje dizajna. Stoga je potrebno koristiti vlastite tehnološke prednosti za razvoj trajnog alata i razumne metode dizajna.
2 Načelo ultrazvučnog zavarivanja plastike
Ultrazvučno zavarivanje plastike metoda je obrade koja koristi kombinaciju termoplastike u visokofrekventnim prisilnim vibracijama, a površine za zavarivanje trljaju se jedna o drugu dajući lokalno topljenje pri visokim temperaturama. Da bi se postigli dobri rezultati ultrazvučnog zavarivanja, potrebna je oprema, materijali i procesni parametri. Slijedi kratki uvod u njegovo načelo.
2.1 Ultrazvučni sustav za zavarivanje plastike
Slika 1 je shematski prikaz sustava za zavarivanje. Električna energija prolazi kroz generator signala i pojačalo snage kako bi se proizveo izmjenični električni signal ultrazvučne frekvencije (> 20 kHz) koji se primjenjuje na pretvarač (piezoelektrična keramika). Kroz pretvarač, električna energija postaje energija mehaničkih vibracija, a amplituda mehaničkih vibracija podešava se rogom na odgovarajuću radnu amplitudu, a zatim jednoliko prenosi na materijal u kontaktu s njim kroz glavu alata (zavarivanje alata). Kontaktne površine dvaju materijala za zavarivanje izložene su visokofrekventnim prisilnim vibracijama, a toplina trenja generira lokalno topljenje pri visokim temperaturama. Nakon hlađenja, materijali se kombiniraju kako bi se postiglo zavarivanje.

U sustavu za zavarivanje izvor signala je dio sklopa koji sadrži krug pojačala snage čija stabilnost frekvencije i pogonska sposobnost utječu na performanse stroja. Materijal je termoplastika, a pri dizajnu površine spoja treba razmotriti kako brzo generirati toplinu i pristati. Pretvarači, rogovi i glave alata mogu se smatrati mehaničkom strukturom za jednostavnu analizu sprege njihovih vibracija. Pri zavarivanju plastike mehaničke vibracije prenose se u obliku uzdužnih valova. Glavna je stvar dizajna kako učinkovito prenijeti energiju i prilagoditi amplitudu.
2.2 Glava alata (alat za zavarivanje)
Glava alata služi kao kontaktno sučelje između ultrazvučnog aparata za zavarivanje i materijala. Njegova je glavna funkcija ravnomjerno i učinkovito prenositi uzdužne mehaničke vibracije koje variator daje na materijal. Materijal koji se koristi obično je visokokvalitetna aluminijska legura ili čak legura titana. Budući da se dizajn plastičnih materijala puno mijenja, izgled je vrlo različit, a glava alata mora se mijenjati u skladu s tim. Oblik radne površine treba dobro uskladiti s materijalom, kako ne bi oštetio plastiku prilikom vibriranja; istodobno, učestalost uzdužnih vibracija prvog reda trebala bi biti usklađena s izlaznom frekvencijom aparata za zavarivanje, inače će se energija vibracija trošiti interno. Kad glava alata zavibrira, javlja se lokalna koncentracija naprezanja. Kako optimizirati ove lokalne strukture, također je razmatranje dizajna. Ovaj članak istražuje kako primijeniti glave dizajnerskih alata ANSYS za optimizaciju projektnih parametara i proizvodnih tolerancija.
