Daħla
Bl-iżvilupp ta 'teknoloġija ultrasonika, l-applikazzjoni tagħha hija aktar u aktar estensiva, tista' tintuża biex tnaddaf partiċelli żgħar ta 'ħmieġ, u tista' tintuża wkoll għall-iwweldjar ta 'metall jew plastik. Speċjalment fil-prodotti tal-plastik tal-lum, l-iwweldjar ultrasoniku jintuża l-aktar, minħabba li l-istruttura tal-kamin titħalla barra, id-dehra tista 'tkun aktar perfetta, u l-funzjoni ta' waterproofing u dustproofing hija pprovduta wkoll. Id-disinn tal-ħorn tal-iwweldjar tal-plastik għandu impatt importanti fuq il-kwalità tal-iwweldjar finali u l-kapaċità tal-produzzjoni. Fil-produzzjoni ta 'miters elettriċi ġodda, il-mewġ ultrasoniku jintuża biex jgħaqqad l-uċuħ ta' fuq u ta 'isfel flimkien. Madankollu, waqt l-użu, jinstab li xi għodda huma installati fuq il-magna u kkrekkjati u jseħħu ħsarat oħra f'perjodu qasir ta 'żmien. Xi prodotti tal-iwweldjar tal-għodda Ir-rata tad-difetti hija għolja. Diversi ħsarat kellhom impatt konsiderevoli fuq il-produzzjoni. Skond il-fehim, il-fornituri tat-tagħmir għandhom kapaċitajiet ta 'disinn limitati għall-għodda, u ħafna drabi permezz ta' tiswijiet ripetuti biex jiksbu indikaturi tad-disinn. Għalhekk, huwa meħtieġ li nużaw il-vantaġġi teknoloġiċi tagħna stess biex niżviluppaw għodda durabbli u metodu ta 'disinn raġonevoli.
2 Prinċipju tal-iwweldjar tal-plastik ultrasoniku
L-iwweldjar ultrasoniku tal-plastik huwa metodu ta 'proċessar li juża l-kombinazzjoni ta' termoplastiċi fil-vibrazzjoni sfurzata ta 'frekwenza għolja, u l-uċuħ tal-iwweldjar jingħorok kontra xulxin biex jipproduċu tidwib lokali ta' temperatura għolja. Sabiex jinkisbu riżultati tajbin tal-iwweldjar ultrasoniku, huma meħtieġa tagħmir, materjali u parametri tal-proċess. Din li ġejja hija introduzzjoni qasira għall-prinċipju tagħha.
2.1 Sistema tal-iwweldjar ultrasoniku tal-plastik
Il-Figura 1 hija stampa skematika ta 'sistema ta' wweldjar. L-enerġija elettrika tgħaddi mill-ġeneratur tas-sinjal u l-amplifikatur tal-qawwa biex tipproduċi sinjal elettriku alternanti ta 'frekwenza ultrasonika (> 20 kHz) li jiġi applikat għat-transducer (ċeramika pjeżoelettrika). Permezz tat-transducer, l-enerġija elettrika ssir l-enerġija tal-vibrazzjoni mekkanika, u l-amplitudni tal-vibrazzjoni mekkanika tiġi aġġustata mill-ħorn għall-amplitudni xierqa tax-xogħol, u mbagħad trasmessa b'mod uniformi lill-materjal f'kuntatt magħha permezz tar-ras ta 'l-għodda (iwweldjar għodda). L-uċuħ tal-kuntatt taż-żewġ materjali tal-iwweldjar huma soġġetti għal vibrazzjoni sfurzata ta 'frekwenza għolja, u s-sħana tal-frizzjoni tiġġenera tidwib lokali ta' temperatura għolja. Wara t-tkessiħ, il-materjali huma kkombinati biex tinkiseb l-iwweldjar.

