nutizie

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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 alcune corne sò installate nantu à a macchina è incrinate è altri fiaschi si verificanu in un breve periodu di tempu. Alcune corne di saldatura A percentuale di difetti hè alta. Diversi difetti anu avutu un impattu considerable nant'à a produzzione. Sicondu a capiscitura, i fornitori di attrezzature anu capacità di cuncepimentu limitate per u cornu, è spessu per riparazioni ripetute per uttene indicatori di cuncepimentu. Dunque, hè necessariu aduprà i nostri vantaghji tecnologichi per sviluppà un cornu durevule 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 adattata da u cornu à l'amplitude di travagliu adatta, è poi trasmessa uniformemente à u materiale in cuntattu cun ellu per u cornu. 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 corne 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.

2.2horn

U cornu 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 e materie plastiche cambia assai, l'aspettu hè assai diversu, è a corna deve 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 u cornu vibra, si faci una concentrazione di stress lucale. Cumu uttimizà queste strutture lucali hè ancu una cunsiderazione di cuncepimentu. Questu articulu esplora cume applicà a corna di cuncepimentu ANSYS per ottimizà i parametri di cuncepimentu è e tolleranze di fabbricazione.

3 cuncezzione di cornu di saldatura

Cum'è l'accennatu prima, a cuncezzione di u cornu di saldatura hè abbastanza impurtante. Ci sò parechji fornitori di apparecchiature ultrasoniche in Cina chì producenu e so proprie corne di saldatura, ma una parte considerableu di elle sò imitazioni, è allora sò costantemente tagli è test. Attraversu stu metudu di regolazione ripetuta, si ottiene a coordinazione di u cornu 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 u cornu. U risultatu di u test di cornu è l'errore di frequenza di cuncepimentu sò solu 1%. In listessu tempu, sta carta introduce u cuncettu di DFSS (Design For Six Sigma) per ottimisà è cuncepisce robusta u cornu. 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 Figura 2. Partendu da u sviluppu di l'indicatori di cuncepimentu, a struttura è e dimensioni di u cornu 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 u cornu, hè statu ancu cuncepitu 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.

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3.1 Cuncepimentu di forma geometrica (stabilisce un mudellu parametricu)

U cuncepimentu di u cornu 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 u cuncepimentu di u cornu di saldatura u più cumunu, in u quale 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 u solcu in forma di U hè di riduce a perdita di vibrazione laterale di u cornu. A pusizione, a dimensione è u numeru sò determinate secondu a dimensione generale di u cornu. Si pò vede chì in questu cuncepimentu, ci sò menu parametri chì ponu esse regolati liberamente, cusì avemu fattu miglioramenti nantu à sta basa. A Figura 3 b) hè un cornu novu cuncepitu chì hà un parametru 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 u cornu per cooperà cù a superficia di a pezza di plastica, 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'ottimizazione di i parametri di destinazione, deve esse schermata 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 cornu è a posizione di dimensione 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 u cornu di saldatura in sta carta sò: i parametri di cuncepimentu impurtanti sò u raghju di l'arcu esternu è a larghezza di u slot di u cornu. 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 adattà a frequenza di u cornu per adattà a frequenza operativa di a saldatrice. U prucessu di ottimisazione hè u seguitu.

3.3 Ottimizazione di i parametri di destinazione (frequenza di cornu)

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 rimanenti chì ponu esse regolati sò a pusizione assiale di a fessura, a lunghezza è a larghezza di u cornu. 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 larga gamma di variazioni, i modi di vibrazione di u cornu 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 u cornu 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 u cornu hè basicamente determinata, seguita da tolleranze di fabbricazione per u cuncepimentu di produzione.

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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 questu documentu 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 finale di u cornu; mentri i parametri di e materie prime sò assai sfarenti per via di i fornitori, è u prezzu di e materie prime conta più di l'80% di i costi di trasfurmazione di a corna. 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 cornu 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 superficia di travagliu, è l'altra estremità hè colpita longu à a direzzione assiale, è a frequenza vera di u cornu 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, u cornu hè messu in pruduzzione è assemblatu 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

Questu documentu parte da u principiu di a saldatura ultrasonica di plastica, capisce profondamente u focu tecnicu di a saldatura, è prupone u cuncettu di cuncepimentu di u novu cornu. 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, a corna hè stata fabbricata cù successu una volta, è u cuncepimentu era ragiunevule da u test di frequenza sperimentale è da a vera verifica di a produzzione. Pruvede ancu chì questu inseme di metudi di cuncepimentu sia fattibile è efficace.


Tempu di posta: Nov-04-2020