Notícies

Pròleg
Amb el desenvolupament de la tecnologia d'ultrasons, la seva aplicació és cada vegada més extensa, es pot utilitzar per netejar petites partícules de brutícia i també es pot utilitzar per soldar metalls o plàstics. Especialment en els productes de plàstic actuals, s’utilitza sobretot soldadura per ultrasons, ja que s’omet l’estructura del cargol, l’aspecte pot ser més perfecte i també es proporciona la funció d’impermeabilització i protecció contra la pols. El disseny de la banya de soldadura de plàstic té un impacte important sobre la qualitat de soldadura final i la capacitat de producció. En la producció de nous comptadors elèctrics, s’utilitzen ones ultrasòniques per fusionar les cares superior i inferior. No obstant això, durant l'ús, es constata que algunes eines s'instal·len a la màquina i es trenquen i es produeixen altres fallades en un curt període de temps. Alguns productes de soldadura d’eines La taxa de defectes és elevada. Diverses falles han tingut un impacte considerable en la producció. Segons la comprensió, els proveïdors d'equips tenen capacitats de disseny limitades per a eines, i sovint mitjançant reparacions repetides per aconseguir indicadors de disseny. Per tant, és necessari utilitzar els nostres propis avantatges tecnològics per desenvolupar eines duradores i un mètode de disseny raonable.
2 Principi de soldadura de plàstic per ultrasons
La soldadura per plàstic per ultrasons és un mètode de processament que utilitza la combinació de termoplàstics en vibracions forçades d’alta freqüència, i les superfícies de soldadura es freguen entre elles per produir una fusió local a alta temperatura. Per aconseguir bons resultats de soldadura per ultrasons, es requereixen equips, materials i paràmetres de procés. La següent és una breu introducció al seu principi.
2.1 Sistema de soldadura de plàstic per ultrasons
La figura 1 és una vista esquemàtica d’un sistema de soldadura. L'energia elèctrica es fa passar pel generador de senyal i l'amplificador de potència per produir un senyal elèctric altern de freqüència ultrasònica (> 20 kHz) que s'aplica al transductor (ceràmica piezoelèctrica). A través del transductor, l’energia elèctrica es converteix en l’energia de la vibració mecànica i l’amplitud de la vibració mecànica s’ajusta per la trompa a l’amplitud de treball adequada i es transmet uniformement al material que hi està en contacte a través del cap de l’eina (soldadura eines). Les superfícies de contacte dels dos materials de soldadura estan sotmeses a vibracions forçades d’alta freqüència i la calor de fricció genera una fusió local a alta temperatura. Després del refredament, els materials es combinen per aconseguir la soldadura.

En un sistema de soldadura, la font de senyal és una part del circuit que conté un circuit d'amplificador de potència l'estabilitat de freqüència i la capacitat de transmissió afecten el rendiment de la màquina. El material és un material termoplàstic i el disseny de la superfície d’unió ha de tenir en compte la manera de generar ràpidament calor i atracament. Els transductors, les banyes i els caps d’eines es poden considerar estructures mecàniques per facilitar l’anàlisi de l’acoblament de les seves vibracions. En la soldadura de plàstic, la vibració mecànica es transmet en forma d’ones longitudinals. El punt principal del disseny és com transferir eficaçment l’energia i ajustar l’amplitud.
2.2 Capçal d'eines (soldadura)
El cap d'eina serveix com a interfície de contacte entre la màquina de soldar per ultrasons i el material. La seva funció principal és transmetre al material la vibració mecànica longitudinal produïda pel variador de manera uniforme i eficient. El material utilitzat sol ser d'aliatge d'alumini d'alta qualitat o fins i tot d'aliatge de titani. Com que el disseny dels materials plàstics canvia molt, l’aspecte és molt diferent i el cap de l’eina ha de canviar en conseqüència. La forma de la superfície de treball s’ha d’adaptar bé al material, per no danyar el plàstic quan vibra; al mateix temps, la freqüència sòlida de vibració longitudinal de primer ordre s'ha de coordinar amb la freqüència de sortida de la màquina de soldar, en cas contrari l'energia de vibració es consumirà internament. Quan el cap de l'eina vibra, es produeix una concentració d'estrès local. Com optimitzar aquestes estructures locals també és una consideració de disseny. Aquest article explora com aplicar els caps d’eines de disseny ANSYS per optimitzar els paràmetres de disseny i les toleràncies de fabricació.
