Cómo utilizar la optimización de parámetros FEM ANSYS y el diseño de probabilidad de la bocina de soldadura ultrasónica

Cómo utilizar la optimización de parámetros FEM ANSYS y el diseño de probabilidad de la bocina de soldadura ultrasónica

Prefacio

Con el desarrollo de la tecnología ultrasónica, su aplicación es cada vez más extensa, puede usarse para limpiar pequeñas partículas de suciedad y también para soldar metal o plástico. Especialmente en los productos de plástico actuales, la soldadura ultrasónica se usa principalmente, porque se omite la estructura del tornillo, la apariencia puede ser más perfecta y también se proporciona la función de impermeabilización y a prueba de polvo. El diseño de la soldadura plástica.hOrn tiene un impacto importante en la calidad de soldadura final 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 descubre que algunas bocinas están instaladas en la máquina y se rajan y otras fallas ocurren en un corto período de tiempo. Algunas bocinas de soldadura 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 bocina, 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 una bocina duradera y un método de diseño razonable.

2 principio de soldadura de plástico ultrasónico

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 rozan entre sí para producir 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 figura 1 es una vista esquemática de un sistema de soldadura. 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 amplitud de la vibración mecánica se ajusta mediante la bocina a la amplitud de trabajo adecuada, y luego se transmite uniformemente al material en contacto con ella a través de la bocina. Las superficies de contacto de los dos materiales de soldadura están sujetas a vibraciones forzadas de alta frecuencia, y el calor de fricción genera fusión local a alta temperatura. Después de enfriar, 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 accionamiento afectan el rendimiento de la máquina. El material es termoplástico, y el diseño de la superficie de la junta debe considerar cómo generar rápidamente calor y acoplamiento. Los transductores, las bocinas y las bocinas pueden considerarse estructuras mecánicas para facilitar el análisis del acoplamiento de sus vibraciones. En la soldadura de plástico, 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.

2.2horn

La bocina sirve como interfaz de contacto entre la máquina de soldadura ultrasónica 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 suele ser una aleación de aluminio de alta calidad o incluso una aleación de titanio. Debido a que el diseño de los materiales plásticos cambia mucho, la apariencia es muy diferente y la bocina tiene que cambiar en consecuencia. La forma de la superficie de trabajo debe coincidir bien con el material, para no dañar el plástico cuando vibra; Al mismo tiempo, la frecuencia sólida de vibración longitudinal de primer orden debe coordinarse con la frecuencia de salida de la máquina de soldar, de lo contrario, la energía de vibración se consumirá internamente. Cuando la bocina vibra, se produce una concentración de estrés local. Cómo optimizar estas estructuras locales también es una consideración de diseño. Este artículo explora cómo aplicar la bocina de diseño ANSYS para optimizar los parámetros de diseño y las tolerancias de fabricación.

Diseño de 3 bocinas de soldadura

Como se mencionó anteriormente, el diseño de la bocina de soldadura es bastante importante. Hay muchos proveedores de equipos de ultrasonidos en China que producen sus propios cuernos de soldadura, pero una parte considerable de ellos son imitaciones, y luego están constantemente recortándose y probando. Mediante este método de ajuste repetido, se logra la coordinación de la frecuencia de la bocina y del equipo. En este documento, el método de elementos finitos se puede utilizar para determinar la frecuencia al diseñar la bocina. El resultado de la prueba de la bocina 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 un diseño robusto de bocina. El concepto de diseño 6-Sigma es recolectar completamente la voz del cliente en el proceso de diseño para el diseño dirigido; y consideración previa de posibles desviaciones en el proceso de producción para garantizar 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 la bocina 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 robustos, determinan el valor y luego utilizan 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 la bocina, también se ha diseñado con tolerancias para cumplir con los requisitos de los costos de fabricación. Finalmente, el diseño de fabricación, prueba y teoría de prueba y 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 (establecimiento de un modelo paramétrico)

El diseño de la bocina de soldadura primero determina su forma y estructura geométrica aproximada y establece un modelo paramétrico para su posterior análisis. La Figura 3 a) es el diseño de la bocina de soldadura más común, en la que se abren varias ranuras en forma de U en la dirección de la vibración en un material de aproximadamente cuboide. Las dimensiones totales 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 de trabajo que se está soldando. La longitud de Z es igual a la media longitud de onda de la onda ultrasónica, porque en la teoría de la vibración clásica, la frecuencia axial de primer orden del objeto alargado está determinada por su longitud, y la longitud de media onda coincide exactamente con la acústica frecuencia de onda Este diseño ha sido extendido. El 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 bocina. La posición, el tamaño y el número se determinan de acuerdo con el tamaño general de la bocina. 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 bocina de nuevo diseño que tiene un parámetro de tamaño más que el diseño tradicional: el radio de arco exterior R. Además, la ranura está grabada en la superficie de trabajo de la bocina para cooperar con la superficie de la pieza de trabajo de plástico. lo cual es beneficioso para transmitir energía de vibración y proteger la pieza de trabajo contra daños. Este modelo se modela rutinariamente paramétricamente en ANSYS, y luego el próximo diseño experimental.

