Aplicación del diseño de probabilidad y optimización de parámetros ANSYS en herramientas de soldadura ultrasónica

1. Introducción

Con el desarrollo de la tecnología ultrasónica, su aplicación es cada vez más extensa, se puede usar para limpiar pequeñas partículas de suciedad y también para soldar metales o plásticos. Especialmente en los productos plásticos de hoy en día, la soldadura ultrasónica se utiliza principalmente, porque se omite la estructura del tornillo, el aspecto puede ser más perfecto y también se proporciona la función de impermeabilización y protección contra el polvo. El diseño de la herramienta de soldadura de plástico (Horn) tiene un impacto importante en la calidad final de la soldadura y la capacidad de producción. En la producción de nuevos medidores eléctricos, se utilizan ondas ultrasónicas para fusionar las caras superior e inferior. Sin embargo, durante el uso, se encuentra que algunas herramientas se instalan en la máquina y se resquebrajan y otras fallas ocurren en un corto período de tiempo. Algunos productos de soldadura de herramientas La tasa de defectos es alta. Varias fallas han tenido un impacto considerable en la producción. Según el entendimiento, los proveedores de equipos tienen capacidades de diseño limitadas para herramientas y, a menudo, a través de reparaciones repetidas para lograr indicadores de diseño. Por lo tanto, es necesario utilizar nuestras propias ventajas tecnológicas para desarrollar herramientas duraderas y un método de diseño razonable.

2 principio de soldadura de plástico por ultrasonidos

La soldadura ultrasónica de plástico es un método de procesamiento que utiliza la combinación de termoplásticos en la vibración forzada de alta frecuencia, y las superficies de soldadura se frotan entre sí para producir una fusión local a alta temperatura. Para lograr buenos resultados de soldadura ultrasónica, se requieren equipos, materiales y parámetros de proceso. La siguiente es una breve introducción a su principio.

2.1 Sistema de soldadura ultrasónica de plástico.

La energía eléctrica pasa a través del generador de señal y el amplificador de potencia para producir una señal eléctrica alterna de frecuencia ultrasónica (> 20 kHz) que se aplica al transductor (cerámica piezoeléctrica). A través del transductor, la energía eléctrica se convierte en la energía de la vibración mecánica, y la bocina ajusta la amplitud de la vibración mecánica a la amplitud de trabajo apropiada, y luego se transmite uniformemente al material en contacto con ella a través delhOrn (herramientas de soldadura). Las superficies de contacto de los dos materiales de soldadura están sujetas a vibraciones forzadas de alta frecuencia, y el calor de fricción genera una fusión local a alta temperatura. Después del enfriamiento, los materiales se combinan para lograr la soldadura.

En un sistema de soldadura, la fuente de señal es una parte del circuito que contiene un circuito amplificador de potencia cuya estabilidad de frecuencia y capacidad de manejo afectan el rendimiento de la máquina. El material es un termoplástico y el diseño de la superficie de la junta debe considerar cómo generar rápidamente el calor y el acoplamiento. Los transductores y las bocinas pueden considerarse estructuras mecánicas para facilitar el análisis del acoplamiento de sus vibraciones. En la soldadura plástica, la vibración mecánica se transmite en forma de ondas longitudinales. Cómo transferir efectivamente la energía y ajustar la amplitud es el punto principal del diseño.

2.2 cuerno (herramientas de soldadura)

loscuerno Sirve como la interfaz de contacto entre la máquina de soldadura por ultrasonidos y el material. Su función principal es transmitir la vibración mecánica longitudinal producida por el variador de manera uniforme y eficiente al material. El material utilizado es generalmente aleación de aluminio de alta calidad o incluso aleación de titanio. Debido a que el diseño de los materiales plásticos cambia mucho, el aspecto es muy diferente, y elhOrn tiene que cambiar en consecuencia. La forma de la superficie de trabajo debe coincidir bien con el material, para no dañar el plástico al vibrar; al mismo tiempo, la frecuencia sólida de vibración longitudinal de primer orden debe coordinarse con la frecuencia de salida de la máquina de soldadura, de lo contrario, la energía de vibración se consumirá internamente. Cuando elhOrn vibra, se produce concentración de estrés local. Cómo optimizar estas estructuras locales también es una consideración de diseño. Este artículo explora cómo aplicar el diseño ANSYS.hOrns Para optimizar los parámetros de diseño y las tolerancias de fabricación.

