Aplicação da Otimização de Parâmetro ANSYS e Projeto de Probabilidade em Ferramental de Solda Ultra-sônica

1. Introdução

Com o desenvolvimento da tecnologia ultra-sônica, sua aplicação é cada vez mais extensa, pode ser usada para limpar minúsculas partículas de sujeira e também pode ser usada para soldar metal ou plástico. Especialmente nos produtos de plástico de hoje em dia, a soldadura ultra-sónica é usada principalmente porque a estrutura do parafuso é omitida, a aparência pode ser mais perfeita e a função de impermeabilização e protecção contra o pó também é fornecida. O projeto da ferramenta de solda plástica (Horn) tem um impacto importante na qualidade final da soldagem e na capacidade de produção. Na produção de novos medidores elétricos, as ondas ultrassônicas são usadas para unir as faces superior e inferior. No entanto, durante o uso, verifica-se que algumas ferramentas estão instaladas na máquina e quebradas e outras falhas ocorrem em um curto período de tempo. Alguns produtos de soldagem de ferramentas A taxa de defeitos é alta. Várias falhas tiveram um impacto considerável na produção. De acordo com o entendimento, os fornecedores de equipamentos têm capacidades de projeto limitadas para ferramentas, e muitas vezes através de reparos repetidos para obter indicadores de projeto. Portanto, é necessário usar nossas próprias vantagens tecnológicas para desenvolver ferramentas duráveis ​​e um método de projeto razoável.

2 princípio de soldagem de plástico ultra-sônico

A soldagem ultra-sônica de plástico é um método de processamento que utiliza a combinação de termoplásticos na vibração forçada de alta frequência, e as superfícies de soldagem se esfregam umas nas outras para produzir fusão local em alta temperatura. Para obter bons resultados de soldagem ultrassônica, são necessários equipamentos, materiais e parâmetros de processo. A seguir, uma breve introdução ao seu princípio.

2.1 sistema de soldagem de plástico ultra-sônico

A energia elétrica é passada através do gerador de sinal e do amplificador de potência para produzir um sinal elétrico alternado de freqüência ultra-sônica (> 20 kHz) que é aplicado ao transdutor (cerâmica piezoelétrica). Através do transdutor, a energia elétrica torna-se a energia da vibração mecânica, e a amplitude da vibração mecânica é ajustada pela corneta à amplitude de trabalho apropriada, e então uniformemente transmitida ao material em contato com ela através dahorn (ferramentas de soldagem). As superfícies de contato dos dois materiais de soldagem são submetidas a vibrações forçadas de alta freqüência, e o calor de fricção gera fusão local de alta temperatura. Após o resfriamento, os materiais são combinados para obter a soldagem.

Em um sistema de soldagem, a fonte do sinal é uma parte do circuito que contém um circuito amplificador de potência cuja estabilidade de freqüência e capacidade de acionamento afetam o desempenho da máquina. O material é um termoplástico e o projeto da superfície da junta precisa considerar como gerar calor e doca rapidamente. Transdutores, cornetas podem ser considerados estruturas mecânicas para fácil análise do acoplamento de suas vibrações. Na soldagem plástica, a vibração mecânica é transmitida na forma de ondas longitudinais. Como efetivamente transferir energia e ajustar a amplitude é o ponto principal do design.

2.2 chifre (ferramentas de soldagem)

ochifre serve como interface de contato entre a máquina de solda ultrassônica e o material. Sua principal função é transmitir a vibração mecânica longitudinal emitida pelo variador de maneira uniforme e eficiente para o material. O material utilizado é geralmente liga de alumínio de alta qualidade ou mesmo liga de titânio. Porque o design dos materiais plásticos muda muito, a aparência é muito diferente, e ohOrn tem que mudar de acordo. A forma da superfície de trabalho deve ser bem combinada com o material, de modo a não danificar o plástico ao vibrar; ao mesmo tempo, a freqüência sólida de vibração longitudinal de primeira ordem deve ser coordenada com a freqüência de saída da máquina de solda, caso contrário a energia de vibração será consumida internamente. Quando ohOrn vibra, concentração local de estresse ocorre. Como otimizar essas estruturas locais também é uma consideração de design. Este artigo explora como aplicar o design do ANSYShorns para otimizar os parâmetros de projeto e as tolerâncias de fabricação.

