Aktualności

Przedmowa
Wraz z rozwojem technologii ultradźwiękowej jej zastosowanie jest coraz szersze, można go używać do czyszczenia drobnych cząstek brudu, a także do spawania metalu lub tworzyw sztucznych. Zwłaszcza w dzisiejszych produktach z tworzyw sztucznych najczęściej stosuje się zgrzewanie ultradźwiękowe, ponieważ pomija się konstrukcję śruby, wygląd może być doskonalszy, a ponadto zapewniona jest funkcja wodoodporności i pyłoszczelności. Konstrukcja plastikowego rogu spawalniczego ma istotny wpływ na końcową jakość spawania i wydajność produkcyjną. W produkcji nowych liczników elektrycznych fale ultradźwiękowe są wykorzystywane do łączenia górnej i dolnej powierzchni. Jednak podczas użytkowania okazuje się, że niektóre narzędzia są zainstalowane na maszynie i pękają, a inne awarie pojawiają się w krótkim czasie. Niektóre produkty do spawania narzędziowego Wskaźnik defektów jest wysoki. Różne usterki miały znaczący wpływ na produkcję. Zgodnie z ustaleniami dostawcy sprzętu mają ograniczone możliwości projektowania oprzyrządowania i często poprzez wielokrotne naprawy w celu osiągnięcia wskaźników projektowych. Dlatego konieczne jest wykorzystanie własnych przewag technologicznych, aby opracować trwałe oprzyrządowanie i rozsądną metodę projektowania.
2 Zasada zgrzewania ultradźwiękowego tworzyw sztucznych
Ultradźwiękowe zgrzewanie tworzyw sztucznych to metoda przetwarzania, w której wykorzystuje się połączenie tworzyw termoplastycznych w drgania wymuszone o wysokiej częstotliwości, a powierzchnie zgrzewania ocierają się o siebie, powodując miejscowe topienie w wysokiej temperaturze. Aby uzyskać dobre wyniki zgrzewania ultradźwiękowego, wymagany jest sprzęt, materiały i parametry procesu. Poniżej znajduje się krótkie wprowadzenie do jej zasady.
2.1 Ultradźwiękowy system zgrzewania tworzyw sztucznych
Rysunek 1 przedstawia schematyczny widok systemu spawalniczego. Energia elektryczna jest przepuszczana przez generator sygnału i wzmacniacz mocy w celu wytworzenia przemiennego sygnału elektrycznego o częstotliwości ultradźwiękowej (> 20 kHz), który jest doprowadzany do przetwornika (ceramika piezoelektryczna). Za pośrednictwem przetwornika energia elektryczna staje się energią drgań mechanicznych, a amplituda drgań mechanicznych jest regulowana przez tubę do odpowiedniej amplitudy roboczej, a następnie równomiernie przenoszona przez głowicę narzędzia na stykający się z nią materiał (zgrzewanie obróbka). Powierzchnie stykowe dwóch materiałów spawalniczych są poddawane wymuszonym drganiom o wysokiej częstotliwości, a ciepło tarcia powoduje miejscowe topienie w wysokiej temperaturze. Po schłodzeniu materiały są łączone, aby uzyskać zgrzewanie.

W systemie spawalniczym źródłem sygnału jest część obwodu zawierająca obwód wzmacniacza mocy, którego stabilność częstotliwości i zdolność sterowania mają wpływ na wydajność maszyny. Materiał jest termoplastyczny, a projekt powierzchni złącza musi uwzględniać sposób szybkiego generowania ciepła i dokowania. Przetworniki, rogi i głowice narzędzi można uznać za konstrukcje mechaniczne, co ułatwia analizę sprzężenia ich drgań. Podczas spawania tworzyw sztucznych wibracje mechaniczne są przenoszone w postaci fal podłużnych. Głównym celem projektu jest efektywne przenoszenie energii i regulacja amplitudy.
