Ultrasonik kaynak boynuzu FEM ANSYS parametre optimizasyonu ve olasılık tasarımı nasıl kullanılır

Ultrasonik kaynak boynuzunun FEM ANSYS parametre optimizasyonu ve olasılık tasarımı nasıl kullanılır

Önsöz

Ultrasonik teknolojinin gelişmesiyle, uygulaması gittikçe daha kapsamlıdır, küçük kir parçacıklarını temizlemek için kullanılabilir ve ayrıca metal veya plastik kaynak için de kullanılabilir. Özellikle günümüzün plastik ürünlerinde, ultrasonik kaynak çoğunlukla kullanılır, çünkü vida yapısı atlanır, görünüm daha mükemmel olabilir ve su geçirmezlik ve toz geçirmezlik işlevi de sağlanır. Plastik kaynak kornasının tasarımı nihai kaynak kalitesi ve üretim kapasitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yeni elektrik sayaçlarının üretiminde, üst ve alt yüzleri birleştirmek için ultrasonik dalgalar kullanılır. Bununla birlikte, kullanım sırasında, makineye bazı boynuzların kurulduğu ve çatladığı ve diğer arızaların kısa sürede meydana geldiği bulunmuştur. Bazı kaynak kornası Hata oranı yüksektir. Çeşitli hataların üretim üzerinde önemli bir etkisi olmuştur. Anlayışa göre, ekipman tedarikçileri boynuz için sınırlı tasarım yeteneklerine sahiptir ve genellikle tasarım göstergelerine ulaşmak için tekrarlanan onarımlarla. Bu nedenle, dayanıklı boynuz ve makul bir tasarım yöntemi geliştirmek için kendi teknolojik avantajlarımızı kullanmak gerekir.

2 Ultrasonik plastik kaynak prensibi

Ultrasonik plastik kaynak, yüksek frekanslı zorlanmış titreşimde termoplastiklerin kombinasyonunu kullanan bir işleme yöntemidir ve kaynak yüzeyleri, yerel yüksek sıcaklıkta erime üretmek için birbirine sürtünür. İyi ultrasonik kaynak sonuçları elde etmek için ekipman, malzeme ve proses parametreleri gereklidir. Aşağıda, ilkesine kısa bir giriş yer almaktadır.

2.1 Ultrasonik plastik kaynak sistemi

Şekil 1, bir kaynak sisteminin şematik görünüşüdür. Elektrik enerjisi, sinyal dönüştürücüye (piezoelektrik seramik) uygulanan alternatif bir ultrasonik frekans (> 20 kHz) elektrik sinyali üretmek için sinyal üretecinden ve güç amplifikatöründen geçirilir. Dönüştürücü vasıtasıyla elektrik enerjisi, mekanik titreşimin enerjisi haline gelir ve mekanik titreşimin genliği, boynuz tarafından uygun çalışma genliğine ayarlanır ve daha sonra boynuz ile temas eden malzemeye eşit olarak iletilir. İki kaynak malzemesinin temas yüzeyleri yüksek frekanslı zorlanmış titreşime maruz kalır ve sürtünme ısısı lokal yüksek sıcaklıkta erime üretir. Soğutulduktan sonra, malzemeler kaynak elde etmek için birleştirilir.

Bir kaynak sisteminde, sinyal kaynağı, frekans kararlılığı ve sürücü kapasitesi makinenin performansını etkileyen bir güç amplifikatörü devresi içeren bir devre parçasıdır. Malzeme bir termoplastiktir ve derz yüzeyinin tasarımının nasıl hızlı bir şekilde ısı ve dok üretileceğini düşünmesi gerekir. Dönüştürücüler, boynuzlar ve boynuzlar, titreşimlerinin birleşiminin kolay analizi için mekanik yapılar olarak kabul edilebilir. Plastik kaynakta, mekanik titreşim boyuna dalgalar şeklinde iletilir. Enerjinin etkili bir şekilde nasıl aktarılacağı ve genliğin nasıl ayarlanacağı tasarımın ana noktasıdır.