3 projeto de ferramentas de soldagem

Como mencionado anteriormente, o design do ferramental de soldagem é muito importante. Existem muitos fornecedores de equipamentos ultra-sônicos na China que produzem suas próprias ferramentas de soldagem, mas uma parte considerável deles são imitações, e então eles estão constantemente aparando e testando. Através deste método de ajuste repetido, a coordenação de ferramentas e frequência de equipamentos é alcançada. Neste artigo, o método dos elementos finitos pode ser usado para determinar a frequência ao projetar o ferramental. O resultado do teste de ferramentas e o erro de frequência do projeto são de apenas 1%. Ao mesmo tempo, este documento apresenta o conceito de DFSS (Design For Six Sigma) para otimizar e projetar de forma robusta as ferramentas. O conceito de design do 6-Sigma é coletar completamente a voz do cliente no processo de design para o design direcionado; e pré-consideração de possíveis desvios no processo de produção para garantir que a qualidade do produto final seja distribuída dentro de um nível razoável. O processo de design é mostrado na Figura 2. A partir do desenvolvimento dos indicadores de projeto, a estrutura e as dimensões das ferramentas são inicialmente projetadas de acordo com a experiência existente. O modelo paramétrico é estabelecido no ANSYS e, em seguida, o modelo é determinado pelo método de simulação de experimento (DOE). Parâmetros importantes, de acordo com os requisitos robustos, determinam o valor e, em seguida, usam o método do subproblema para otimizar outros parâmetros. Tendo em conta a influência dos materiais e parâmetros ambientais durante o fabrico e utilização do ferramental, também foi projetado com tolerâncias para atender aos requisitos de custos de fabricação. Finalmente, a concepção de teoria de fabricação, teste e teste e erro real, para atender os indicadores de design que são entregues. A seguinte introdução detalhada passo-a-passo.

3.1 Desenho de forma geométrica (estabelecendo um modelo paramétrico)

O projeto do ferramental de solda primeiro determina sua forma geométrica e estrutura aproximadas e estabelece um modelo paramétrico para análise posterior. A Figura 3 a) é o projeto das ferramentas de soldagem mais comuns, nas quais várias ranhuras em forma de U são abertas na direção da vibração em um material de aproximadamente cuboide. As dimensões globais são os comprimentos das direções X, Y e Z, e as dimensões laterais X e Y são geralmente comparáveis ​​ao tamanho da peça a ser soldada. O comprimento de Z é igual ao meio comprimento de onda da onda ultra-sônica, porque na teoria clássica de vibração, a freqüência axial de primeira ordem do objeto alongado é determinada pelo seu comprimento, e o comprimento de meia onda é exatamente igual ao acústico. frequência de onda. Este projeto foi ampliado. Use, é benéfico para a propagação de ondas sonoras. A finalidade do sulco em forma de U é reduzir a perda de vibração lateral do ferramental. A posição, tamanho e número são determinados de acordo com o tamanho total do ferramental. Pode-se observar que neste design há menos parâmetros que podem ser regulados livremente, por isso fizemos melhorias nesta base. A Figura 3 b) é uma ferramenta recém projetada que possui mais um parâmetro de tamanho do que o projeto tradicional: o raio do arco externo R. Além disso, a ranhura é gravada na superfície de trabalho da ferramenta para cooperar com a superfície da peça plástica. o que é benéfico para transmitir energia de vibração e proteger a peça de trabalho de danos. Este modelo é rotineiramente parametricamente modelado no ANSYS, e então o próximo desenho experimental.

3.2 Projeto experimental DOE (determinação de parâmetros importantes)

O DFSS é criado para resolver problemas práticos de engenharia. Não persegue a perfeição, mas é eficaz e robusto. Incorpora a ideia do 6-Sigma, captura a contradição principal e abandona "99,97%", exigindo ao mesmo tempo que o desenho seja bastante resistente à variabilidade ambiental. Portanto, antes de fazer a otimização do parâmetro alvo, ele deve ser selecionado primeiro, e o tamanho que tem uma influência importante na estrutura deve ser selecionado, e seus valores devem ser determinados de acordo com o princípio da robustez.

