Voorwoord

Met die ontwikkeling van ultrasoniese tegnologie word die toepassing daarvan al hoe meer uitgebrei; dit kan gebruik word om klein vuil deeltjies skoon te maak, en dit kan ook gebruik word om metaal of plastiek te sweis. Veral in die hedendaagse plastiekprodukte word ultrasoniese sweiswerk meestal gebruik, omdat die skroefstruktuur weggelaat word, die voorkoms perfek kan wees en die funksie van waterdigting en stofdigting ook voorsien word. Die ontwerp van die plastiek-sweishoring het 'n belangrike impak op die finale sweisgehalte en produksievermoë. By die vervaardiging van nuwe elektriese meters word ultrasoniese golwe gebruik om die boonste en onderste gesigte saam te smelt. Dit word egter tydens gebruik gevind dat daar sekere horings op die masjien geïnstalleer is en dat dit binne 'n kort tydjie gebars het, en dat ander foute voorkom. Een of ander sweishoring Die defek is hoog. Verskeie foute het die produksie aansienlik beïnvloed. Volgens die verstandhouding het toerustingverskaffers beperkte ontwerpvermoë vir horing, en dikwels deur herhaalde herstelwerk om ontwerpaanwysers te bereik. Daarom is dit nodig om ons eie tegnologiese voordele te gebruik om duursame horings en 'n redelike ontwerpmetode te ontwikkel.

2 Ultrasoniese plastieksweisbeginsel

Ultrasoniese plastieksweiswerk is 'n verwerkingsmetode wat die kombinasie van termoplastiese stowwe in die hoëfrekwensie geforseerde vibrasie gebruik, en die sweisoppervlakke teen mekaar vryf om plaaslike hoë-temperatuur smelt te produseer. Ten einde goeie ultrasoniese sweisresultate te behaal, is toerusting, materiale en prosesparameters nodig. Die volgende is 'n kort inleiding tot die beginsel daarvan.

2.1 Ultrasoniese plastieksweisstelsel

Figuur 1 is 'n skematiese aansig van 'n sweisstelsel. Die elektriese energie word deur die seinopwekker en die kragversterker gelei om 'n afwisselende elektriese sein met 'n ultrasoniese frekwensie (> 20 kHz) te lewer wat op die transducer (piëzo-elektriese keramiek) toegedien word. Deur die omskakelaar word die elektriese energie die energie van die meganiese vibrasie, en die amplitude van die meganiese vibrasie word deur die horing op die toepaslike werkamplitude aangepas, en dan eenvormig oorgedra na die materiaal wat deur die horing in kontak daarmee is. Die kontakoppervlaktes van die twee sweismateriaal word aan hoë frekwensie gedwonge trilling onderwerp, en die wrywingshitte genereer plaaslike smelting by hoë temperatuur. Na afkoeling word die materiale gekombineer om sweiswerk te bewerkstellig.

In 'n sweisstelsel is die seinbron 'n stroombaandeel wat 'n kragversterkerkring bevat waarvan die frekwensie-stabiliteit en dryfvermoë die werkverrigting van die masjien beïnvloed. Die materiaal is termoplasties en die ontwerp van die voegoppervlak moet oorweeg hoe om vinnig hitte op te wek en aan te lê. Transducers, horings en horings kan almal as meganiese strukture beskou word om die koppeling van hul vibrasies maklik te ontleed. In plastiese sweiswerk word meganiese trilling in die vorm van lengtegolwe oorgedra. Die belangrikste punt van die ontwerp is om effektief energie oor te dra en die amplitude aan te pas.