F'sistema ta 'wweldjar, is-sors tas-sinjal huwa parti taċ-ċirkwit li fih ċirkwit amplifikatur tal-qawwa li l-istabbiltà tal-frekwenza u l-kapaċità tas-sewqan jaffettwaw il-prestazzjoni tal-magna. Il-materjal huwa termoplastiku, u d-disinn tal-wiċċ konġunt jeħtieġ jikkunsidra kif jiġġenera malajr is-sħana u l-baċir. Transducers, qrun u rjus tal-għodda kollha jistgħu jiġu kkunsidrati bħala strutturi mekkaniċi għal analiżi faċli tal-akkoppjar tal-vibrazzjonijiet tagħhom. Fl-iwweldjar tal-plastik, il-vibrazzjoni mekkanika hija trasmessa fil-forma ta 'mewġ lonġitudinali. Kif tittrasferixxi l-enerġija b'mod effettiv u taġġusta l-amplitudni huwa l-punt ewlieni tad-disinn.
2.2 Ir-ras tal-għodda (għodda tal-iwweldjar)
Ir-ras tal-għodda sservi bħala l-interface ta 'kuntatt bejn il-magna tal-iwweldjar ultrasoniku u l-materjal. Il-funzjoni ewlenija tagħha hija li tittrażmetti l-vibrazzjoni mekkanika lonġitudinali prodotta mill-varjatur b'mod uniformi u effiċjenti lill-materjal. Il-materjal użat huwa ġeneralment liga ta 'aluminju ta' kwalità għolja jew saħansitra liga ta 'titanju. Minħabba li d-disinn tal-materjali tal-plastik jinbidel ħafna, id-dehra hija differenti ħafna, u r-ras tal-għodda trid tinbidel kif xieraq. Il-forma tal-wiċċ tax-xogħol għandha tkun imqabbla sew mal-materjal, sabiex ma ssirx ħsara lill-plastik meta tivvibra; fl-istess ħin, il-frekwenza solida tal-vibrazzjoni lonġitudinali tal-ewwel ordni għandha tkun ikkoordinata mal-frekwenza tal-ħruġ tal-magna tal-iwweldjar, inkella l-enerġija tal-vibrazzjoni tiġi kkunsmata internament. Meta r-ras tal-għodda tivvibra, isseħħ konċentrazzjoni ta 'stress lokali. Kif jiġu ottimizzati dawn l-istrutturi lokali huwa wkoll konsiderazzjoni tad-disinn. Dan l-artikolu jesplora kif tapplika l-irjus tal-għodda tad-disinn ANSYS biex ittejjeb il-parametri tad-disinn u t-tolleranzi tal-manifattura.
3 disinn tal-għodda tal-iwweldjar
Kif imsemmi qabel, id-disinn tal-għodda tal-iwweldjar huwa pjuttost importanti. Hemm ħafna fornituri ta 'tagħmir ultrasoniku fiċ-Ċina li jipproduċu l-għodda tal-iwweldjar tagħhom stess, iżda parti konsiderevoli minnhom huma imitazzjonijiet, u allura huma kontinwament tirqim u ttestjar. Permezz ta 'dan il-metodu ta' aġġustament ripetut, tinkiseb il-koordinazzjoni tal-għodda u l-frekwenza tat-tagħmir. F'din id-dokument, il-metodu tal-element finit jista 'jintuża biex tiġi ddeterminata l-frekwenza meta jiġi ddisinjat l-għodda. Ir-riżultat tat-test tal-għodda u l-iżball tal-frekwenza tad-disinn huma biss 1%. Fl-istess ħin, din id-dokument tintroduċi l-kunċett ta 'DFSS (Disinn Għal Sitt Sigma) biex ittejjeb id-disinn robust ta' għodda. Il-kunċett tad-disinn tas-6-Sigma huwa li jiġbor kompletament il-vuċi tal-klijent fil-proċess tad-disinn għal disinn immirat; u kunsiderazzjoni minn qabel ta 'devjazzjonijiet possibbli fil-proċess ta' produzzjoni biex jiġi żgurat li l-kwalità tal-prodott finali titqassam f'livell raġonevoli. Il-proċess tad-disinn jidher fil-Figura 2. Tibda mill-iżvilupp tal-indikaturi tad-disinn, l-istruttura u d-dimensjonijiet tal-għodda huma inizjalment iddisinjati skont l-esperjenza eżistenti. Il-mudell parametriku huwa stabbilit f'ANSYS, u allura l-mudell huwa determinat mill-metodu tad-disinn tal-esperiment ta 'simulazzjoni (DOE). Parametri importanti, skont ir-rekwiżiti robusti, jiddeterminaw il-valur, u mbagħad jużaw il-metodu tas-subproblema biex jottimizzaw parametri oħra. B'kont meħud tal-influwenza ta 'materjali u parametri ambjentali matul il-manifattura u l-użu tal-għodda, ġie ddisinjat ukoll b'tolleranzi biex jissodisfa r-rekwiżiti tal-ispejjeż tal-manifattura. Fl-aħħarnett, il-manifattura, it-test u t-teorija tad-disinn tat-test u l-iżball attwali, biex jissodisfaw l-indikaturi tad-disinn li jiġu kkonsenjati. L-introduzzjoni dettaljata li ġejja pass pass.