2.2 Głowica narzędziowa (oprzyrządowanie spawalnicze)
Głowica narzędzia służy jako interfejs kontaktowy między zgrzewarką ultradźwiękową a materiałem. Jego główną funkcją jest równomierne i efektywne przenoszenie wzdłużnych drgań mechanicznych generowanych przez wariator na materiał. Zastosowanym materiałem jest zwykle wysokiej jakości stop aluminium lub nawet stop tytanu. Ponieważ konstrukcja tworzyw sztucznych bardzo się zmienia, wygląd jest bardzo różny, a głowica narzędzia musi się odpowiednio zmienić. Kształt powierzchni roboczej powinien być dobrze dopasowany do materiału, aby nie uszkodzić tworzywa podczas drgań; jednocześnie częstotliwość stałych drgań wzdłużnych pierwszego rzędu powinna być skoordynowana z częstotliwością wyjściową spawarki, w przeciwnym razie energia drgań zostanie zużyta wewnętrznie. Kiedy głowica narzędzia wibruje, następuje lokalna koncentracja naprężeń. Sposób optymalizacji tych lokalnych struktur jest również kwestią projektową. W tym artykule opisano, jak zastosować głowice narzędzi projektowych ANSYS do optymalizacji parametrów projektowych i tolerancji produkcyjnych.
3 projektowanie oprzyrządowania spawalniczego
Jak wspomniano wcześniej, projekt oprzyrządowania spawalniczego jest dość ważny. W Chinach jest wielu dostawców sprzętu ultradźwiękowego, którzy produkują własne narzędzia spawalnicze, ale znaczna część z nich to imitacje, które następnie są stale przycinane i testowane. Dzięki tej wielokrotnej metodzie regulacji uzyskuje się koordynację narzędzi i częstotliwości sprzętu. W artykule metoda elementów skończonych może być wykorzystana do określenia częstotliwości podczas projektowania oprzyrządowania. Wynik testu narzędzi i błąd częstotliwości projektowej wynoszą tylko 1%. Jednocześnie niniejszy artykuł przedstawia koncepcję DFSS (Design For Six Sigma) w celu optymalizacji i solidnej konstrukcji oprzyrządowania. Koncepcja projektu 6-Sigma polega na pełnym zebraniu głosu klienta w procesie projektowania w celu projektowania ukierunkowanego; oraz wstępne rozważenie możliwych odchyleń w procesie produkcji, aby zapewnić dystrybucję jakości produktu końcowego na rozsądnym poziomie. Proces projektowania przedstawiono na rysunku 2. Rozpoczynając od opracowania wskaźników projektowych, struktura i wymiary oprzyrządowania są wstępnie projektowane zgodnie z istniejącym doświadczeniem. Model parametryczny jest tworzony w ANSYS, a następnie jest określany metodą projektowania eksperymentu symulacyjnego (DOE). Ważne parametry, zgodnie z solidnymi wymaganiami, określają wartość, a następnie użyj metody podproblemu, aby zoptymalizować inne parametry. Uwzględniając wpływ materiałów i parametrów środowiskowych podczas wytwarzania i użytkowania oprzyrządowania, zostało ono również zaprojektowane z tolerancjami, aby sprostać wymaganiom kosztów wytwarzania. Wreszcie, produkcja, test i projekt teorii testów oraz rzeczywisty błąd w celu spełnienia dostarczonych wskaźników projektowych. Następujące szczegółowe wprowadzenie krok po kroku.
