nutizie

Prefazione
Cù u sviluppu di a tecnulugia ultrasonica, a so applicazione hè di più in più larga, pò esse aduprata per pulisce minuscole particelle di terra, è pò ancu esse aduprata per saldà metalli o plastica. In particulare in i prudutti di plastica d'oghje, a saldatura à ultrasuoni hè aduprata soprattuttu, perchè a struttura a vite hè omessa, l'aspettu pò esse più perfettu, è a funzione di impermeabilizazioni è antipolvere hè ancu furnita. A cuncezzione di u cornu di saldatura in plastica hà un impattu impurtante nantu à a qualità di saldatura finale è a capacità di produzione. In a produzzione di novi contatori elettrichi, l'onde ultrasoniche sò aduprate per fusionà e facce superiori è inferiori. Tuttavia, durante l'usu, si trova chì alcuni strumenti sò installati nantu à a macchina è incrinati è altri fallimenti si verificanu in un breve periodu di tempu. Alcuni prudutti di saldatura di utensili U tasso di difetti hè altu. Diversi difetti anu avutu un impattu considerable nant'à a produzzione. Sicondu a capiscitura, i fornitori di attrezzature anu capacità di cuncepimentu limitate per l'attrezzatura, è spessu per riparazioni ripetute per uttene indicatori di cuncepimentu. Dunque, hè necessariu aduprà i nostri propri vantaghji tecnologichi per sviluppà attrezzi durevoli è un metudu di cuncepimentu ragionevuli.
2 Principiu di saldatura ultrasonica di plastica
A saldatura ultrasonica di plastica hè un metudu di trasfurmazione chì utilizza a cumminazione di termoplastichi in a vibrazione forzata à alta frequenza, è e superfici di saldatura si sfreganu l'una contru l'altra per pruduce una fusione lucale à alta temperatura. Per uttene boni risultati di saldatura ultrasonica, attrezzature, materiali è parametri di prucessu sò richiesti. Ciò chì seguita hè una breve introduzione à u so principiu.
2.1 Sistema di saldatura ultrasonica in plastica
A Figura 1 hè una vista schematica di un sistema di saldatura. L'energia elettrica hè attraversata da u generatore di segnale è da l'amplificatore di potenza per pruduce un signale elettricu alternante di frequenza ultrasonica (> 20 kHz) chì hè applicatu à u transduttore (ceramica piezoelettrica). Attraversu u transduttore, l'energia elettrica diventa l'energia di a vibrazione meccanica, è l'ampiezza di a vibrazione meccanica hè regolata da u cornu à l'amplitudine di travagliu adatta, è poi trasmessa uniformemente à u materiale in cuntattu cun ellu attraversu a testa di l'utensile (saldatura arnesi). E superfici di cuntattu di i dui materiali di saldatura sò sottoposti à vibrazioni forzate à alta frequenza, è u calore di frizione genera una fusione locale à alta temperatura. Dopu u raffreddamentu, i materiali sò cumbinati per ghjunghje a saldatura.

In un sistema di saldatura, a fonte di segnale hè una parte di circuitu chì cuntene un circuitu di amplificatore di potenza chì a stabilità di frequenza è a capacità di azzione influenzanu e prestazioni di a macchina. U materiale hè un termoplasticu, è a cuncezzione di a superficia cumuna deve cunsiderà cumu generà rapidamente calore è dock. Trasduttori, corne è capi di strumenti ponu esse tutti cunsiderati strutture meccaniche per facilità l'analisi di l'accoppiamentu di e so vibrazioni. In a saldatura plastica, a vibrazione meccanica hè trasmessa in forma d'onde longitudinali. Cume trasferisce efficacemente l'energia è aghjustà l'ampiezza hè u puntu principale di cuncepimentu.