2.2horing

Die horing dien as die kontakvlak tussen die ultrasoniese sweismasjien en die materiaal. Die belangrikste funksie daarvan is om die lengtemeganiese vibrasie wat deur die variator toegedien word, eweredig en doeltreffend aan die materiaal oor te dra. Die materiaal wat gebruik word, is gewoonlik hoë gehalte aluminiumlegering of selfs titaniumlegering. Omdat die ontwerp van plastiek baie verander, lyk die voorkoms baie anders en moet die horing dienooreenkomstig verander. Die vorm van die werkoppervlak moet goed ooreenstem met die materiaal om die plastiek nie te beskadig wanneer dit vibreer nie; terselfdertyd moet die soliede vibrasie van die eerste orde soliede frekwensie gekoördineer word met die uitsetfrekwensie van die sweismasjien, anders sal die vibrasie-energie intern verbruik word. Wanneer die horing vibreer, vind plaaslike spanningskonsentrasie plaas. Hoe om hierdie plaaslike strukture te optimaliseer, is ook 'n ontwerp-oorweging. Hierdie artikel ondersoek hoe om ANSYS-ontwerphoring toe te pas om ontwerpparameters en vervaardigingstoleransies te optimaliseer.

3 sweishoring-ontwerp

Soos vroeër genoem, is die ontwerp van die sweishoring baie belangrik. Daar is baie verskaffers van ultrasoniese toerusting in China wat hul eie sweishorings vervaardig, maar 'n aansienlike deel daarvan is nabootsings, en dan word hulle voortdurend geknip en getoets. Deur middel van hierdie herhaalde aanpassingsmetode word die koördinasie van horing- en toerustingfrekwensie bereik. In hierdie artikel kan die eindige elementmetode gebruik word om die frekwensie te bepaal wanneer die horing ontwerp word. Die uitslag van die toetstoets en die ontwerpfrekwensiefout is slegs 1%. Terselfdertyd stel hierdie artikel die konsep van DFSS (Design For Six Sigma) bekend om die horing optimaal en robuust te maak. Die konsep van 6-Sigma-ontwerp is om die klant se stem volledig te versamel in die ontwerpproses vir doelgerigte ontwerp; en vooraf oorweging van moontlike afwykings in die produksieproses om te verseker dat die kwaliteit van die finale produk binne 'n redelike vlak versprei word. Die ontwerpproses word in Figuur 2 getoon. Vanaf die ontwikkeling van die ontwerpaanwysers word die struktuur en afmetings van die horing aanvanklik volgens die bestaande ervaring ontwerp. Die parametriese model word in ANSYS opgestel, en dan word die model bepaal deur die simulasie-eksperimentontwerp (DOE) -metode. Belangrike parameters, volgens die sterk vereistes, bepaal die waarde en gebruik dan die subprobleemmetode om ander parameters te optimaliseer. Met inagneming van die invloed van materiale en omgewingsparameters tydens die vervaardiging en gebruik van die horing, is dit ook ontwerp met toleransies om aan die vereistes van vervaardigingskoste te voldoen. Laastens, die vervaardigings-, toets- en toetsteorie-ontwerp en werklike foute om te voldoen aan die ontwerpaanwysers wat gelewer word. Die volgende stap-vir-stap gedetailleerde inleiding.