3.1 Disinn tal-forma ġeometrika (li jistabbilixxi mudell parametriku)
L-iddisinjar tal-għodda tal-iwweldjar l-ewwel jiddetermina l-forma u l-istruttura ġeometrika approssimattiva tiegħu u jistabbilixxi mudell parametriku għal analiżi sussegwenti. Il-Figura 3 a) hija d-disinn tal-iktar għodda komuni għall-iwweldjar, li fiha jinfetħu numru ta 'skanalaturi f'forma ta' U fid-direzzjoni tal-vibrazzjoni fuq materjal ta 'madwar kubojde. Id-dimensjonijiet globali huma t-tulijiet tad-direzzjonijiet X, Y, u Z, u d-dimensjonijiet laterali X u Y huma ġeneralment komparabbli mad-daqs tal-biċċa tax-xogħol li tkun iwweldjata. It-tul ta 'Z huwa ugwali għan-nofs wavelength tal-mewġ ultrasoniku, għax fit-teorija tal-vibrazzjoni klassika, il-frekwenza assjali ta' l-ewwel ordni ta 'l-oġġett tawwali hija ddeterminata mit-tul tiegħu, u t-tul tan-nofs mewġ huwa eżattament imqabbel ma' l-akustiku frekwenza tal-mewġ. Dan id-disinn ġie estiż. L-użu, huwa ta 'benefiċċju għat-tixrid tal-mewġ tal-ħoss. L-iskop tal-kanal f'forma ta 'U huwa li jnaqqas it-telf tal-vibrazzjoni laterali tal-għodda. Il-pożizzjoni, id-daqs u n-numru huma ddeterminati skont id-daqs ġenerali tal-għodda. Jista 'jidher li f'dan id-disinn, hemm inqas parametri li jistgħu jiġu rregolati liberament, għalhekk għamilna titjib fuq din il-bażi. Il-Figura 3 b) hija għodda ddisinjata ġdida li għandha parametru ta ’daqs wieħed aktar mid-disinn tradizzjonali: ir-raġġ ta’ ark R. Barra minn hekk, il-kanal huwa mnaqqax fuq il-wiċċ tax-xogħol tal-għodda biex jikkopera mal-wiċċ tal-biċċa tal-plastik, li huwa ta 'benefiċċju biex tittrasmetti l-enerġija tal-vibrazzjoni u tipproteġi l-biċċa tax-xogħol mill-ħsara. Dan il-mudell huwa mmudellat b'mod parametriku b'mod regolari f'ANSYS, u mbagħad id-disinn sperimentali li jmiss.
3.2 Disinn sperimentali DOE (determinazzjoni ta 'parametri importanti)
Id-DFSS hija maħluqa biex issolvi problemi prattiċi ta 'inġinerija. Ma tfittexx il-perfezzjoni, iżda hija effettiva u robusta. Tinkorpora l-idea ta '6-Sigma, taqbad il-kontradizzjoni ewlenija, u tabbanduna "99.97%", filwaqt li teħtieġ li d-disinn ikun pjuttost reżistenti għall-varjabilità ambjentali. Għalhekk, qabel ma ssir l-ottimizzazzjoni tal-parametru fil-mira, għandu jiġi skrinjat l-ewwel, u d-daqs li għandu influwenza importanti fuq l-istruttura għandu jintgħażel, u l-valuri tagħhom għandhom jiġu determinati skond il-prinċipju tar-robustezza.