2.2 Testa di l'uttellu (saldatura)
A testa di l'utensile serve da l'interfaccia di cuntattu trà a saldatrice ultrasonica è u materiale. A so funzione principale hè di trasmette a vibrazione meccanica longitudinale prodotta da u variatore in modu uniforme è efficiente à u materiale. U materiale adupratu hè di solitu in lega d'aluminiu di alta qualità o ancu in lega di titaniu. Perchè u cuncepimentu di i materiali plastichi cambia assai, l'aspettu hè assai diversu, è a testa di l'utensile hà da cambià di conseguenza. A forma di a superficia di travagliu deve esse bè assuciata cù u materiale, per ùn dannà u plasticu quandu vibra; in listessu tempu, a frequenza solida di vibrazione longitudinale di primu ordine deve esse coordinata cù a frequenza di uscita di a macchina di saldatura, altrimenti l'energia di vibrazione serà consumata internamente. Quandu a testa di l'uttellu vibra, si faci una concentrazione di stress locale. Cumu uttimizà queste strutture lucali hè ancu una cunsiderazione di cuncepimentu. Questu articulu esplora cume applicà teste di strumenti di cuncepimentu ANSYS per ottimizà i parametri di cuncepimentu è e tolleranze di fabbricazione.
3 cuncepimentu di strumenti di saldatura
Cumu l'accennatu prima, a cuncezzione di l'utensili di saldatura hè abbastanza impurtante. Ci sò parechji fornitori di apparecchiature ultrasoniche in Cina chì producenu i so propri strumenti di saldatura, ma una parte considerableu di elli sò imitazioni, è allora sò costantemente tagli è test. Attraversu stu metudu di regolazione ripetuta, si ottiene a coordinazione di l'attrezzatura è di a frequenza di l'attrezzatura. In questu documentu, u metudu di l'elementi finiti pò esse adupratu per determinà a frequenza quandu si cuncepisce l'attrezzi. U risultatu di a prova di l'attrezzatura è l'errore di frequenza di cuncepimentu sò solu 1%. In listessu tempu, stu documentu introduce u cuncettu di DFSS (Design For Six Sigma) per ottimisà è cuncepisce robusta l'utensili. U cuncettu di cuncepimentu 6-Sigma hè di raccoglie cumpletamente a voce di u cliente in u prucessu di cuncepimentu per u cuncepimentu miratu; è pre-cunsiderazione di eventuali deviazioni in u prucessu di produzzione per assicurà chì a qualità di u pruduttu finale sia distribuita in un livellu ragionevuli. U prucessu di cuncepimentu hè mostratu in a Figura 2. Partendu da u sviluppu di l'indicatori di cuncepimentu, a struttura è e dimensioni di l'utensile sò inizialmente cuncepite secondu l'esperienza esistente. U mudellu parametricu hè stabilitu in ANSYS, è dopu u mudellu hè determinatu da u metudu di cuncepimentu di sperimentazione di simulazione (DOE). Parametri impurtanti, secondu i requisiti robusti, determinanu u valore, è poi usanu u metudu di sottoproblema per ottimizà altri parametri. Tenendu contu di l'influenza di i materiali è di i parametri ambientali durante a fabbricazione è l'usu di l'attrezzatura, hè statu ancu prughjettatu cun tolleranze per soddisfà i requisiti di costi di fabbricazione. Infine, a fabricazione, a prova è a prova di a teoria di cuncepimentu è l'errore attuale, per soddisfà l'indicatori di cuncepimentu chì sò trasmessi. L'introduzione dettagliata passo-passo seguita.