2.2horn

Korna, ultrasonik kaynak makinesi ile malzeme arasındaki temas arayüzü olarak işlev görür. Ana işlevi, varyatör tarafından üretilen uzunlamasına mekanik titreşimi malzemeye eşit ve verimli bir şekilde iletmektir. Kullanılan malzeme genellikle yüksek kaliteli alüminyum alaşım veya hatta titanyum alaşımdır. Plastik malzemelerin tasarımı çok değiştiğinden, görünüm çok farklıdır ve boynuz buna göre değişmelidir. Çalışma yüzeyinin şekli, titreşim sırasında plastiğe zarar vermemek için malzeme ile iyi eşleştirilmelidir; aynı zamanda, birinci dereceden boyuna titreşim katı frekansı kaynak makinesinin çıkış frekansı ile koordine edilmelidir, aksi takdirde titreşim enerjisi dahili olarak tüketilecektir. Korna titreştiğinde lokal stres konsantrasyonu oluşur. Bu yerel yapıların nasıl optimize edileceği de bir tasarım konusudur. Bu makalede, tasarım parametrelerini ve üretim toleranslarını optimize etmek için ANSYS tasarım boynuzunun nasıl uygulanacağı araştırılmaktadır.

3 kaynak boynuzu tasarımı

Daha önce de belirtildiği gibi, kaynak boynuzunun tasarımı oldukça önemlidir. Çin'de kendi kaynak boynuzlarını üreten birçok ultrasonik ekipman tedarikçisi var, ancak bunların önemli bir kısmı taklittir ve daha sonra sürekli olarak kırpıyor ve test ediyorlar. Bu tekrarlanan ayarlama yöntemi ile korna ve ekipman frekansının koordinasyonu sağlanır. Bu yazıda, kornayı tasarlarken frekansı belirlemek için sonlu elemanlar yöntemi kullanılabilir. Korna testi sonucu ve tasarım frekansı hatası sadece% 1'dir. Aynı zamanda, bu makale korna tasarımını optimize etmek ve sağlamlaştırmak için DFSS (Altı Sigma İçin Tasarım) kavramını tanıtmaktadır. 6-Sigma tasarım konsepti, hedeflenen tasarım için tasarım sürecinde müşterinin sesini tamamen toplamaktır; ve nihai ürünün kalitesinin makul bir seviyede dağılmasını sağlamak için üretim sürecindeki olası sapmaların önceden değerlendirilmesi. Tasarım süreci Şekil 2'de gösterilmektedir. Tasarım göstergelerinin geliştirilmesinden başlayarak kornanın yapısı ve boyutları başlangıçta mevcut deneyime göre tasarlanmıştır. Parametrik model ANSYS'de oluşturulur ve daha sonra model simülasyon deney tasarımı (DOE) yöntemi ile belirlenir. Sağlam gereksinimlere göre önemli parametreler, değeri belirler ve sonra diğer parametreleri en iyi duruma getirmek için alt sorun yöntemini kullanır. Kornanın üretimi ve kullanımı sırasında malzemelerin ve çevresel parametrelerin etkisi göz önünde bulundurularak, üretim maliyetlerinin gereksinimlerini karşılamak için toleranslarla da tasarlanmıştır. Son olarak, üretim, test ve test teorisi tasarımı ve gerçek hata, teslim edilen tasarım göstergelerini karşılamak için. Aşağıdaki adım adım ayrıntılı giriş.