3.2.1 Issettjar tal-parametru DOE u DOE
Il-parametri tad-disinn huma l-għamla tal-għodda u l-pożizzjoni tad-daqs tal-kanal f'forma ta 'U, eċċ., Total ta' tmienja. Il-parametru fil-mira huwa l-frekwenza tal-vibrazzjoni assjali tal-ewwel ordni minħabba li għandu l-akbar influwenza fuq il-weldjatura, u l-istress ikkonċentrat massimu u d-differenza fl-amplitudni tal-wiċċ tax-xogħol huma limitati bħala varjabbli tal-istat. Ibbażat fuq l-esperjenza, huwa preżunt li l-effett tal-parametri fuq ir-riżultati huwa lineari, għalhekk kull fattur huwa ssettjat biss fuq żewġ livelli, għoli u baxx. Il-lista tal-parametri u l-ismijiet korrispondenti hija kif ġej.
DOE jitwettaq f'ANSYS bl-użu tal-mudell parametriku stabbilit qabel. Minħabba l-limitazzjonijiet tas-softwer, DOE b'fattur sħiħ jista 'juża biss sa 7 parametri, filwaqt li l-mudell għandu 8 parametri, u l-analiżi ta' ANSYS tar-riżultati tad-DOE mhijiex komprensiva daqs softwer professjonali ta '6 sigma, u ma tistax tieħu ħsieb l-interazzjoni. Għalhekk, nużaw APDL biex niktbu linja DOE biex tikkalkula u tiġbed ir-riżultati tal-programm, u mbagħad poġġi d-dejta fil-Minitab għall-analiżi.
3.2.2 Analiżi tar-riżultati tad-DOE
L-analiżi DOE ta 'Minitab tidher fil-Figura 4 u tinkludi l-analiżi tal-fatturi ewlenin li jinfluwenzaw u l-analiżi tal-interazzjoni. L-analiżi tal-fattur ta 'influwenza prinċipali tintuża biex tiddetermina liema bidliet varjabbli fid-disinn għandhom impatt akbar fuq il-varjabbli fil-mira, u b'hekk jindikaw liema huma varjabbli importanti fid-disinn. L-interazzjoni bejn il-fatturi hija mbagħad analizzata biex tiddetermina l-livell tal-fatturi u biex tnaqqas il-grad ta 'akkoppjar bejn il-varjabbli tad-disinn. Qabbel il-grad ta 'bidla ta' fatturi oħra meta fattur tad-disinn huwa għoli jew baxx. Skond l-axioma indipendenti, id-disinn ottimali mhuwiex akkoppjat ma 'xulxin, għalhekk agħżel il-livell li huwa inqas varjabbli.
Ir-riżultati tal-analiżi tal-għodda tal-iwweldjar f'dan id-dokument huma: il-parametri importanti tad-disinn huma r-raġġ tal-ark ta 'barra u l-wisa' tal-islott tal-għodda. Il-livell taż-żewġ parametri huwa "għoli", jiġifieri, ir-raġġ jieħu valur akbar fid-DOE, u l-wisa 'tal-kanal jieħu wkoll valur akbar. Il-parametri importanti u l-valuri tagħhom ġew determinati, u mbagħad intużaw bosta parametri oħra biex itejbu d-disinn f'ANSYS biex taġġusta l-frekwenza tal-għodda biex taqbel mal-frekwenza operattiva tal-magna tal-iwweldjar. Il-proċess ta 'ottimizzazzjoni huwa kif ġej.
3.3 Ottimizzazzjoni tal-parametru fil-mira (frekwenza tal-għodda)
Is-settings tal-parametri tal-ottimizzazzjoni tad-disinn huma simili għal dawk tad-DOE. Id-differenza hija li l-valuri ta 'żewġ parametri importanti ġew determinati, u t-tliet parametri l-oħra huma relatati mal-proprjetajiet tal-materjal, li huma meqjusa bħala ħsejjes u ma jistgħux jiġu ottimizzati. It-tliet parametri li jifdal li jistgħu jiġu aġġustati huma l-pożizzjoni assjali tal-islott, it-tul u l-wisa 'tal-għodda. L-ottimizzazzjoni tuża l-metodu ta 'approssimazzjoni tas-subproblema f'ANSYS, li huwa metodu użat ħafna fi problemi ta' inġinerija, u l-proċess speċifiku jitħalla barra.