3.1 Cuncepimentu di forma geometrica (stabilisce un mudellu parametricu)
U cuncepimentu di l'utensili di saldatura determina prima a so forma geometrica apprussimativa è a struttura è stabilisce un mudellu parametricu per l'analisi successiva. Figura 3 a) hè a cuncezzione di l'utensili di saldatura più cumuni, in cui un numeru di scanalature in forma di U sò aperte in direzzione di vibrazione nantu à un materiale di circa cuboidi. E dimensioni in generale sò e lunghezze di e direzzioni X, Y è Z, è e dimensioni laterali X è Y sò generalmente paragunevuli à a dimensione di u pezzu da saldà. A lunghezza di Z hè uguale à a mezza lunghezza d'onda di l'onda ultrasonica, perchè in a teoria di a vibrazione classica, a frequenza assiale di primu ordine di l'ughjettu allungatu hè determinata da a so lunghezza, è a lunghezza di a mità onda hè esattamente abbinata à l'acustica frequenza d'onda. Stu cuncepimentu hè statu allargatu. L'utilizazione, hè benefica per a diffusione di onde sonore. U scopu di a scanalatura in forma di U hè di riduce a perdita di vibrazione laterale di l'attrezzi. A posizione, a dimensione è u numeru sò determinate secondu a dimensione generale di l'attrezzatura. Si pò vede chì in questu cuncepimentu, ci sò menu parametri chì ponu esse regolati liberamente, cusì avemu fattu miglioramenti nantu à sta basa. Figura 3 b) hè un uttellu novu cuncipitu chì hà un paràmetru di dimensione in più di u cuncepimentu tradiziunale: u raghju di l'arcu esternu R. Inoltre, u solcu hè incisu nantu à a superficia di travagliu di l'utensile per cooperà cù a superficia di u pezzu plasticu, chì hè benefica per trasmette l'energia di vibrazione è prutegge a pezza da travagliu da i danni. Stu mudellu hè mudificatu parametricamente in ANSYS, è dopu u prossimu cuncepimentu sperimentale.
3.2 Cuncepimentu sperimentale DOE (determinazione di parametri impurtanti)
DFSS hè creatu per risolve i prublemi pratichi di ingegneria. Ùn persegue micca a perfezione, ma hè efficace è robusta. Incarna l'idea di 6-Sigma, capisce a cuntradizzione principale, è abbanduneghja "99,97%", mentre esige chì u cuncepimentu sia abbastanza resistente à a variabilità ambientale. Dunque, prima di fà l'ottimisazione di i parametri di destinazione, deve esse verificatu prima, è a dimensione chì hà una influenza impurtante nantu à a struttura deve esse selezionata, è i so valori devenu esse determinati secondu u principiu di robustezza.
3.2.1 Impostazione di i parametri DOE è DOE
I parametri di cuncepimentu sò a forma di l'attrezzatura è a posizione di dimensioni di u solcu in forma di U, ecc., Un totale di ottu. U parametru di destinazione hè a frequenza di vibrazione assiale di primu ordine perchè hà a più grande influenza nantu à a saldatura, è u stress massimu cuncintratu è a differenza in l'amplitudine di a superficia di travagliu sò limitate cum'è variabili di statu. Basatu nantu à l'esperienza, si suppone chì l'effettu di i parametri nantu à i risultati sia lineare, dunque ogni fattore hè impostu solu à dui livelli, altu è bassu. A lista di i parametri è i nomi currispundenti hè a seguita.
DOE hè realizatu in ANSYS cù u mudellu parametricu stabilitu prima. A causa di e limitazioni di u lugiziale, u DOE à fattore cumpletu pò aduprà solu sin'à 7 parametri, mentre u mudellu hà 8 parametri, è l'analisi di ANSYS di i risultati DOE ùn hè micca cumpleta quant'è un software 6-sigma prufessiunale, è ùn pò manighjà l'interazzione. Dunque, usamu APDL per scrive un loop DOE per calculà è estrarre i risultati di u prugramma, è dopu mettemu i dati in Minitab per analisi.
3.2.2 Analisi di i risultati DOE
L'analisi DOE di Minitab hè mostrata in Figura 4 è include i principali fattori di influenza in analisi è analisi di interazione. L'analisi principale di fattore d'influenza hè aduprata per determinà chì variazioni di variabili di cuncepimentu anu un impattu più grande nantu à a variabile di destinazione, indicendu cusì chì sò variabili di cuncepimentu impurtanti. L'interazione trà i fattori hè poi analizzata per determinà u livellu di i fattori è per riduce u gradu di accoppiamento tra e variabili di cuncepimentu. Paragunate u gradu di cambiamentu di altri fattori quandu un fattore di cuncepimentu hè altu o bassu. Sicondu l'assioma indipendente, u cuncepimentu ottimali ùn hè micca accumpagnatu unu cù l'altru, allora sceglite u livellu chì hè menu variabile.