3.1 Projektowanie kształtu geometrycznego (ustalenie modelu parametrycznego)
Projektując oprzyrządowanie spawalnicze najpierw określa się jego przybliżony kształt geometryczny i strukturę oraz ustala model parametryczny do dalszej analizy. Rysunek 3 a) przedstawia konstrukcję najpopularniejszego oprzyrządowania spawalniczego, w którym pewna liczba rowków w kształcie litery U jest otwieranych w kierunku drgań na materiale w przybliżeniu prostopadłościennym. Wymiary całkowite to długości w kierunkach X, Y i Z, a wymiary boczne X i Y są generalnie porównywalne z rozmiarem spawanego przedmiotu. Długość Z jest równa połowie długości fali fali ultradźwiękowej, ponieważ w klasycznej teorii drgań częstotliwość osiowa pierwszego rzędu wydłużonego obiektu jest określona przez jego długość, a długość półfali jest dokładnie dopasowana do wartości akustycznej częstotliwość fal. Ten projekt został przedłużony. Stosowanie jest korzystne dla rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych. Celem rowka w kształcie litery U jest zmniejszenie strat bocznych drgań oprzyrządowania. Położenie, rozmiar i liczba są określane na podstawie całkowitego rozmiaru oprzyrządowania. Widać, że w tej konstrukcji jest mniej parametrów, które można dowolnie regulować, więc na tej podstawie dokonaliśmy ulepszeń. Rysunek 3 b) to nowo zaprojektowane oprzyrządowanie, które ma o jeden parametr rozmiaru więcej niż w tradycyjnej konstrukcji: zewnętrzny promień łuku R. Dodatkowo rowek jest grawerowany na powierzchni roboczej oprzyrządowania w celu współpracy z powierzchnią obrabianego przedmiotu z tworzywa sztucznego, co jest korzystne dla przenoszenia energii drgań i chroni obrabiany przedmiot przed uszkodzeniem. Ten model jest rutynowo modelowany parametrycznie w programie ANSYS, a następnie następny projekt eksperymentalny.
3.2 Projekt eksperymentalny DOE (określenie ważnych parametrów)
DFSS został stworzony, aby rozwiązywać praktyczne problemy inżynierskie. Nie dąży do perfekcji, ale jest skuteczny i wytrzymały. Uosabia ideę 6-Sigma, oddaje główną sprzeczność i porzuca „99,97%”, wymagając jednocześnie, aby projekt był dość odporny na zmienność środowiska. Dlatego przed dokonaniem optymalizacji parametru docelowego należy go najpierw przesiać, dobrać rozmiar, który ma istotny wpływ na konstrukcję, a ich wartości określić zgodnie z zasadą odporności.
3.2.1 Ustawianie parametrów DOE i DOE
Parametry projektowe to kształt oprzyrządowania i położenie rozmiaru rowka w kształcie litery U itp., Łącznie osiem. Docelowym parametrem jest częstotliwość drgań osiowych pierwszego rzędu, ponieważ ma ona największy wpływ na spoinę, a maksymalne skupione naprężenie i różnica w amplitudzie powierzchni roboczej są ograniczone jako zmienne stanu. Na podstawie doświadczenia zakłada się, że wpływ parametrów na wyniki jest liniowy, więc każdy czynnik jest ustawiony tylko na dwóch poziomach, wysokim i niskim. Lista parametrów i odpowiadających im nazw jest następująca.
DOE jest wykonywane w ANSYS przy użyciu wcześniej ustalonego modelu parametrycznego. Ze względu na ograniczenia oprogramowania, pełny czynnik DOE może wykorzystywać maksymalnie 7 parametrów, podczas gdy model ma 8 parametrów, a analiza wyników DOE firmy ANSYS nie jest tak wszechstronna, jak profesjonalne oprogramowanie 6-sigma i nie radzi sobie z interakcją. Dlatego używamy APDL do pisania pętli DOE do obliczania i wyodrębniania wyników programu, a następnie umieszczamy dane w programie Minitab w celu analizy.
3.2.2 Analiza wyników DOE
Analiza DOE firmy Minitab jest przedstawiona na rysunku 4 i obejmuje analizę głównych czynników wpływających oraz analizę interakcji. Analiza głównych czynników wpływających służy do określenia, które zmiany zmiennej projektowej mają większy wpływ na zmienną docelową, wskazując tym samym, które są ważnymi zmiennymi projektowymi. Następnie analizowana jest interakcja między czynnikami w celu określenia poziomu czynników i zmniejszenia stopnia sprzężenia między zmiennymi projektowymi. Porównaj stopień zmiany innych czynników, gdy współczynnik projektowy jest wysoki lub niski. Zgodnie z niezależnym aksjomatem optymalny projekt nie jest ze sobą sprzężony, więc wybierz poziom, który jest mniej zmienny.