Ta 'min jinnota li l-użu tal-frekwenza bħala l-varjabbli fil-mira jeħtieġ ftit ħila fl-operazzjoni. Minħabba li hemm ħafna parametri tad-disinn u firxa wiesgħa ta 'varjazzjoni, il-modi ta' vibrazzjoni tal-għodda huma ħafna fil-firxa ta 'frekwenza ta' interess. Jekk ir-riżultat ta 'analiżi modali jintuża direttament, huwa diffiċli li ssib il-mod assjali ta' l-ewwel ordni, minħabba li s-sekwenza modali ta 'interleaving tista' sseħħ meta jinbidlu l-parametri, jiġifieri, l-ordinal ta 'frekwenza naturali li jikkorrispondi għall-mod oriġinali jinbidel. Għalhekk, dan id-dokument jadotta l-analiżi modali l-ewwel, u mbagħad juża l-metodu ta 'superpożizzjoni modali biex jikseb il-kurva tar-rispons tal-frekwenza. Billi ssib l-ogħla valur tal-kurva tar-rispons tal-frekwenza, tista 'tiżgura l-frekwenza modali korrispondenti. Dan huwa importanti ħafna fil-proċess ta 'ottimizzazzjoni awtomatika, u jelimina l-ħtieġa li tiddetermina manwalment il-modalità.
Wara li titlesta l-ottimizzazzjoni, il-frekwenza tax-xogħol tad-disinn tal-għodda tista 'tkun viċin ħafna tal-frekwenza fil-mira, u l-iżball huwa inqas mill-valur tat-tolleranza speċifikat fl-ottimizzazzjoni. F'dan il-punt, id-disinn tal-għodda huwa bażikament determinat, segwit minn tolleranzi tal-manifattura għad-disinn tal-produzzjoni.
3.4 Disinn tat-tolleranza
Id-disinn strutturali ġenerali jitlesta wara li jkunu ġew iddeterminati l-parametri kollha tad-disinn, iżda għal problemi ta 'inġinerija, speċjalment meta tiġi kkunsidrata l-ispiża tal-produzzjoni tal-massa, id-disinn tat-tolleranza huwa essenzjali. L-ispiża ta 'preċiżjoni baxxa hija mnaqqsa wkoll, iżda l-abbiltà li tissodisfa l-metriċi tad-disinn teħtieġ kalkoli statistiċi għal kalkoli kwantitattivi. Is-Sistema tad-Disinn tal-Probabbiltà tal-PDS f'ANSYS tista 'tanalizza aħjar ir-relazzjoni bejn it-tolleranza tal-parametru tad-disinn u t-tolleranza tal-parametru fil-mira, u tista' tiġġenera fajls ta 'rapporti relatati kompluti.
3.4.1 Settings u kalkoli tal-parametru PDS
Skond l-idea DFSS, l-analiżi tat-tolleranza għandha ssir fuq parametri importanti tad-disinn, u tolleranzi ġenerali oħra jistgħu jiġu determinati b'mod empiriku. Is-sitwazzjoni f’din id-dokument hija pjuttost speċjali, minħabba li skont il-kapaċità tal-makkinar, it-tolleranza tal-manifattura tal-parametri tad-disinn ġeometriku hija żgħira ħafna, u għandha ftit effett fuq il-frekwenza tal-għodda finali; filwaqt li l-parametri tal-materja prima huma ferm differenti minħabba l-fornituri, u l-prezz tal-materja prima jammonta għal Aktar minn 80% tal-ispejjeż tal-ipproċessar tal-għodda. Għalhekk, huwa meħtieġ li tiġi stabbilita firxa ta 'tolleranza raġonevoli għall-proprjetajiet tal-materjal. Il-proprjetajiet relevanti tal-materjal hawnhekk huma d-densità, il-modulu tal-elastiċità u l-veloċità tal-propagazzjoni tal-mewġ tal-ħoss.
L-analiżi tat-tolleranza tuża simulazzjoni każwali ta 'Monte Carlo f'ANSYS biex tieħu kampjun tal-metodu Latin Hypercube minħabba li tista' tagħmel id-distribuzzjoni tal-punti tal-kampjunar aktar uniformi u raġonevoli, u tikseb korrelazzjoni aħjar b'inqas punti. Dan id-dokument jistabbilixxi 30 punt. Assumi li t-tolleranzi tat-tliet parametri materjali huma mqassma skond Gauss, inizjalment mogħti limitu ta 'fuq u t'isfel, u mbagħad ikkalkulat f'ANSYS.