I risultati di l'analisi di l'utensili di saldatura in questu documentu sò: i parametri di cuncepimentu impurtanti sò u raghju di l'arcu esterno è a larghezza di a fessura di l'utensile. U livellu di i dui parametri hè "altu", vale à dì, u raghju piglia un valore più grande in u DOE, è a larghezza di a groove piglia ancu un valore più grande. I parametri impurtanti è i so valori sò stati determinati, è dopu parechji altri parametri sò stati aduprati per ottimizà u cuncepimentu in ANSYS per adeguà a frequenza di l'utensile per abbinà a frequenza operativa di a saldatrice. U prucessu di ottimisazione hè u seguitu.
3.3 Ottimizazione di i parametri di destinazione (frequenza di strumenti)
I paràmetri di l'ottimisazione di cuncepimentu sò simili à quelli di u DOE. A differenza hè chì i valori di dui parametri impurtanti sò stati determinati, è l'altri trè parametri sò relativi à e pruprietà materiali, chì sò cunsiderate cum'è rumore è ùn ponu micca esse ottimizate. I trè parametri restanti chì ponu esse regolati sò a pusizione assiale di a fessura, a lunghezza è a larghezza di l'utensili. L'ottimisazione adopra u metudu d'apprussimazione di subproblema in ANSYS, chì hè un metudu largamente adupratu in i prublemi di ingegneria, è u prucessu specificu hè omessu.
Hè da nutà chì l'usu di a frequenza cum'è variabile di destinazione richiede un pocu di abilità in operazione. Perchè ci sò parechji parametri di cuncepimentu è una vasta gamma di variazioni, i modi di vibrazione di l'utensili sò assai in a gamma di frequenza di interessu. Se u risultatu di l'analisi modale hè adupratu direttamente, hè difficiule di truvà u modu assiale di primu ordine, perchè a sequenza modale intercalata pò accade quandu i parametri cambianu, vale à dì, l'urdinale di frequenza naturale chì currisponde à u modu uriginale cambia. Dunque, sta carta adopta prima l'analisi modale, è poi usa u metudu di superposizione modale per ottene a curva di risposta di frequenza. Truvendu u valore di punta di a curva di risposta di frequenza, pò assicurà a frequenza modale currispundente. Questu hè assai impurtante in u prucessu di ottimisazione automatica, eliminendu a necessità di determinà manualmente a modalità.
Dopu chì l'ottimisazione hè finita, a frequenza di travagliu di cuncepimentu di l'utensile pò esse assai vicina à a frequenza di destinazione, è l'errore hè menu di u valore di tolleranza specificatu in l'ottimizazione. A stu puntu, a cuncezzione di l'utensili hè basicamente determinata, seguita da tolleranze di fabbricazione per u cuncepimentu di produzione.
3.4 Cuncepimentu di tolleranza
U cuncepimentu strutturale generale hè cumpletatu dopu chì tutti i parametri di cuncepimentu sò stati determinati, ma per i prublemi di ingegneria, soprattuttu quandu si considera u costu di a produzione di massa, u cuncepimentu di tolleranza hè essenziale. U costu di a bassa precisione hè ancu riduttu, ma a capacità di risponde à e metriche di cuncepimentu richiede calculi statistichi per calculi quantitativi. U Sistema di Cuncepimentu di Probabilità PDS in ANSYS pò analizà megliu a relazione trà a tolleranza di i parametri di cuncepimentu è a tolleranza di i parametri di destinazione, è pò generà file di rapportu cumpletu.
3.4.1 Impostazioni di parametri PDS è calculi
Secunnu l'idea DFSS, l'analisi di tolleranza deve esse effettuata nantu à parametri di cuncepimentu impurtanti, è altre tolleranze generali ponu esse determinate empiricamente. A situazione in sta carta hè abbastanza particulare, perchè secondu a capacità di l'usinamentu, a tolleranza di fabbricazione di i parametri di cuncepimentu geomettricu hè assai chjuca, è hà pocu effetti nant'à a frequenza di l'utensile finale; mentre i parametri di e materie prime sò assai diversi per via di i fornitori, è u prezzu di e materie prime conta più di 80% di i costi di trasfurmazione di l'utensili. Dunque, hè necessariu stabilisce una gamma di tolleranza ragionevole per e pruprietà di u materiale. E pruprietà materiali pertinenti quì sò a densità, u modulu di elasticità è a velocità di propagazione di l'onda sonora.