Diseño de herramientas de soldadura 3

Como se mencionó anteriormente, el diseño de las herramientas de soldadura es bastante importante. Hay muchos proveedores de equipos de ultrasonidos en China que producen sus propias herramientas de soldadura, pero una parte considerable de ellos son imitaciones, y luego se recortan y prueban constantemente. A través de este método de ajuste repetido, se logra la coordinación de herramientas y la frecuencia del equipo. En este documento, el método de elementos finitos se puede usar para determinar la frecuencia al diseñar el herramental. El resultado de la prueba de herramientas y el error de frecuencia de diseño son solo del 1%. Al mismo tiempo, este documento presenta el concepto de DFSS (Design For Six Sigma) para optimizar y diseñar de forma robusta las herramientas. El concepto de diseño 6-Sigma es recopilar completamente la voz del cliente en el proceso de diseño para el diseño dirigido; y pre-consideración de posibles desviaciones en el proceso de producción para asegurar que la calidad del producto final se distribuya dentro de un nivel razonable. El proceso de diseño se muestra en la Figura 2. A partir del desarrollo de los indicadores de diseño, la estructura y las dimensiones de las herramientas se diseñan inicialmente de acuerdo con la experiencia existente. El modelo paramétrico se establece en ANSYS, y luego el modelo se determina mediante el método de diseño de experimento de simulación (DOE). Los parámetros importantes, de acuerdo con los requisitos sólidos, determinan el valor y luego usan el método de subproblema para optimizar otros parámetros. Teniendo en cuenta la influencia de los materiales y los parámetros ambientales durante la fabricación y el uso de las herramientas, también se ha diseñado con tolerancias para cumplir con los requisitos de los costos de fabricación. Finalmente, el diseño de la teoría de pruebas, pruebas y ensayos y el error real, para cumplir con los indicadores de diseño que se entregan. La siguiente introducción detallada paso a paso.

3.1 Diseño de formas geométricas (estableciendo un modelo paramétrico)

El diseño de la herramienta de soldadura primero determina su forma y estructura geométrica aproximada y establece un modelo paramétrico para el análisis posterior. La Figura 3 a) es el diseño del herramental de soldadura más común, en el que se abren varias ranuras en forma de U en la dirección de vibración en un material de aproximadamente cuboide. Las dimensiones generales son las longitudes de las direcciones X, Y y Z, y las dimensiones laterales X e Y son generalmente comparables al tamaño de la pieza a soldar. La longitud de Z es igual a la mitad de la longitud de onda de la onda ultrasónica, porque en la teoría clásica de la vibración, la frecuencia axial de primer orden del objeto alargado está determinada por su longitud, y la longitud de media onda se corresponde exactamente con la acústica. frecuencia de onda Este diseño ha sido ampliado. Su uso, es beneficioso para la propagación de las ondas sonoras. El propósito de la ranura en forma de U es reducir la pérdida de vibración lateral de la herramienta. La posición, el tamaño y el número se determinan de acuerdo con el tamaño general de la herramienta. Se puede ver que en este diseño, hay menos parámetros que se pueden regular libremente, por lo que hemos realizado mejoras sobre esta base. La Figura 3 b) es una herramienta de nuevo diseño que tiene un parámetro de tamaño más que el diseño tradicional: el radio del arco exterior R. Además, la ranura está grabada en la superficie de trabajo de la herramienta para cooperar con la superficie de la pieza de plástico lo cual es beneficioso para transmitir energía de vibración y proteger la pieza de trabajo contra daños. Este modelo se modela de forma rutinaria paramétrica en ANSYS, y luego en el siguiente diseño experimental.

3.2 Diseño experimental DOE (determinación de parámetros importantes)

DFSS se crea para resolver problemas prácticos de ingeniería. No persigue la perfección, sino que es eficaz y robusto. Incorpora la idea de 6-Sigma, captura la principal contradicción y abandona el 99,97%, mientras que requiere que el diseño sea bastante resistente a la variabilidad ambiental. Por lo tanto, antes de realizar la optimización del parámetro objetivo, debe seleccionarse primero, y debe seleccionarse el tamaño que tiene una influencia importante en la estructura, y sus valores deben determinarse de acuerdo con el principio de robustez.