3.1 Geometrik şekil tasarımı (parametrik model oluşturulması)

Kaynak kornasının tasarlanması önce yaklaşık geometrik şeklini ve yapısını belirler ve sonraki analizler için parametrik bir model oluşturur. Şekil 3 a) en yaygın kaynak boynuzunun tasarımıdır, burada yaklaşık olarak Küboid bir malzeme üzerindeki titreşim yönünde bir dizi U-şekilli oluk açılır. Toplam boyutlar X, Y ve Z yönlerinin uzunluklarıdır ve yanal boyutlar X ve Y genellikle kaynak yapılan iş parçasının boyutuyla karşılaştırılabilir. Z'nin uzunluğu ultrasonik dalganın yarım dalga boyuna eşittir, çünkü klasik titreşim teorisinde, uzatılmış nesnenin birinci dereceden eksenel frekansı uzunluğu ile belirlenir ve yarım dalga uzunluğu akustik ile tam olarak eşleşir dalga frekansı. Bu tasarım genişletildi. Kullanımı, ses dalgalarının yayılmasında faydalıdır. U şeklindeki oluğun amacı, boynuzun yanal titreşim kaybını azaltmaktır. Konum, boyut ve sayı, kornanın toplam boyutuna göre belirlenir. Bu tasarımda, serbestçe düzenlenebilen daha az parametre olduğu görülebilir, bu nedenle bu temelde iyileştirmeler yaptık. Şekil 3 b) geleneksel tasarıma göre bir boyut parametresine sahip yeni tasarlanmış bir boynuzdur: dış ark yarıçapı R. Ayrıca, oluk plastik iş parçasının yüzeyi ile işbirliği yapmak için boynuzun çalışma yüzeyine işlenmiştir, bu titreşim enerjisini iletmekte ve iş parçasını hasardan korumada faydalıdır. Bu model rutin olarak parametrik olarak ANSYS'de ve daha sonra bir sonraki deneysel tasarımda modellenmiştir.

3.2 DOE deney tasarımı (önemli parametrelerin belirlenmesi)

DFSS pratik mühendislik problemlerini çözmek için yaratılmıştır. Mükemmelliği takip etmez, ancak etkili ve sağlamdır. 6-Sigma fikrini somutlaştırır, ana çelişkiyi yakalar ve tasarımın çevresel değişkenliğe oldukça dirençli olmasını gerektirirken "% 99.97" 'yi terk eder. Bu nedenle, hedef parametre optimizasyonunu yapmadan önce önce taranmalı ve yapı üzerinde önemli bir etkisi olan boyut seçilmeli ve değerleri sağlamlık ilkesine göre belirlenmelidir.

3.2.1 DOE parametre ayarı ve DOE

Tasarım parametreleri, U şeklindeki oluğun vb. Boynuz şekli ve boyut konumudur, toplam sekizdir. Hedef parametre birinci dereceden eksenel titreşim frekansıdır, çünkü kaynak üzerinde en büyük etkiye sahiptir ve maksimum konsantre stres ve çalışma yüzeyi genliğindeki fark durum değişkenleri olarak sınırlıdır. Deneyime dayanarak, parametrelerin sonuçlar üzerindeki etkisinin doğrusal olduğu varsayılır, bu nedenle her bir faktör sadece yüksek ve düşük olmak üzere iki seviyeye ayarlanır. Parametrelerin ve karşılık gelen adların listesi aşağıdaki gibidir.

DOE, önceden belirlenmiş parametrik model kullanılarak ANSYS'de gerçekleştirilir. Yazılım sınırlamaları nedeniyle, tam faktörlü DOE yalnızca 7 parametreye kadar kullanabilirken, modelin 8 parametresi vardır ve ANSYS'nin DOE sonuçlarını analizi profesyonel 6-sigma yazılımı kadar kapsamlı değildir ve etkileşimi işleyemez. Bu nedenle, program sonuçlarını hesaplamak ve çıkarmak için bir DOE döngüsü yazmak ve sonra verileri analiz için Minitab'a koymak için APDL'yi kullanırız.

3.2.2 DOE sonuçlarının analizi

Minitab'ın DOE analizi Şekil 4'te gösterilmektedir ve ana etkileyen faktör analizi ve etkileşim analizini içermektedir. Ana etki faktörü analizi, hangi tasarım değişkeni değişikliklerinin hedef değişken üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu belirlemek, böylece hangisinin önemli tasarım değişkenleri olduğunu belirlemek için kullanılır. Daha sonra faktörler arasındaki etkileşim, faktörlerin seviyesini belirlemek ve tasarım değişkenleri arasındaki bağlantı derecesini azaltmak için analiz edilir. Bir tasarım faktörü yüksek veya düşük olduğunda diğer faktörlerin değişim derecesini karşılaştırın. Bağımsız aksiyoma göre, optimal tasarım birbirine bağlı değildir, bu nedenle daha az değişken olan seviyeyi seçin.