3.1 Ontwerp van meetkundige vorm (die opstel van 'n parametriese model)

Die ontwerp van die sweishoring bepaal eers die benaderde geometriese vorm en struktuur daarvan en stel 'n parametriese model vir die volgende analise op. Figuur 3 a) is die ontwerp van die mees algemene sweishoring, waarin 'n aantal U-vormige groewe in die vibrasie-rigting op 'n materiaal van ongeveer kubus oopgemaak word. Die totale afmetings is die lengtes van die X-, Y- en Z-rigtings, en die syafmetings X en Y is oor die algemeen vergelykbaar met die grootte van die werkstuk wat gesweis word. Die lengte van Z is gelyk aan die halwe golflengte van die ultrasoniese golf, want in die klassieke vibrasieteorie word die eerste-orde asfrekwensie van die langwerpige voorwerp deur die lengte daarvan bepaal, en die halfgolflengte word presies ooreenstem met die akoestiese golf frekwensie. Hierdie ontwerp is uitgebrei. Gebruik is voordelig vir die verspreiding van klankgolwe. Die doel van die U-vormige groef is om die laterale trilling van die horing te verminder. Die posisie, grootte en getal word bepaal volgens die algehele grootte van die horing. Daar kan gesien word dat daar minder parameters in hierdie ontwerp vrylik gereguleer kan word, en daarom het ons op hierdie basis verbeteringe aangebring. Figuur 3 b) is 'n nuut ontwerpte horing met een meer grootte parameter as die tradisionele ontwerp: die buitenste boogstraal R. Daarbenewens is die groef op die werkoppervlak van die horing gegraveer om saam te werk met die oppervlak van die plastiekwerkstuk, wat voordelig is om vibrasie-energie oor te dra en die werkstuk teen skade te beskerm. Hierdie model word gereeld parametries gemodelleer in ANSYS, en dan die volgende eksperimentele ontwerp.

3.2 DOE eksperimentele ontwerp (bepaling van belangrike parameters)

DFSS is geskep om praktiese ingenieursprobleme op te los. Dit streef nie na volmaaktheid nie, maar is effektief en robuust. Dit beliggaam die idee van 6-Sigma, vang die belangrikste teenstrydigheid op en laat 99,97% af, terwyl die ontwerp redelik bestand is teen die veranderlikheid van die omgewing. Daarom moet dit eers gekeur word voordat die teikenparameteroptimalisering gedoen word, en die grootte wat 'n belangrike invloed op die struktuur het, gekies word, en die waardes daarvan moet volgens die robuustheidbeginsel bepaal word.

3.2.1 DOE-parameterinstelling en DOE

Die ontwerpparameters is die horingvorm en die grootte posisie van die U-vormige groef, ens. Altesaam agt. Die teikenparameter is die eerste-orde aksiale vibrasiefrekwensie, want dit het die grootste invloed op die sweislas, en die maksimum gekonsentreerde spanning en die verskil in die werkoppervlakamplitude word as toestandsveranderlikes beperk. Op grond van ervaring word aanvaar dat die effek van die parameters op die resultate lineêr is, dus word elke faktor slegs op twee vlakke gestel, hoog en laag. Die lys met parameters en ooreenstemmende name is soos volg.

DOE word in ANSYS uitgevoer met behulp van die voorheen gevestigde parametriese model. As gevolg van sagtewarebeperkings, kan volledige faktor DOE slegs tot 7 parameters gebruik, terwyl die model 8 parameters het, en ANSYS se analise van DOE-resultate is nie so omvattend as professionele 6-sigma-sagteware nie en kan dit nie interaksie hanteer nie. Daarom gebruik ons ​​APDL om 'n DOE-lus te skryf om die resultate van die program te bereken en te onttrek, en plaas die data dan in Minitab vir ontleding.

3.2.2 Analise van DOE-resultate

Minitab se DOE-analise word in Figuur 4 getoon en bevat die belangrikste beïnvloedingsfaktore-analise en interaksie-analise. Die belangrikste beïnvloedingsfaktor-analise word gebruik om vas te stel watter veranderlike in ontwerpveranderlikes 'n groter impak op die teikenveranderlike het, om sodoende aan te dui watter belangrike ontwerpveranderlikes is. Die interaksie tussen die faktore word dan geanaliseer om die vlak van die faktore te bepaal en om die mate van koppeling tussen die ontwerpveranderlikes te verminder. Vergelyk die mate van verandering van ander faktore wanneer 'n ontwerpfaktor hoog of laag is. Volgens die onafhanklike aksioma is die optimale ontwerp nie aan mekaar gekoppel nie, kies dus die vlak wat minder veranderlik is.