3.2.1 Ajuste de parámetros DOE y DOE

Los parámetros de diseño son la forma de la herramienta y la posición de tamaño de la ranura en forma de U, etc., un total de ocho. El parámetro objetivo es la frecuencia de vibración axial de primer orden porque tiene la mayor influencia en la soldadura, y la tensión concentrada máxima y la diferencia en la amplitud de la superficie de trabajo están limitadas como variables de estado. Según la experiencia, se supone que el efecto de los parámetros en los resultados es lineal, por lo que cada factor solo se establece en dos niveles, alto y bajo. La lista de parámetros y nombres correspondientes es la siguiente.

El DOE se realiza en ANSYS utilizando el modelo paramétrico previamente establecido. Debido a las limitaciones del software, el DOE de factor completo solo puede usar hasta 7 parámetros, mientras que el modelo tiene 8 parámetros, y el análisis de ANSYS de los resultados del DOE no es tan completo como el software profesional 6-sigma, y ​​no puede manejar la interacción. Por lo tanto, utilizamos APDL para escribir un bucle DOE para calcular y extraer los resultados del programa y luego colocar los datos en Minitab para su análisis.

3.2.2 Análisis de los resultados del DOE

El análisis DOE de Minitab se muestra en la Figura 4 e incluye los principales factores de influencia y el análisis de interacción. El análisis del factor de influencia principal se utiliza para determinar qué cambios en las variables de diseño tienen un mayor impacto en la variable objetivo, lo que indica cuáles son las variables de diseño importantes. La interacción entre los factores se analiza para determinar el nivel de los factores y para reducir el grado de acoplamiento entre las variables de diseño. Compare el grado de cambio de otros factores cuando un factor de diseño es alto o bajo. De acuerdo con el axioma independiente, el diseño óptimo no está acoplado entre sí, así que elija el nivel que sea menos variable.

Los resultados del análisis de las herramientas de soldadura en este documento son: los parámetros de diseño importantes son el radio del arco exterior y el ancho de la ranura de la herramienta. El nivel de ambos parámetros es & quot; alto & quot ;, es decir, el radio toma un valor mayor en el DOE, y el ancho de la ranura también tiene un valor mayor. Se determinaron los parámetros importantes y sus valores, y luego se usaron varios otros parámetros para optimizar el diseño en ANSYS para ajustar la frecuencia de la herramienta para que coincida con la frecuencia de operación de la máquina de soldadura. El proceso de optimización es el siguiente.

3.3 Optimización de parámetros de destino (frecuencia de herramientas)

La configuración de los parámetros de la optimización del diseño es similar a la del DOE. La diferencia es que los valores de dos parámetros importantes se han determinado, y los otros tres parámetros están relacionados con las propiedades del material, que se consideran ruido y no se pueden optimizar. Los tres parámetros restantes que pueden ajustarse son la posición axial de la ranura, la longitud y el ancho de la herramienta. La optimización utiliza el método de aproximación de subproblema en ANSYS, que es un método ampliamente utilizado en problemas de ingeniería, y se omite el proceso específico.

Vale la pena señalar que el uso de la frecuencia como la variable de destino requiere un poco de habilidad en la operación. Debido a que hay muchos parámetros de diseño y un amplio rango de variación, los modos de vibración del herramental son muchos en el rango de frecuencia de interés. Si el resultado del análisis modal se usa directamente, es difícil encontrar el modo axial de primer orden, porque el intercalado de secuencia modal puede ocurrir cuando los parámetros cambian, es decir, el ordinal de frecuencia natural correspondiente al modo original cambia. Por lo tanto, este documento adopta primero el análisis modal y luego utiliza el método de superposición modal para obtener la curva de respuesta en frecuencia. Al encontrar el valor máximo de la curva de respuesta de frecuencia, puede garantizar la frecuencia modal correspondiente. Esto es muy importante en el proceso de optimización automática, eliminando la necesidad de determinar manualmente la modalidad.

Una vez completada la optimización, la frecuencia de trabajo de diseño del herramental puede estar muy cerca de la frecuencia objetivo y el error es menor que el valor de tolerancia especificado en la optimización. En este punto, el diseño de la herramienta está básicamente determinado, seguido por las tolerancias de fabricación para el diseño de producción.

3.4 Diseño de la tolerancia.

El diseño estructural general se completa después de que se hayan determinado todos los parámetros de diseño, pero para problemas de ingeniería, especialmente al considerar el costo de la producción en masa, el diseño de tolerancia es esencial. El costo de la baja precisión también se reduce, pero la capacidad de cumplir con las métricas de diseño requiere cálculos estadísticos para los cálculos cuantitativos. El sistema de diseño de probabilidad PDS en ANSYS puede analizar mejor la relación entre la tolerancia de parámetros de diseño y la tolerancia de parámetros de destino, y puede generar archivos de informes relacionados completos.