3.2.1 Definição do parâmetro DOE e DOE

Os parâmetros do projeto são a forma da ferramenta e a posição do tamanho da ranhura em forma de U, etc., um total de oito. O parâmetro alvo é a frequência de vibração axial de primeira ordem, porque tem a maior influência na solda, e a tensão concentrada máxima e a diferença na amplitude da superfície de trabalho são limitadas como variáveis ​​de estado. Com base na experiência, assume-se que o efeito dos parâmetros nos resultados é linear, de modo que cada fator é definido apenas para dois níveis, alto e baixo. A lista de parâmetros e nomes correspondentes é a seguinte.

O DOE é realizado no ANSYS usando o modelo paramétrico previamente estabelecido. Devido às limitações do software, o DOE full-factor só pode usar até 7 parâmetros, enquanto o modelo tem 8 parâmetros, e a análise dos resultados DOE do ANSYS não é tão abrangente quanto o software profissional 6-sigma, e não pode lidar com interação. Portanto, usamos o APDL para gravar um loop DOE para calcular e extrair os resultados do programa e, em seguida, colocar os dados no Minitab para análise.

3.2.2 Análise dos resultados do DOE

A análise do DOE do Minitab é mostrada na Figura 4 e inclui as principais análises de fatores de influência e análise de interação. A principal análise de fator de influência é usada para determinar quais alterações na variável de design têm um impacto maior na variável de destino, indicando quais são as variáveis ​​de design importantes. A interação entre os fatores é então analisada para determinar o nível dos fatores e reduzir o grau de acoplamento entre as variáveis ​​de projeto. Compare o grau de mudança de outros fatores quando um fator de projeto é alto ou baixo. De acordo com o axioma independente, o projeto ótimo não é acoplado entre si, então escolha o nível que é menos variável.

Os resultados da análise do ferramental de soldagem neste documento são: os parâmetros importantes do projeto são o raio do arco externo e a largura do slot do ferramental. O nível de ambos os parâmetros é "alto", isto é, o raio assume um valor maior no DOE, e a largura do sulco também assume um valor maior. Os parâmetros importantes e seus valores foram determinados e, em seguida, vários outros parâmetros foram utilizados para otimizar o projeto no ANSYS para ajustar a freqüência de ferramentas para coincidir com a freqüência de operação da máquina de solda. O processo de otimização é o seguinte.

3.3 Otimização do parâmetro alvo (frequência de ferramentas)

As configurações de parâmetros da otimização de design são semelhantes às do DOE. A diferença é que os valores de dois parâmetros importantes foram determinados e os outros três parâmetros estão relacionados às propriedades do material, que são consideradas como ruído e não podem ser otimizadas. Os três parâmetros restantes que podem ser ajustados são a posição axial do slot, o comprimento e a largura da ferramenta. A otimização usa o método de aproximação de subproblemas no ANSYS, que é um método amplamente usado em problemas de engenharia, e o processo específico é omitido.

Vale a pena notar que usar frequência como variável-alvo requer pouca habilidade na operação. Como há muitos parâmetros de projeto e uma ampla variação, os modos de vibração do ferramental são muitos na faixa de frequência de interesse. Se o resultado da análise modal é usado diretamente, é difícil encontrar o modo axial de primeira ordem, porque a intercalação da sequência modal pode ocorrer quando os parâmetros mudam, isto é, o ordinal de frequência natural correspondente às alterações do modo original. Portanto, este trabalho adota a análise modal primeiro e depois usa o método de superposição modal para obter a curva de resposta de freqüência. Ao encontrar o valor de pico da curva de resposta de frequência, pode garantir a frequência modal correspondente. Isso é muito importante no processo de otimização automática, eliminando a necessidade de determinar manualmente a modalidade.

Após a conclusão da otimização, a frequência de trabalho de projeto do ferramental pode ficar muito próxima da frequência desejada e o erro é menor que o valor de tolerância especificado na otimização. Neste ponto, o projeto de ferramentas é basicamente determinado, seguido pelas tolerâncias de fabricação para o projeto de produção.