Wyniki analizy oprzyrządowania spawalniczego w tym artykule są następujące: ważnymi parametrami projektowymi są promień łuku zewnętrznego i szerokość szczeliny oprzyrządowania. Poziom obu parametrów jest „wysoki”, to znaczy promień przyjmuje większą wartość w DOE, a także szerokość rowka. Określono ważne parametry i ich wartości, a następnie wykorzystano kilka innych parametrów do optymalizacji projektu w ANSYS w celu dostosowania częstotliwości oprzyrządowania do częstotliwości pracy zgrzewarki. Proces optymalizacji jest następujący.
3.3 Optymalizacja parametrów docelowych (częstotliwość narzędzi)
Ustawienia parametrów optymalizacji projektu są podobne do ustawień DOE. Różnica polega na tym, że określono wartości dwóch ważnych parametrów, a pozostałe trzy są związane z właściwościami materiału, które są traktowane jako szum i nie mogą być optymalizowane. Pozostałe trzy parametry, które można regulować, to osiowe położenie rowka, długość i szerokość oprzyrządowania. Optymalizacja wykorzystuje metodę aproksymacji podproblemów w ANSYS, która jest metodą szeroko stosowaną w problemach inżynierskich, a konkretny proces jest pomijany.
Warto zauważyć, że użycie częstotliwości jako zmiennej docelowej wymaga niewielkich umiejętności w obsłudze. Ponieważ istnieje wiele parametrów projektowych i szeroki zakres zmienności, tryby drgań oprzyrządowania są liczne w interesującym zakresie częstotliwości. Jeżeli wynik analizy modalnej jest używany bezpośrednio, trudno jest znaleźć modę osiową pierwszego rzędu, ponieważ przeplatanie sekwencji modalnej może wystąpić, gdy zmieniają się parametry, to znaczy zmienia się liczba porządkowa częstotliwości drgań własnych odpowiadająca modowi pierwotnemu. Dlatego w niniejszym artykule najpierw przyjęto analizę modalną, a następnie zastosowano metodę superpozycji modalnej w celu uzyskania krzywej odpowiedzi częstotliwościowej. Znajdując wartość szczytową krzywej odpowiedzi częstotliwościowej, może zapewnić odpowiednią częstotliwość modalną. Jest to bardzo ważne w procesie automatycznej optymalizacji, eliminując konieczność ręcznego określania modalności.
Po zakończeniu optymalizacji projektowa częstotliwość robocza oprzyrządowania może być bardzo zbliżona do częstotliwości docelowej, a błąd jest mniejszy niż wartość tolerancji określona w optymalizacji. Na tym etapie zasadniczo określa się projekt oprzyrządowania, a następnie określa się tolerancje produkcyjne do projektowania produkcji.
3.4 Projekt tolerancji
Ogólny projekt konstrukcyjny jest zakończony po określeniu wszystkich parametrów projektowych, ale w przypadku problemów inżynieryjnych, szczególnie biorąc pod uwagę koszt produkcji masowej, niezbędne jest zaprojektowanie tolerancji. Koszt niskiej precyzji jest również zmniejszony, ale możliwość spełnienia wskaźników projektowych wymaga obliczeń statystycznych do obliczeń ilościowych. System PDS Probability Design System w ANSYS może lepiej analizować zależność między tolerancją parametrów projektu a tolerancją parametrów docelowych, a także może generować kompletne powiązane pliki raportów.
3.4.1 Ustawienia i obliczenia parametrów PDS
Zgodnie z ideą DFSS analizę tolerancji należy przeprowadzić na ważnych parametrach projektowych, a inne ogólne tolerancje można określić empirycznie. Sytuacja w tym artykule jest dość szczególna, ponieważ zgodnie z możliwościami obróbki, tolerancja wykonania parametrów geometrycznych jest bardzo mała i ma niewielki wpływ na końcową częstotliwość obróbki; podczas gdy parametry surowców są bardzo różne ze względu na dostawców, a cena surowców stanowi ponad 80% kosztów przetwarzania oprzyrządowania. Dlatego konieczne jest ustalenie rozsądnego zakresu tolerancji dla właściwości materiału. Istotne właściwości materiału to gęstość, moduł sprężystości i prędkość propagacji fali dźwiękowej.