3.4.1 Ajustes de parámetros de PDS y cálculos

De acuerdo con la idea del DFSS, el análisis de tolerancia se debe realizar en parámetros de diseño importantes, y otras tolerancias generales se pueden determinar empíricamente. La situación en este documento es bastante especial, ya que, según la capacidad de mecanizado, la tolerancia de fabricación de los parámetros de diseño geométrico es muy pequeña y tiene poco efecto en la frecuencia final de la herramienta; mientras que los parámetros de las materias primas son muy diferentes debido a los proveedores, y el precio de las materias primas representa más del 80% de los costos de procesamiento de herramientas. Por lo tanto, es necesario establecer un rango de tolerancia razonable para las propiedades del material. Las propiedades relevantes del material aquí son la densidad, el módulo de elasticidad y la velocidad de propagación de la onda de sonido.

El análisis de tolerancia utiliza una simulación aleatoria de Monte Carlo en ANSYS para muestrear el método del Hipercubo Latino porque puede hacer que la distribución de los puntos de muestreo sea más uniforme y razonable, y obtener una mejor correlación por menos puntos. Este artículo establece 30 puntos. Suponga que las tolerancias de los tres parámetros de material se distribuyen de acuerdo con Gauss, inicialmente se les asigna un límite superior e inferior y luego se calculan en ANSYS.

3.4.2 Análisis de resultados de PDS

A través del cálculo de PDS, se dan los valores de la variable objetivo correspondientes a 30 puntos de muestreo. La distribución de las variables objetivo es desconocida. Los parámetros se ajustan nuevamente utilizando el software Minitab, y la frecuencia se distribuye básicamente de acuerdo con la distribución normal. Esto asegura la teoría estadística del análisis de tolerancia.

El cálculo de PDS proporciona una fórmula de ajuste de la variable de diseño a la expansión de tolerancia de la variable objetivo: donde y es la variable objetivo, x es la variable de diseño, c es el coeficiente de correlación ei es el número de la variable.

De acuerdo con esto, la tolerancia objetivo puede asignarse a cada variable de diseño para completar la tarea de diseño de tolerancia.

3.5 Verificación experimental

La parte frontal es el proceso de diseño de toda la herramienta de soldadura. Una vez finalizado, las materias primas se compran de acuerdo con las tolerancias de los materiales permitidas por el diseño y luego se entregan a la fabricación. La frecuencia y las pruebas modales se realizan una vez que se completa la fabricación, y el método de prueba utilizado es el método de prueba de francotirador más simple y efectivo. Debido a que el índice más preocupado es la frecuencia modal axial de primer orden, el sensor de aceleración está unido a la superficie de trabajo, y el otro extremo se golpea a lo largo de la dirección axial, y la frecuencia real de la herramienta se puede obtener mediante análisis espectral. El resultado de la simulación del diseño es de 14925 Hz, el resultado de la prueba es de 14954 Hz, la resolución de frecuencia es de 16 Hz y el error máximo es inferior al 1%. Se puede observar que la precisión de la simulación de elementos finitos en el cálculo modal es muy alta.

Después de pasar la prueba experimental, las herramientas se ponen en producción y ensamblaje en la máquina de soldadura por ultrasonidos. La condición de reacción es buena. El trabajo ha permanecido estable durante más de medio año, y la tasa de calificación de soldadura es alta, que ha excedido la vida útil de tres meses prometida por el fabricante general de equipos. Esto muestra que el diseño es exitoso y que el proceso de fabricación no se ha modificado y ajustado repetidamente, ahorrando tiempo y mano de obra.

4. Conclusión

Este documento comienza con el principio de la soldadura ultrasónica de plástico, capta profundamente el enfoque técnico de la soldadura y propone el concepto de diseño de las nuevas herramientas. Luego use la poderosa función de simulación de elementos finitos para analizar el diseño de manera concreta, e introduzca la idea de diseño 6-Sigma de DFSS y controle los parámetros de diseño importantes a través del diseño experimental ANSYS DOE y el análisis de tolerancia PDS para lograr un diseño robusto. Finalmente, el herramental se fabricó con éxito una vez, y el diseño fue razonable por la prueba de frecuencia experimental y la verificación de producción real. También demuestra que este conjunto de métodos de diseño es factible y eficaz.