Die ontledingsresultate van die sweishoring in hierdie artikel is: die belangrikste ontwerpparameters is die buitenste boogstraal en die gleufbreedte van die horing. Die vlak van albei parameters is 'hoog', dit wil sê, die radius neem 'n groter waarde in die DOE, en die groefwydte neem ook 'n groter waarde. Die belangrike parameters en hul waardes is bepaal, en daarna is verskeie ander parameters gebruik om die ontwerp in ANSYS te optimaliseer om die horingfrekwensie aan te pas om by die werkfrekwensie van die sweismasjien te pas. Die optimaliseringsproses is soos volg.

3.3 Optimering van teikenparameters (horingfrekwensie)

Die parameterinstellings van die ontwerpoptimalisering is soortgelyk aan dié van die DOE. Die verskil is dat die waardes van twee belangrike parameters bepaal is, en dat die ander drie parameters verband hou met die materiaaleienskappe, wat as ruis beskou word en nie geoptimaliseer kan word nie. Die oorblywende drie parameters wat aangepas kan word, is die aksiale posisie van die gleuf, die lengte en die horingbreedte. Die optimalisering gebruik die benaderingsmetode van die subprobleem in ANSYS, wat 'n algemeen gebruikte metode in ingenieursprobleme is, en die spesifieke proses word weggelaat.

Dit is opmerklik dat die gebruik van frekwensie as die teikenveranderlike 'n bietjie vaardigheid verg. Omdat daar baie ontwerpparameters en 'n wye verskeidenheid variasies is, is die vibrasie-modusse van die horing baie in die frekwensiegebied. As die resultaat van modale analise direk gebruik word, is dit moeilik om die eerste-orde aksiale modus te vind, omdat die modale volgorde-interleaving kan plaasvind wanneer die parameters verander, dit wil sê die natuurlike frekwensie wat ooreenstem met die oorspronklike modus verander. Daarom aanvaar hierdie artikel eers die modale analise en gebruik dan die modale superposisiemetode om die frekwensieresponskurwe te verkry. Deur die piekwaarde van die frekwensie-reaksiekurwe te vind, kan dit die ooreenstemmende modalfrekwensie verseker. Dit is baie belangrik in die outomatiese optimaliseringsproses, wat die modaliteit nie handmatig moet bepaal nie.

Nadat die optimalisering voltooi is, kan die werksfrekwensie van die horing baie naby die teikenfrekwensie wees, en die fout is minder as die toleransiewaarde wat in die optimalisering gespesifiseer word. Op hierdie punt word die horingontwerp basies bepaal, gevolg deur vervaardigingstoleransies vir produksie-ontwerp.

3.4 Verdraagsaamheidsontwerp

Die algemene struktuurontwerp is voltooi nadat alle ontwerpparameters bepaal is, maar vir ingenieursprobleme, veral as die koste van massaproduksie in ag geneem word, is toleransie-ontwerp noodsaaklik. Die koste van lae akkuraatheid word ook verlaag, maar die vermoë om aan ontwerpstatistieke te voldoen, vereis statistiese berekeninge vir kwantitatiewe berekeninge. Die PDS-waarskynlikheidsontwerpstelsel in ANSYS kan die verband tussen ontwerpparameterverdraagsaamheid en teikenparameterverdraagsaamheid beter analiseer en kan volledige verwante verslaglêers genereer.

3.4.1 PDS-parameterinstellings en berekeninge

Volgens die DFSS-idee moet verdraagsaamheidsanalise op belangrike ontwerpparameters uitgevoer word, en ander algemene toleransies kan empiries bepaal word. Die situasie in hierdie vraestel is baie spesiaal, want volgens die vermoë van bewerking is die vervaardigingstoleransie van meetkundige ontwerpparameters baie klein en het dit min invloed op die finale horingfrekwensie; terwyl die parameters van grondstowwe baie verskil vanweë verskaffers, en die prys van grondstowwe verantwoordelik is vir meer as 80% van die verwerkingskoste vir horings. Daarom is dit nodig om 'n redelike verdraagsaamheid vir die materiaaleienskappe in te stel. Die relevante materiaaleienskappe hier is digtheid, elastisiteitsmodulus en spoed van klankgolf voortplanting.