Bu yazıda kaynak kornasının analiz sonuçları şunlardır: önemli tasarım parametreleri, dış ark yarıçapı ve kornanın yarık genişliğidir. Her iki parametrenin seviyesi "yüksek" dir, yani yarıçap DOE'de daha büyük bir değer alır ve oluk genişliği de daha büyük bir değer alır. Önemli parametreler ve değerleri belirlendi ve daha sonra ANSYS'deki tasarımı korna frekansını kaynak makinesinin çalışma frekansına uyacak şekilde ayarlamak için optimize etmek için birkaç başka parametre kullanıldı. Optimizasyon süreci aşağıdaki gibidir.

3.3 Hedef parametre optimizasyonu (korna frekansı)

Tasarım optimizasyonunun parametre ayarları DOE'ninkilere benzer. Fark, iki önemli parametrenin değerlerinin belirlenmiş olması ve diğer üç parametrenin, gürültü olarak kabul edilen ve optimize edilemeyen malzeme özellikleriyle ilişkili olmasıdır. Ayarlanabilen diğer üç parametre, yuvanın eksenel konumu, uzunluk ve boynuz genişliğidir. Optimizasyon, mühendislik problemlerinde yaygın olarak kullanılan bir yöntem olan ANSYS'de alt problem yaklaşma yöntemini kullanır ve spesifik süreç atlanır.

Hedef değişken olarak frekans kullanmanın, operasyonda biraz beceri gerektirdiğini belirtmek gerekir. Birçok tasarım parametresi ve geniş bir varyasyon aralığı olduğu için, boynuzun titreşim modları ilgilenilen frekans aralığında çoktur. Modal analiz sonucu doğrudan kullanılırsa, birinci dereceden eksenel modu bulmak zordur, çünkü parametreler değiştiğinde, yani orijinal moda karşılık gelen doğal frekans sırası değiştiğinde modal dizi serpiştirmesi meydana gelebilir. Bu nedenle, bu makale önce modsal analizi benimser ve sonra frekans yanıt eğrisini elde etmek için modsal süperpozisyon yöntemini kullanır. Frekans tepki eğrisinin tepe değerini bularak, ilgili modal frekansı sağlayabilir. Bu, otomatik optimizasyon sürecinde çok önemlidir ve modaliteyi manuel olarak belirleme ihtiyacını ortadan kaldırır.

Optimizasyon tamamlandıktan sonra, kornanın tasarım çalışma frekansı hedef frekansa çok yakın olabilir ve hata optimizasyonda belirtilen tolerans değerinden daha azdır. Bu noktada, boynuz tasarımı temel olarak belirlenir ve bunu üretim tasarımı için üretim toleransları izler.

3.4 Tolerans tasarımı

Genel yapısal tasarım, tüm tasarım parametreleri belirlendikten sonra tamamlanır, ancak mühendislik problemleri için, özellikle seri üretim maliyeti düşünüldüğünde, tolerans tasarımı esastır. Düşük hassasiyetin maliyeti de azalır, ancak tasarım metriklerini karşılama yeteneği, nicel hesaplamalar için istatistiksel hesaplamalar gerektirir. ANSYS'deki PDS Olasılık Tasarım Sistemi, tasarım parametresi toleransı ile hedef parametre toleransı arasındaki ilişkiyi daha iyi analiz edebilir ve ilgili rapor dosyalarının tamamını oluşturabilir.

3.4.1 PDS parametre ayarları ve hesaplamaları

DFSS fikrine göre, önemli tasarım parametreleri üzerinde tolerans analizi yapılmalıdır ve diğer genel toleranslar ampirik olarak belirlenebilir. Bu kağıttaki durum oldukça özeldir, çünkü işleme yeteneğine göre, geometrik tasarım parametrelerinin üretim toleransı çok küçüktür ve son boynuz frekansı üzerinde çok az etkisi vardır; hammadde parametreleri tedarikçiler nedeniyle büyük ölçüde farklıdır ve hammadde fiyatı boynuz işleme maliyetlerinin% 80'inden fazlasını oluşturmaktadır. Bu nedenle, malzeme özellikleri için makul bir tolerans aralığı ayarlamak gerekir. Buradaki ilgili malzeme özellikleri, yoğunluk, esneklik modülü ve ses dalgası yayılma hızıdır.