Disseny de 3 eines de soldadura
Com s'ha esmentat anteriorment, el disseny de les eines de soldadura és força important. Hi ha molts proveïdors d'equips d'ultrasons a la Xina que produeixen les seves pròpies eines de soldadura, però una part considerable són imitacions i, a continuació, es retallen i proven constantment. Mitjançant aquest mètode d’ajust repetit s’aconsegueix la coordinació de la freqüència d’eines i equips. En aquest article, es pot utilitzar el mètode d’elements finits per determinar la freqüència a l’hora de dissenyar l’eina. El resultat de la prova d'eines i l'error de freqüència de disseny són només de l'1%. Al mateix temps, aquest article introdueix el concepte de DFSS (Disseny per a sis sigmes) per optimitzar i dissenyar robustament les eines. El concepte de disseny 6-Sigma és recollir completament la veu del client en el procés de disseny per al disseny específic; i consideració prèvia de possibles desviacions en el procés de producció per garantir que la qualitat del producte final es distribueix dins d’un nivell raonable. El procés de disseny es mostra a la figura 2. A partir del desenvolupament dels indicadors de disseny, l'estructura i les dimensions de l'eina es dissenyen inicialment d'acord amb l'experiència existent. El model paramètric s’estableix a ANSYS i, a continuació, el model es determina mitjançant el mètode de disseny de l’experiment de simulació (DOE). Els paràmetres importants, segons els requisits sòlids, determinen el valor i, a continuació, utilitzen el mètode del subproblema per optimitzar altres paràmetres. Tenint en compte la influència dels materials i els paràmetres ambientals durant la fabricació i l’ús de l’eina, també s’ha dissenyat amb toleràncies per satisfer els requisits de costos de fabricació. Finalment, la fabricació, la prova i el disseny de la teoria de proves i l'error real, per complir els indicadors de disseny que es lliuren. La següent introducció detallada pas a pas.
3.1 Disseny de formes geomètriques (establiment d’un model paramètric)
El disseny de les eines de soldadura determina primer la seva forma i estructura geomètrica aproximada i estableix un model paramètric per a la seva posterior anàlisi. La figura 3 a) és el disseny de les eines de soldadura més habituals, en què s’obren diverses ranures en forma d’U en la direcció de la vibració sobre un material aproximadament cuboide. Les dimensions globals són les longituds de les direccions X, Y i Z, i les dimensions laterals X i Y són generalment comparables a la mida de la peça a treballar. La longitud de Z és igual a la meitat de longitud d’ona de l’ona ultrasònica, ja que en la teoria clàssica de les vibracions, la freqüència axial de primer ordre de l’objecte allargat està determinada per la seva longitud i la longitud de la mitjana ona es troba exactament igualada amb la freqüència d'ona. Aquest disseny s'ha ampliat. L’ús és beneficiós per a la propagació de les ones sonores. L’objectiu de la ranura en forma d’U és reduir la pèrdua de vibració lateral de l’eina. La posició, la mida i el nombre es determinen segons la mida global de l’eina. Es pot veure que en aquest disseny hi ha menys paràmetres que es poden regular lliurement, de manera que hem fet millores sobre aquesta base. La figura 3 b) és una eina de nou disseny que té un paràmetre de mida més que el disseny tradicional: el radi exterior de l’arc R. A més, la ranura està gravada a la superfície de treball de l’eina per cooperar amb la superfície de la peça de plàstic, que és beneficiós per transmetre energia de vibració i protegir la peça de treball contra danys. Aquest model es modela de manera paramètrica de manera rutinària a ANSYS i, a continuació, el següent disseny experimental.
3.2 Disseny experimental DOE (determinació de paràmetres importants)
DFSS es crea per resoldre problemes pràctics d’enginyeria. No persegueix la perfecció, però és eficaç i robust. Incorpora la idea de 6-Sigma, capta la contradicció principal i abandona el "99,97%", alhora que requereix que el disseny sigui força resistent a la variabilitat ambiental. Per tant, abans de fer l’optimització dels paràmetres objectiu, s’hauria de revisar primer i seleccionar la mida que tingui una influència important sobre l’estructura i determinar-ne els valors segons el principi de robustesa.