3 dizajn alata za zavarivanje
Kao što je ranije spomenuto, dizajn alata za zavarivanje prilično je važan. U Kini postoje mnogi dobavljači ultrazvučne opreme koji proizvode vlastite alate za zavarivanje, ali značajan dio njih su imitacije, a zatim neprestano podrezuju i testiraju. Kroz ovu ponovljenu metodu podešavanja postiže se koordinacija alata i učestalosti opreme. U ovom radu metoda konačnih elemenata može se koristiti za određivanje frekvencije pri projektiranju alata. Rezultati ispitivanja alata i pogreška frekvencije dizajna su samo 1%. Istodobno, ovaj rad uvodi koncept DFSS (Design For Six Sigma) za optimizaciju i robustan dizajn alata. Koncept dizajna 6-Sigma je u potpunosti prikupiti glas kupca u procesu dizajniranja ciljanog dizajna; te prethodno razmatranje mogućih odstupanja u proizvodnom procesu kako bi se osiguralo da se kvaliteta konačnog proizvoda distribuira unutar razumne razine. Proces dizajniranja prikazan je na slici 2. Polazeći od razvoja indikatora dizajna, struktura i dimenzije alata u početku se projektiraju prema postojećem iskustvu. Parametarski model uspostavlja se u ANSYS-u, a zatim se model određuje metodom dizajna simulacijskog eksperimenta (DOE). Važni parametri, prema robusnim zahtjevima, određuju vrijednost, a zatim koriste podproblemsku metodu za optimizaciju ostalih parametara. Uzimajući u obzir utjecaj materijala i okolišnih parametara tijekom proizvodnje i uporabe alata, također je dizajniran s tolerancijama kako bi udovoljio zahtjevima proizvodnih troškova. Konačno, proizvodnja, ispitivanje i dizajn teorije ispitivanja i stvarne pogreške, kako bi se udovoljilo isporučenim pokazateljima dizajna. Sljedeći detaljni uvod, korak po korak.
3.1 Dizajn geometrijskog oblika (uspostavljanje parametarskog modela)
Dizajniranje alata za zavarivanje prvo određuje njegov približni geometrijski oblik i strukturu i uspostavlja parametarski model za naknadnu analizu. Slika 3 a) dizajn je najčešćeg alata za zavarivanje, kod kojeg se na utoru otprilike kuboidnog oblika otvara niz utora u obliku slova U u smjeru vibracija. Ukupne dimenzije su duljine smjerova X, Y i Z, a bočne dimenzije X i Y općenito su usporedive s veličinom obratka koji se zavaruje. Duljina Z jednaka je polovici valne duljine ultrazvučnog vala, jer se u klasičnoj teoriji vibracija aksijalna frekvencija prvog reda izduženog predmeta određuje njegovom duljinom, a duljina polu vala točno odgovara akustičnoj frekvencija valova. Ovaj dizajn je proširen. Upotreba je korisna za širenje zvučnih valova. Svrha utora u obliku slova U je smanjiti gubitak bočnih vibracija alata. Položaj, veličina i broj određuju se prema ukupnoj veličini alata. Vidljivo je da u ovom dizajnu postoji manje parametara koji se mogu slobodno regulirati, pa smo na temelju toga napravili poboljšanja. Slika 3 b) je novoprojektirani alat koji ima još jedan parametar veličine od tradicionalnog dizajna: radijus vanjskog luka R. Osim toga, utor je ugraviran na radnoj površini alata kako bi surađivao s površinom plastičnog obratka, što je korisno za prijenos energije vibracija i zaštitu obratka od oštećenja. Ovaj se model rutinski parametarski modelira u ANSYS-u, a zatim slijedeći eksperimentalni dizajn.
3.2 DOE eksperimentalni dizajn (određivanje važnih parametara)
DFSS je stvoren za rješavanje praktičnih inženjerskih problema. Ne teži savršenstvu, ali je učinkovit i robustan. Utjelovljuje ideju 6-Sigme, bilježi glavno proturječje i napušta "99,97%", dok zahtijeva da dizajn bude prilično otporan na promjenjivost okoliša. Stoga ga prije optimizacije ciljnog parametra treba prvo pregledati i odabrati veličinu koja ima važan utjecaj na strukturu te odrediti njihove vrijednosti prema principu robusnosti.
3.2.1 Postavljanje parametara DOE i DOE
Parametri dizajna su oblik alata i položaj veličine utora u obliku slova U, itd., Ukupno osam. Ciljni parametar je aksijalna frekvencija vibracija prvog reda jer ima najveći utjecaj na zavar, a maksimalno koncentrirano naprezanje i razlika u amplitudi radne površine ograničeni su kao varijable stanja. Na temelju iskustva pretpostavlja se da je učinak parametara na rezultate linearan, pa je svaki čimbenik postavljen samo na dvije razine, visoku i nisku. Popis parametara i odgovarajućih imena je sljedeći.
DOE se izvodi u ANSYS-u koristeći prethodno uspostavljeni parametarski model. Zbog softverskih ograničenja, DOE s punim faktorom može koristiti samo do 7 parametara, dok model ima 8 parametara, a ANSYS-ova analiza rezultata DOE-a nije tako sveobuhvatna kao profesionalni 6-sigma softver i ne može se nositi s interakcijom. Stoga koristimo APDL za pisanje DOE petlje za izračunavanje i izdvajanje rezultata programa, a zatim podatke stavljamo u Minitab na analizu.