Tolerans analizi, Latin Hiperküp yöntemini örneklemek için ANSYS'de rastgele Monte Carlo simülasyonunu kullanır, çünkü örnekleme noktalarının dağılımını daha düzgün ve makul hale getirebilir ve daha az nokta ile daha iyi korelasyon elde edebilir. Bu makale 30 puan almaktadır. Üç malzeme parametresinin toleranslarının Gauss'a göre dağıtıldığını, başlangıçta bir üst ve alt sınır verildiğini ve daha sonra ANSYS'de hesaplandığını varsayın.

3.4.2 PDS sonuçlarının analizi

PDS'nin hesaplanmasıyla 30 örnekleme noktasına karşılık gelen hedef değişken değerleri verilir. Hedef değişkenlerin dağılımı bilinmemektedir. Parametreler Minitab yazılımı kullanılarak tekrar takılır ve frekans temel olarak normal dağılıma göre dağıtılır. Bu, tolerans analizinin istatistiksel teorisini sağlar.

PDS hesaplaması, tasarım değişkeninden hedef değişkenin tolerans genişlemesine uygun bir formül verir: burada y, hedef değişken, x, tasarım değişkeni, c, korelasyon katsayısı ve i, değişken sayısıdır.

Buna göre, tolerans tasarımı görevini tamamlamak için her tasarım değişkenine hedef tolerans atanabilir.

3.5 Deneysel doğrulama

Ön kısım, tüm kaynak boynuzunun tasarım sürecidir. Tamamlandıktan sonra, hammaddeler tasarımın izin verdiği malzeme toleranslarına göre satın alınır ve daha sonra üretime teslim edilir. Frekans ve mod testi imalat tamamlandıktan sonra yapılır ve kullanılan test yöntemi en basit ve en etkili keskin nişancı test yöntemidir. En çok ilgili endeks birinci dereceden eksenel mod frekansı olduğundan, hızlanma sensörü çalışma yüzeyine tutturulur ve diğer ucu eksenel yön boyunca vurulur ve boynuzun gerçek frekansı spektral analiz ile elde edilebilir. Tasarımın simülasyon sonucu 14925 Hz, test sonucu 14954 Hz, frekans çözünürlüğü 16 Hz ve maksimum hata% 1'den az. Modal hesaplamada sonlu elemanlar benzetiminin doğruluğunun çok yüksek olduğu görülebilir.

Deneysel testi geçtikten sonra, boynuz ultrasonik kaynak makinesinde üretime ve montaja konur. Reaksiyon koşulu iyidir. İş yarım yıldan fazla bir süredir istikrarlı ve kaynak yeterlilik oranı yüksek, bu da genel ekipman üreticisi tarafından vaat edilen üç aylık hizmet ömrünü aştı. Bu, tasarımın başarılı olduğunu ve üretim sürecinin tekrar tekrar değiştirilmediğini ve ayarlanmadığını, zamandan ve insan gücünden tasarruf ettiğini gösterir.

4. Sonuç

Bu kağıt, ultrasonik plastik kaynak prensibi ile başlar, kaynağın teknik odağını derinlemesine kavrar ve yeni boynuz tasarım konseptini önerir. Daha sonra tasarımı somut olarak analiz etmek için sonlu elemanın güçlü simülasyon işlevini kullanın ve DFSS'nin 6-Sigma tasarım fikrini tanıtın ve sağlam tasarım elde etmek için ANSYS DOE deney tasarımı ve PDS tolerans analizi ile önemli tasarım parametrelerini kontrol edin. Son olarak, boynuz bir kez başarıyla üretildi ve tasarım, deneysel frekans testi ve gerçek üretim doğrulaması ile mantıklıydı. Ayrıca, bu tasarım yöntemleri setinin uygulanabilir ve etkili olduğunu kanıtlar.