Toleransie-analise gebruik ewekansige Monte Carlo-simulasie in ANSYS om die Latin Hypercube-metode te monster, omdat dit die verspreiding van monsternemingspunte meer eenvormig en redelik kan maak, en beter korrelasie met minder punte kan verkry. Hierdie vraestel stel 30 punte. Neem aan dat die toleransies van die drie materiaalparameters volgens Gauss versprei word, aanvanklik 'n boonste en onderste limiet gegee en dan in ANSYS bereken.

3.4.2 Analise van PDS-resultate

Deur die berekening van PDS word die teikenveranderlike waardes gegee wat ooreenstem met 30 steekproefpunte. Die verspreiding van die teikenveranderlikes is onbekend. Die parameters word weer aangepas met behulp van Minitab-sagteware en die frekwensie word basies volgens die normale verspreiding versprei. Dit verseker die statistiese teorie van verdraagsaamheidsanalise.

Die PDS-berekening gee 'n gepaste formule van die ontwerpveranderlike tot die toleransie-uitbreiding van die teikenveranderlike: waar y die teikenveranderlike is, x die ontwerpveranderlike is, c die korrelasiekoëffisiënt is, en i die veranderlike getal is.

Hiervolgens kan die teikentoleransie aan elke ontwerpveranderlike toegeken word om die taak van toleransie-ontwerp te voltooi.

3.5 Eksperimentele verifikasie

Die voorste deel is die ontwerpproses van die hele sweishoring. Na die voltooiing word die grondstowwe aangekoop volgens die materiaalverdraagsaamhede wat deur die ontwerp toegelaat word, en dan by die vervaardiging afgelewer. Frekwensie- en modaltoetsing word uitgevoer nadat die vervaardiging voltooi is, en die gebruikte toetsmetode is die eenvoudigste en doeltreffendste sniper-toetsmetode. Aangesien die indeks die eerste orde aksiale modelfrekwensie is, word die versnellingssensor aan die werkoppervlak geheg en die ander kant in die aksiale rigting getref, en die werklike frekwensie van die horing kan deur spektrale analise verkry word. Die simulasie-resultaat van die ontwerp is 14925 Hz, die toetsresultaat is 14954 Hz, die frekwensie-resolusie is 16 Hz en die maksimum fout is minder as 1%. Daar kan gesien word dat die akkuraatheid van die simulasie van eindige elemente in die modale berekening baie hoog is.

Nadat die eksperimentele toets geslaag is, word die horing in die ultrasoniese sweismasjien in produksie en montering geplaas. Die reaksie toestand is goed. Die werk is langer as 'n half jaar stabiel, en die sweiskwalifikasiesyfer is hoog, wat langer is as die lewensduur van drie maande wat die vervaardiger van algemene toerusting belowe het. Dit toon dat die ontwerp suksesvol is en dat die vervaardigingsproses nie herhaaldelik aangepas en aangepas is nie, wat tyd en mannekrag bespaar.

4 Gevolgtrekking

Hierdie vraestel begin met die beginsel van ultrasoniese plastieksweiswerk, verstaan ​​die tegniese fokus van sweiswerk diep en stel die ontwerpkonsep van 'n nuwe horing voor. Gebruik dan die kragtige simulasie-funksie van eindige element om die ontwerp konkreet te ontleed, en stel die 6-Sigma-ontwerpidee van DFSS in, en beheer die belangrike ontwerpparameters deur ANSYS DOE eksperimentele ontwerp en PDS-toleransie-analise om robuuste ontwerp te bewerkstellig. Uiteindelik is die horing een keer suksesvol vervaardig, en die ontwerp was redelik deur die eksperimentele frekwensietoets en die werklike produksieverifiëring. Dit bewys ook dat hierdie stel ontwerpmetodes uitvoerbaar en effektief is.