L'analisi di a tolleranza adopra a simulazione casuale di Monte Carlo in ANSYS per campionà u metudu Hypercube latinu perchè pò fà a distribuzione di punti di campionamentu più uniformi è ragiunevuli, è uttene una migliore correlazione di menu punti. Questu articulu stabilisce 30 punti. Assumemu chì e tolleranze di i trè parametri materiali sò distribuiti secondu Gauss, inizialmente datu un limite superiore è inferiore, è dopu calculatu in ANSYS.
3.4.2 Analisi di i risultati PDS
Attraversu u calculu di PDS, sò dati i valori variabili di destinazione currispondenti à 30 punti di campionamentu. A distribuzione di e variabili di destinazione hè scunnisciuta. I parametri sò adattati di novu aduprendu u software Minitab, è a frequenza hè basicamente distribuita secondu a distribuzione normale. Questu assicura a teoria statistica di l'analisi di a tolleranza.
U calculu PDS dà una formula adattata da a variabile di cuncepimentu à l'espansione di tolleranza di a variabile di destinazione: induve y hè a variabile di destinazione, x hè a variabile di cuncepimentu, c hè u coefficiente di correlazione, è i hè u numeru variabile.

Sicondu questu, a tolleranza di destinazione pò esse assignata à ogni variabile di cuncepimentu per cumplettà l'attività di cuncepimentu di tolleranza.
3.5 Verificazione sperimentale
A parte anteriore hè u prucessu di cuncepimentu di tuttu u strumentu di saldatura. Dopu à a fine, e materie prime sò acquistate secondu e tolleranze materiali permesse da u cuncepimentu, è poi consegnate à a fabbricazione. A frequenza è i testi modali sò fatti dopu a fabbricazione finita, è u metudu di prova adupratu hè u metudu di prova di cecchinu più simplice è efficace. Perchè l'indice u più interessatu hè a frequenza modale assiale di primu ordine, u sensore di accelerazione hè attaccatu à a superficie di travagliu, è l'altra estremità hè colpita longu à a direzzione assiale, è a frequenza attuale di l'utensile pò esse ottenuta da analisi spettrale. U risultatu di simulazione di u cuncepimentu hè 14925 Hz, u risultatu di a prova hè 14954 Hz, a risoluzione di frequenza hè 16 Hz, è l'errore massimu hè menu di 1%. Si pò vede chì a precisione di a simulazione di l'elementi finiti in u calculu modale hè assai alta.
Dopu avè passatu u test sperimentale, l'attrezzi sò messi in produzzione è assemblea nantu à a saldatrice ultrasonica. A cundizione di reazzione hè bona. U travagliu hè statu stabile dapoi più di mezu annu, è u tassu di qualificazione di saldatura hè altu, chì hà supiratu a vita di serviziu di trè mesi prumessa da u fabricatore generale di apparecchiature. Ciò mostra chì u cuncepimentu hà successu, è u prucessu di fabricazione ùn hè micca statu modificatu è regolatu ripetutamente, risparmendu tempu è manodopera.
4 Cunclusione
Questa carta principia cù u principiu di saldatura ultrasonica di plastica, capisce profondamente u focu tecnicu di a saldatura, è prupone u cuncettu di cuncepimentu di novu utensili. Poi aduprate a putente funzione di simulazione di l'elementu finitu per analisà u cuncepimentu cuncretamente, è introduce l'idea di cuncepimentu 6-Sigma di DFSS, è cuntrolla i parametri di cuncepimentu impurtanti attraversu ANSYS DOE cuncepimentu sperimentale è analisi di tolleranza PDS per uttene un cuncepimentu robustu. Infine, l'attrezzi sò stati fabbricati cù successu una volta, è u cuncepimentu era ragionevule da u test di frequenza sperimentale è da a vera verifica di a produzione. Pruvede ancu chì questu inseme di metudi di cuncepimentu sia fattibile è efficace.


Tempu di posta: Nov-04-2020