3.2.1 Configuració de paràmetres DOE i DOE
Els paràmetres de disseny són la forma de la ferramenta i la posició de la mida de la ranura en forma d’U, etc., en total vuit. El paràmetre objectiu és la freqüència de vibració axial de primer ordre, ja que té la major influència sobre la soldadura, i la tensió màxima concentrada i la diferència en l’amplitud de la superfície de treball són limitades com a variables d’estat. Basat en l’experiència, se suposa que l’efecte dels paràmetres sobre els resultats és lineal, de manera que cada factor només s’estableix en dos nivells, alt i baix. La llista de paràmetres i noms corresponents és la següent.
El DOE es realitza en ANSYS mitjançant el model paramètric establert prèviament. A causa de les limitacions del programari, el DOE de factor complet només pot utilitzar fins a 7 paràmetres, mentre que el model té 8 paràmetres, i l’anàlisi dels resultats de DOE d’ANSYS no és tan completa com el programari professional de 6 sigma i no pot gestionar la interacció. Per tant, fem servir APDL per escriure un bucle DOE per calcular i extreure els resultats del programa i, a continuació, posar les dades a Minitab per analitzar-les.
3.2.2 Anàlisi dels resultats del DOE
L'anàlisi DOE de Minitab es mostra a la figura 4 i inclou els principals factors d'influència i anàlisi d'interacció. L'anàlisi del factor d'influència principal s'utilitza per determinar quins canvis de variables de disseny tenen un major impacte sobre la variable objectiu, indicant així quines són les variables de disseny importants. A continuació, s’analitza la interacció entre els factors per determinar el nivell dels factors i reduir el grau d’acoblament entre les variables de disseny. Compareu el grau de canvi d'altres factors quan un factor de disseny és alt o baix. Segons l'axioma independent, el disseny òptim no està acoblat entre si, per tant, trieu el nivell que sigui menys variable.
Els resultats de l'anàlisi de les eines de soldadura en aquest document són: els paràmetres de disseny importants són el radi exterior de l'arc i l'amplada de la ranura de l'eina. El nivell d'ambdós paràmetres és "alt", és a dir, el radi pren un valor més gran al DOE i l'amplada de la ranura també pren un valor més gran. Es van determinar els paràmetres importants i els seus valors i, a continuació, es van utilitzar diversos paràmetres per optimitzar el disseny a ANSYS per ajustar la freqüència de l’utillatge perquè coincidís amb la freqüència de funcionament de la màquina de soldar. El procés d'optimització és el següent.
3.3 Optimització dels paràmetres objectiu (freqüència d’eines)
Els paràmetres de l'optimització del disseny són similars als del DOE. La diferència és que s’han determinat els valors de dos paràmetres importants i els altres tres paràmetres estan relacionats amb les propietats del material, que es consideren soroll i no es poden optimitzar. Els tres paràmetres restants que es poden ajustar són la posició axial de la ranura, la longitud i l'amplada de les eines. L'optimització utilitza el mètode d'aproximació del subproblema a ANSYS, que és un mètode àmpliament utilitzat en problemes d'enginyeria, i s'omet el procés específic.
Val a dir que utilitzar la freqüència com a variable objectiu requereix una mica d’habilitat en funcionament. Com que hi ha molts paràmetres de disseny i una àmplia gamma de variacions, els modes de vibració de les eines són molts en el rang de freqüència d'interès. Si s’utilitza directament el resultat de l’anàlisi modal, és difícil trobar el mode axial de primer ordre, perquè la intercalació de seqüències modals es pot produir quan canvien els paràmetres, és a dir, canvia l’ordinal de freqüència natural corresponent al mode original. Per tant, aquest article adopta l’anàlisi modal primer i, a continuació, utilitza el mètode de superposició modal per obtenir la corba de resposta de freqüència. En trobar el valor màxim de la corba de resposta de freqüència, pot assegurar la freqüència modal corresponent. Això és molt important en el procés d’optimització automàtica, eliminant la necessitat de determinar manualment la modalitat.
Un cop finalitzada l'optimització, la freqüència de treball del disseny de les eines pot ser molt propera a la freqüència objectiu i l'error és inferior al valor de tolerància especificat a l'optimització. En aquest moment, es determina bàsicament el disseny d’eines, seguit de les toleràncies de fabricació per al disseny de producció.
3.4 Disseny de tolerància
El disseny estructural general es completa després de determinar tots els paràmetres de disseny, però per als problemes d’enginyeria, especialment quan es té en compte el cost de producció en massa, és essencial el disseny de tolerància. El cost de la baixa precisió també es redueix, però la capacitat de complir les mètriques de disseny requereix càlculs estadístics per als càlculs quantitatius. El sistema de disseny de probabilitat PDS a ANSYS pot analitzar millor la relació entre la tolerància dels paràmetres de disseny i la tolerància dels paràmetres objectiu i pot generar fitxers d'informes relacionats completament.