Analiza tolerancji wykorzystuje losową symulację Monte Carlo w programie ANSYS do próbkowania metody Latin Hypercube, ponieważ może uczynić rozkład punktów próbkowania bardziej jednorodnym i rozsądnym oraz uzyskać lepszą korelację dzięki mniejszej liczbie punktów. W artykule określono 30 punktów. Załóżmy, że tolerancje trzech parametrów materiału są rozłożone zgodnie z Gaussem, początkowo podając górną i dolną granicę, a następnie obliczane w ANSYS.
3.4.2 Analiza wyników PDS
Poprzez obliczenie PDS podano docelowe wartości zmiennych odpowiadające 30 punktom próbkowania. Rozkład zmiennych docelowych jest nieznany. Parametry są ponownie dopasowywane za pomocą oprogramowania Minitab, a częstotliwość jest zasadniczo rozkładana zgodnie z rozkładem normalnym. Zapewnia to statystyczną teorię analizy tolerancji.
Obliczenie PDS daje wzór dopasowania od zmiennej projektowej do rozszerzania tolerancji zmiennej docelowej: gdzie y jest zmienną docelową, x jest zmienną projektową, c jest współczynnikiem korelacji, a i jest liczbą zmiennej.

Zgodnie z tym docelową tolerancję można przypisać do każdej zmiennej projektowej, aby zakończyć zadanie projektowania tolerancji.
3.5 Weryfikacja eksperymentalna
Część przednia to proces projektowania całego narzędzia spawalniczego. Po wykonaniu surowiec jest kupowany zgodnie z tolerancjami materiałowymi dopuszczonymi przez projekt, a następnie dostarczany do produkcji. Testy częstotliwości i modalne są wykonywane po zakończeniu produkcji, a zastosowana metoda testowa jest najprostszą i najskuteczniejszą metodą testu snajperskiego. Ponieważ najbardziej interesującym wskaźnikiem jest osiowa częstotliwość modalna pierwszego rzędu, czujnik przyspieszenia jest przymocowany do powierzchni roboczej, a drugi koniec jest uderzany wzdłuż kierunku osiowego, a rzeczywistą częstotliwość oprzyrządowania można uzyskać za pomocą analizy spektralnej. Wynik symulacji projektu to 14925 Hz, wynik testu to 14954 Hz, rozdzielczość częstotliwości to 16 Hz, a maksymalny błąd jest mniejszy niż 1%. Można zauważyć, że dokładność symulacji elementów skończonych w obliczeniach modalnych jest bardzo wysoka.
Po przejściu testu eksperymentalnego oprzyrządowanie zostaje oddane do produkcji i montażu na zgrzewarce ultradźwiękowej. Stan reakcji jest dobry. Praca była stabilna od ponad pół roku, a wskaźnik kwalifikacji spawalniczych jest wysoki, który przekroczył trzymiesięczny okres użytkowania obiecany przez producenta sprzętu ogólnego. To pokazuje, że projekt się powiódł, a proces produkcyjny nie był wielokrotnie modyfikowany i dostosowywany, co oszczędza czas i siłę roboczą.
4. Wniosek
Artykuł rozpoczyna się od zasady ultradźwiękowego zgrzewania tworzyw sztucznych, dogłębnie ujmuje techniczne aspekty spawania i proponuje koncepcję projektową nowego oprzyrządowania. Następnie użyj potężnej funkcji symulacji elementu skończonego, aby dokładnie przeanalizować projekt i wprowadź koncepcję projektu 6-Sigma DFSS oraz kontroluj ważne parametry projektu za pomocą projektu eksperymentalnego ANSYS DOE i analizy tolerancji PDS, aby uzyskać solidny projekt. Wreszcie, oprzyrządowanie zostało pomyślnie wyprodukowane raz, a projekt był uzasadniony eksperymentalnym testem częstotliwości i rzeczywistą weryfikacją produkcji. Dowodzi to również, że ten zestaw metod projektowania jest wykonalny i skuteczny.


Czas postu: Lis-04-2020