3.2.2 Analiza rezultata DOE
Minitabova DOE analiza prikazana je na slici 4 i uključuje analizu glavnih čimbenika utjecaja i analizu interakcija. Analiza glavnog čimbenika utjecaja koristi se da bi se utvrdilo koje promjene varijable dizajna imaju veći utjecaj na ciljanu varijablu, pri čemu se ukazuje koje su važne varijable dizajna. Zatim se analizira interakcija između faktora kako bi se utvrdila razina faktora i kako bi se smanjio stupanj sprege između varijabli dizajna. Usporedite stupanj promjene ostalih čimbenika kada je faktor dizajna visok ili nizak. Prema neovisnom aksiomu, optimalni dizajn nije međusobno povezan, pa odaberite razinu koja je manje varijabilna.
Rezultati analize alata za zavarivanje u ovom radu su: važni konstrukcijski parametri su radijus vanjskog luka i širina proreza alata. Razina oba parametra je "visoka", to jest, radijus uzima veću vrijednost u DOE, a širina utora također uzima veću vrijednost. Određeni su važni parametri i njihove vrijednosti, a zatim je nekoliko drugih parametara korišteno za optimizaciju dizajna u ANSYS-u za prilagodbu frekvencije alata kako bi odgovarala radnoj frekvenciji aparata za zavarivanje. Postupak optimizacije je sljedeći.
3.3 Optimizacija ciljnih parametara (učestalost alata)
Postavke parametara optimizacije dizajna slične su postavkama DOE-a. Razlika je u tome što su utvrđene vrijednosti dva važna parametra, a ostala tri parametra povezana su sa svojstvima materijala koja se smatraju bukom i ne mogu se optimizirati. Preostala tri parametra koja se mogu podesiti su aksijalni položaj utora, duljina i širina alata. Optimizacija koristi metodu aproksimacije potproblema u ANSYS-u, koja je široko korištena metoda u inženjerskim problemima, a određeni postupak je izostavljen.
Vrijedno je napomenuti da korištenje frekvencije kao ciljne varijable zahtijeva malo vještine u radu. Budući da postoje mnogi konstrukcijski parametri i širok raspon varijacija, načini vibracija alata su mnogi u frekvencijskom rasponu od interesa. Ako se rezultat modalne analize koristi izravno, teško je pronaći aksijalni način prvog reda, jer se prepletanje modalnog niza može dogoditi kada se parametri promijene, odnosno promijeni se prirodni red frekvencije koji odgovara izvornom načinu. Stoga ovaj rad prvo usvaja modalnu analizu, a zatim koristi metodu modalne superpozicije za dobivanje krivulje frekvencijskog odziva. Pronalaženjem vršne vrijednosti krivulje frekvencijskog odziva može osigurati odgovarajuću modalnu frekvenciju. To je vrlo važno u procesu automatske optimizacije, uklanjajući potrebu za ručnim određivanjem modaliteta.
Nakon završetka optimizacije, radna frekvencija dizajna alata može biti vrlo blizu ciljane frekvencije, a pogreška je manja od vrijednosti tolerancije navedene u optimizaciji. U ovom se trenutku u osnovi određuje dizajn alata, nakon čega slijede proizvodna odstupanja za dizajn proizvodnje.
3.4 Dizajn tolerancije
Generalni konstrukcijski dizajn dovršava se nakon što su utvrđeni svi projektni parametri, ali za inženjerske probleme, posebno kada se uzimaju u obzir troškovi masovne proizvodnje, dizajn tolerancije je presudan. Troškovi niske preciznosti također su smanjeni, ali sposobnost zadovoljavanja metrike dizajna zahtijeva statističke izračune za kvantitativne izračune. PDS sustav dizajniranja vjerojatnosti u ANSYS-u može bolje analizirati vezu između tolerancije parametara dizajna i tolerancije ciljanog parametra i može generirati cjelovite povezane datoteke izvještaja.