3.4.2 Analiżi tar-riżultati tal-PDS
Permezz tal-kalkolu tal-PDS, il-valuri varjabbli fil-mira li jikkorrispondu għal 30 punt tal-kampjunar huma mogħtija. Id-distribuzzjoni tal-varjabbli fil-mira mhix magħrufa. Il-parametri jitwaħħlu mill-ġdid bl-użu tas-softwer Minitab, u l-frekwenza hija bażikament imqassma skond id-distribuzzjoni normali. Dan jiżgura t-teorija statistika tal-analiżi tat-tolleranza.
Il-kalkolu PDS jagħti formula adattata mill-varjabbli tad-disinn għall-espansjoni tat-tolleranza tal-varjabbli fil-mira: fejn y hija l-varjabbli fil-mira, x hija l-varjabbli tad-disinn, c hija l-koeffiċjent tal-korrelazzjoni, u i hija n-numru tal-varjabbli.

Skond dan, it-tolleranza fil-mira tista 'tiġi assenjata lil kull varjabbli tad-disinn biex tlesti l-kompitu tad-disinn tat-tolleranza.
3.5 Verifika sperimentali
Il-parti ta ’quddiem hija l-proċess tad-disinn tal-għodda tal-iwweldjar kollha. Wara t-tlestija, il-materja prima tinxtara skont it-tolleranzi tal-materjal permessi mid-disinn, u mbagħad titwassal lill-manifattura. Il-frekwenza u l-ittestjar modali jitwettqu wara li titlesta l-manifattura, u l-metodu tat-test użat huwa l-aktar metodu sempliċi u effettiv tat-test tas-sniper. Minħabba li l-iktar indiċi kkonċernat huwa l-frekwenza modali assjali tal-ewwel ordni, is-senser tal-aċċelerazzjoni huwa mwaħħal mal-wiċċ tax-xogħol, u t-tarf l-ieħor jintlaqat tul id-direzzjoni assjali, u l-frekwenza attwali tal-għodda tista 'tinkiseb permezz ta' analiżi spettrali. Ir-riżultat tas-simulazzjoni tad-disinn huwa 14925 Hz, ir-riżultat tat-test huwa 14954 Hz, ir-riżoluzzjoni tal-frekwenza hija 16 Hz, u l-iżball massimu huwa inqas minn 1%. Jista 'jidher li l-eżattezza tas-simulazzjoni tal-elementi finiti fil-kalkolu modali hija għolja ħafna.
Wara li tgħaddi mit-test sperimentali, l-għodda titqiegħed fil-produzzjoni u l-immuntar fuq il-magna tal-iwweldjar ultrasoniku. Il-kundizzjoni tar-reazzjoni hija tajba. Ix-xogħol ilu stabbli għal aktar minn nofs sena, u r-rata ta 'kwalifikazzjoni tal-iwweldjar hija għolja, li qabżet il-ħajja ta' servizz ta 'tliet xhur imwiegħda mill-manifattur tat-tagħmir ġenerali. Dan juri li d-disinn huwa ta 'suċċess, u l-proċess tal-manifattura ma ġiex modifikat u aġġustat ripetutament, u ffranka ħin u ħaddiema.
4 Konklużjoni
Din il-karta tibda bil-prinċipju tal-iwweldjar ultrasoniku tal-plastik, taqbad sew il-fokus tekniku tal-iwweldjar, u tipproponi l-kunċett tad-disinn ta 'għodda ġdida. Imbagħad uża l-funzjoni qawwija ta 'simulazzjoni ta' element finit biex tanalizza d-disinn b'mod konkret, u introduċi l-idea tad-disinn ta '6-Sigma ta' DFSS, u kkontrolla l-parametri importanti tad-disinn permezz ta 'disinn sperimentali ANSYS DOE u analiżi ta' tolleranza PDS biex tikseb disinn robust. Finalment, l-għodda ġiet immanifatturata b'suċċess darba, u d-disinn kien raġonevoli bit-test tal-frekwenza sperimentali u l-verifika tal-produzzjoni attwali. Juri wkoll li dan is-sett ta 'metodi ta' disinn huwa fattibbli u effettiv.