3.2 Diseño experimental del DOE (determinación de parámetros importantes)

DFSS se crea para resolver problemas prácticos de ingeniería. No persigue la perfección, pero es efectivo y robusto. Encarna la idea de 6-Sigma, captura la contradicción principal y abandona el "99.97%", al tiempo que requiere que el diseño sea bastante resistente a la variabilidad ambiental. Por lo tanto, antes de realizar la optimización del parámetro objetivo, primero debe seleccionarse, 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 Configuración de parámetros DOE y DOE

Los parámetros de diseño son la forma de la bocina y la posición del 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 el esfuerzo concentrado máximo y la diferencia en la amplitud de la superficie de trabajo están limitados 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.

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, usamos 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 resultados del DOE

El análisis DOE de Minitab se muestra en la Figura 4 e incluye los principales análisis de factores de influencia y 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. Luego se analiza la interacción entre los factores para determinar el nivel de los factores y 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. Según el axioma independiente, el diseño óptimo no está acoplado entre sí, por lo tanto, elija el nivel que sea menos variable.

Los resultados del análisis de la bocina 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 bocina. El nivel de ambos parámetros es alto, es decir, el radio toma un valor mayor en el DOE, y el ancho de la ranura también toma un valor mayor. Se determinaron los parámetros importantes y sus valores, y luego se usaron otros parámetros para optimizar el diseño en ANSYS para ajustar la frecuencia de la bocina para que coincida con la frecuencia de funcionamiento de la máquina de soldar. El proceso de optimización es el siguiente.

3.3 Optimización del parámetro objetivo (frecuencia de la bocina)

La configuración de parámetros de la optimización del diseño es similar a la del DOE. La diferencia es que se han determinado los valores de dos parámetros importantes, 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 se pueden ajustar son la posición axial de la ranura, la longitud y el ancho de la bocina. La optimización utiliza el método de aproximación de subproblemas en ANSYS, que es un método ampliamente utilizado en problemas de ingeniería, y se omite el proceso específico.

Vale la pena señalar que usar la frecuencia como variable objetivo requiere un poco de habilidad en la operación. Debido a que hay muchos parámetros de diseño y una amplia gama de variaciones, los modos de vibración de la bocina 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 la secuencia modal se puede entrelazar cuando cambian los parámetros, es decir, la frecuencia natural ordinal correspondiente al modo original cambia. Por lo tanto, este documento adopta primero el análisis modal y luego usa el método de superposición modal para obtener la curva de respuesta de 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, ya que elimina la necesidad de determinar manualmente la modalidad.

Una vez completada la optimización, la frecuencia de trabajo de diseño de la bocina 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 bocina está básicamente determinado, seguido de las tolerancias de fabricación para el diseño de producción.

3.4 Diseño de tolerancia

El diseño estructural general se completa después de que se han determinado todos los parámetros de diseño, pero para problemas de ingeniería, especialmente cuando se considera el costo de 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 del parámetro de diseño y la tolerancia del parámetro objetivo, y puede generar archivos de informes relacionados completos.

3.4.1 Configuración de parámetros PDS y cálculos

Según la idea del DFSS, el análisis de tolerancia debe realizarse en parámetros de diseño importantes, y otras tolerancias generales pueden determinarse empíricamente. La situación en este documento es bastante especial, porque de acuerdo con 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 bocina; 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 la bocina. 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 sonora.

El análisis de tolerancia utiliza la 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 documento establece 30 puntos. Suponga que las tolerancias de los tres parámetros del material se distribuyen de acuerdo con Gauss, inicialmente dado un límite superior e inferior, y luego se calculan en ANSYS.

3.4.2 Análisis de resultados PDS

A través del cálculo de PDS, se dan los valores de las variables 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 PDS proporciona una fórmula de ajuste desde la variable de diseño hasta 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 e i es el número de variable.

De acuerdo con esto, la tolerancia objetivo se puede asignar 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 bocina de soldadura. Después de la finalización, las materias primas se compran de acuerdo con las tolerancias de los materiales permitidas por el diseño, y luego se entregan a la fabricación. Las pruebas de frecuencia y modales se realizan después de 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 se une a la superficie de trabajo, y el otro extremo se golpea a lo largo de la dirección axial, y la frecuencia real de la bocina se puede obtener mediante análisis espectral. El resultado de la simulación del diseño es 14925 Hz, el resultado de la prueba es 14954 Hz, la resolución de frecuencia es 16 Hz y el error máximo es inferior al 1%. Se puede ver que la precisión de la simulación de elementos finitos en el cálculo modal es muy alta.

Después de pasar la prueba experimental, la bocina se pone en producción y ensamblaje en la máquina de soldadura ultrasónica. La condición de reacción es buena. El trabajo ha sido estable durante más de medio año, y la tasa de calificación de soldadura es alta, lo que ha excedido la vida útil de tres meses prometida por el fabricante del equipo en general. Esto muestra que el diseño es exitoso y que el proceso de fabricación no se ha modificado y ajustado repetidamente, lo que ahorra tiempo y mano de obra.

4. Conclusión

Este artículo 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 la nueva bocina. 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, la bocina se fabricó con éxito una vez, y el diseño fue razonable mediante la prueba de frecuencia experimental y la verificación de producción real. También demuestra que este conjunto de métodos de diseño es factible y efectivo.