3.4.1 Postavke i izračuni PDS parametara
Prema DFSS ideji, analizu tolerancije treba provesti na važnim projektnim parametrima, a ostale opće tolerancije mogu se empirijski odrediti. Situacija u ovom radu je sasvim posebna, jer je, prema sposobnosti obrade, proizvodna tolerancija geometrijskih parametara dizajna vrlo mala i malo utječe na konačnu učestalost alata; dok se parametri sirovina uvelike razlikuju zbog dobavljača, a cijena sirovina čini više od 80% troškova obrade alata. Stoga je potrebno postaviti razumni tolerancijski raspon za svojstva materijala. Mjerodavna svojstva materijala ovdje su gustoća, modul elastičnosti i brzina širenja zvučnog vala.
Analiza tolerancije koristi slučajnu Monte Carlo simulaciju u ANSYS-u za uzorkovanje metode Latin Hypercube, jer može distribuciju mjesta uzorkovanja učiniti ujednačenijom i razumnijom, te postići bolju korelaciju s manje bodova. Ovaj rad postavlja 30 točaka. Pretpostavimo da su tolerancije tri parametra materijala raspodijeljene prema Gaussu, u početku im je dana gornja i donja granica, a zatim izračunate u ANSYS.
3.4.2 Analiza rezultata PDS-a
Kroz izračun PDS-a daju se ciljne vrijednosti varijable koje odgovaraju 30 točaka uzorkovanja. Raspodjela ciljnih varijabli je nepoznata. Parametri se ponovno postavljaju pomoću softvera Minitab, a frekvencija se u osnovi distribuira prema normalnoj distribuciji. To osigurava statističku teoriju analize tolerancije.
Izračun PDS-a daje uklapajuću formulu od varijable dizajna do tolerancijskog proširenja ciljne varijable: gdje je y ciljna varijabla, x projektna varijabla, c koeficijent korelacije i i broj varijable.

Prema tome, ciljana tolerancija može se dodijeliti svakoj varijabli dizajna kako bi se izvršio zadatak dizajna tolerancije.
3.5 Eksperimentalna provjera
Prednji dio je postupak dizajniranja cijelog alata za zavarivanje. Nakon završetka, sirovine se kupuju u skladu s dopuštenim odstupanjima materijala, a zatim dostavljaju u proizvodnju. Učestalost i modalna ispitivanja provode se nakon završetka proizvodnje, a korištena metoda ispitivanja je najjednostavnija i najučinkovitija metoda snajperskog testiranja. Budući da je najzabrinutiji indeks aksijalne modalne frekvencije prvog reda, osjetnik ubrzanja pričvršćen je na radnu površinu, a drugi kraj udaren duž aksijalnog smjera, a stvarna frekvencija alata može se dobiti spektralnom analizom. Rezultat simulacije dizajna je 14925 Hz, rezultat ispitivanja je 14954 Hz, frekvencijska razlučivost 16 Hz, a maksimalna pogreška manja od 1%. Vidi se da je točnost simulacije konačnih elemenata u modalnom proračunu vrlo velika.
Nakon polaganja eksperimentalnog ispitivanja, alat se stavlja u proizvodnju i sastavlja na ultrazvučnom aparatu za zavarivanje. Stanje reakcije je dobro. Rad je stabilan više od pola godine, a kvalifikacija zavarivanja visoka je, što je premašilo tromjesečni radni vijek koji je obećao proizvođač opće opreme. To pokazuje da je dizajn uspješan, a proces proizvodnje nije više puta modificiran i prilagođavan, štedeći vrijeme i radnu snagu.
4. Zaključak
Ovaj rad započinje principom ultrazvučnog zavarivanja plastike, duboko zahvaća tehnički fokus zavarivanja i predlaže koncept dizajna novog alata. Zatim upotrijebite snažnu simulacijsku funkciju konačnog elementa za konkretnu analizu dizajna i uvedite 6-Sigminu ideju dizajna DFSS-a i kontrolirajte važne parametre dizajna kroz eksperimentalni dizajn ANSYS DOE i PDS analizu tolerancije kako biste postigli robustan dizajn. Napokon, alat je jednom uspješno proizveden, a dizajn je razuman eksperimentalnim testom frekvencije i stvarnom provjerom proizvodnje. To također dokazuje da je ovaj niz metoda dizajna izvediv i učinkovit.


Vrijeme objavljivanja: studeni-04-2020