3.4.1 Paràmetres i càlculs dels paràmetres PDS
Segons la idea DFSS, l’anàlisi de tolerància s’hauria de realitzar en paràmetres de disseny importants i es poden determinar empíricament altres toleràncies generals. La situació en aquest document és bastant especial, ja que segons la capacitat de mecanitzat, la tolerància de fabricació dels paràmetres de disseny geomètric és molt petita i té poc efecte sobre la freqüència d’utillatge final; mentre que els paràmetres de les matèries primeres són molt diferents a causa dels proveïdors, i el preu de les matèries primeres representa més del 80% dels costos de processament d’eines. Per tant, cal establir un rang de tolerància raonable per a les propietats del material. Les propietats rellevants del material aquí són la densitat, el mòdul d’elasticitat i la velocitat de propagació de l’ona sonora.
L’anàlisi de tolerància utilitza simulacions aleatòries de Monte Carlo a ANSYS per mostrejar el mètode d’hipercub llatí perquè pot fer que la distribució dels punts de mostreig sigui més uniforme i raonable i obtenir una millor correlació amb menys punts. Aquest document estableix 30 punts. Suposem que les toleràncies dels tres paràmetres materials es distribueixen segons Gauss, inicialment donat un límit superior i inferior, i després calculat en ANSYS.
3.4.2 Anàlisi de resultats PDS
Mitjançant el càlcul de PDS, es donen els valors de la variable objectiu corresponents a 30 punts de mostreig. Es desconeix la distribució de les variables objectiu. Els paràmetres es tornen a ajustar mitjançant el programari Minitab i la freqüència es distribueix bàsicament segons la distribució normal. Això garanteix la teoria estadística de l'anàlisi de tolerància.
El càlcul PDS proporciona una fórmula adequada des de la variable de disseny fins a l’expansió de tolerància de la variable objectiu: on y és la variable objectiu, x és la variable de disseny, c és el coeficient de correlació i i és el nombre variable.

Segons això, la tolerància objectiu es pot assignar a cada variable de disseny per completar la tasca de disseny de tolerància.
3.5 Verificació experimental
La part frontal és el procés de disseny de tota l'eina de soldadura. Després de la finalització, les matèries primeres es compren segons les toleràncies de material permeses pel disseny i després es lliuren a la fabricació. Les proves de freqüència i modalitat es realitzen un cop finalitzada la fabricació, i el mètode de prova utilitzat és el mètode de prova de franctirador més senzill i eficaç. Com que l’índex més preocupat és la freqüència modal axial de primer ordre, el sensor d’acceleració està unit a la superfície de treball i l’altre extrem es colpeja al llarg de la direcció axial i es pot obtenir la freqüència real de l’utillatge mitjançant anàlisi espectral. El resultat de la simulació del disseny és de 14925 Hz, el resultat de la prova és de 14954 Hz, la resolució de freqüència és de 16 Hz i l’error màxim és inferior a l’1%. Es pot veure que la precisió de la simulació d’elements finits en el càlcul modal és molt elevada.
Després de superar la prova experimental, els utillatges es posen en producció i es munten a la màquina de soldar per ultrasons. La condició de reacció és bona. El treball ha estat estable durant més de mig any i la taxa de qualificació de soldadura és elevada, cosa que ha superat la vida útil de tres mesos promesa pel fabricant general d’equips. Això demostra que el disseny té èxit i que el procés de fabricació no s’ha modificat i ajustat repetidament, estalviant temps i mà d’obra.
4 Conclusió
Aquest document comença amb el principi de la soldadura per plàstic per ultrasons, capta profundament l’enfocament tècnic de la soldadura i proposa el concepte de disseny de noves eines. A continuació, utilitzeu la potent funció de simulació d'elements finits per analitzar el disseny concretament i introduïu la idea de disseny de 6 Sigma de DFSS i controleu els paràmetres de disseny importants mitjançant el disseny experimental ANSYS DOE i l'anàlisi de tolerància PDS per aconseguir un disseny robust. Finalment, els utillatges es van fabricar amb èxit una vegada i el disseny va ser raonable mitjançant la prova de freqüència experimental i la verificació de producció real. També demostra que aquest conjunt de mètodes de disseny és factible i eficaç.


Hora de publicació: 04-Nov-2020