3.4 Design de tolerância

O projeto estrutural geral é concluído após todos os parâmetros de projeto terem sido determinados, mas para problemas de engenharia, especialmente quando se considera o custo de produção em massa, o projeto de tolerância é essencial. O custo da baixa precisão também é reduzido, mas a capacidade de atender às métricas de projeto requer cálculos estatísticos para cálculos quantitativos. O PDS Probability Design System no ANSYS pode analisar melhor a relação entre a tolerância do parâmetro de design e a tolerância do parâmetro de destino e pode gerar arquivos de relatório relacionados completos.

3.4.1 Configurações e cálculos de parâmetros do PDS

De acordo com a ideia do DFSS, a análise de tolerância deve ser realizada em parâmetros importantes de projeto, e outras tolerâncias gerais podem ser determinadas empiricamente. A situação neste artigo é bastante especial, porque de acordo com a capacidade de usinagem, a tolerância de fabricação dos parâmetros de projeto geométrico é muito pequena, e tem pouco efeito sobre a freqüência final do ferramental; enquanto os parâmetros de matérias-primas são muito diferentes devido aos fornecedores, e o preço das matérias-primas é responsável por mais de 80% dos custos de processamento de ferramentas. Portanto, é necessário definir um intervalo de tolerância razoável para as propriedades do material. As propriedades relevantes do material aqui são densidade, módulo de elasticidade e velocidade de propagação de ondas sonoras.

A análise de tolerância usa a simulação aleatória de Monte Carlo no ANSYS para amostrar o método Hipercubo Latino porque ele pode tornar a distribuição de pontos de amostragem mais uniforme e razoável, e obter melhor correlação por menos pontos. Este artigo define 30 pontos. Suponha que as tolerâncias dos três parâmetros do material sejam distribuídas de acordo com Gauss, inicialmente dado um limite superior e inferior, e então calculadas em ANSYS.

3.4.2 Análise dos resultados do PDS

Através do cálculo do PDS, são dados os valores da variável alvo correspondentes a 30 pontos de amostragem. A distribuição das variáveis ​​de destino é desconhecida. Os parâmetros são ajustados novamente usando o software Minitab e a frequência é basicamente distribuída de acordo com a distribuição normal. Isso garante a teoria estatística da análise de tolerância.

O cálculo do PDS fornece uma fórmula de ajuste da variável de design para a expansão de tolerância da variável de destino: onde y é a variável de destino, x é a variável de design, c é o coeficiente de correlação e i é o número da variável.

De acordo com isso, a tolerância de destino pode ser atribuída a cada variável de design para concluir a tarefa de design de tolerância.

3.5 Verificação experimental

A parte da frente é o processo de design de toda a ferramenta de soldagem. Após a conclusão, as matérias-primas são adquiridas de acordo com as tolerâncias de material permitidas pelo projeto e, em seguida, entregues à produção. A frequência e o teste modal são realizados após a conclusão da fabricação e o método de teste utilizado é o método de teste de atirador mais simples e eficaz. Como o índice mais preocupado é a frequência modal axial de primeira ordem, o sensor de aceleração é fixado à superfície de trabalho e a outra extremidade é atingida ao longo da direção axial, e a frequência real da ferramenta pode ser obtida por análise espectral. O resultado da simulação do projeto é de 14925 Hz, o resultado do teste é 14954 Hz, a resolução da frequência é de 16 Hz e o erro máximo é inferior a 1%. Pode-se observar que a precisão da simulação de elementos finitos no cálculo modal é muito alta.

Depois de passar no teste experimental, o ferramental é colocado em produção e montagem na máquina de solda ultrassônica. A condição de reação é boa. O trabalho está estável há mais de meio ano e a taxa de qualificação de soldagem é alta, o que excedeu a vida útil de três meses prometida pelo fabricante de equipamentos em geral. Isso mostra que o projeto é bem-sucedido e que o processo de fabricação não foi repetidamente modificado e ajustado, economizando tempo e mão de obra.

4. Conclusão

Este artigo começa com o princípio da soldagem plástica ultra-sônica, aprofunda profundamente o foco técnico da soldagem e propõe o conceito de design de novas ferramentas. Em seguida, use a poderosa função de simulação de elementos finitos para analisar o projeto concretamente e apresentar a idéia de design 6-Sigma do DFSS e controlar os parâmetros importantes do projeto através do projeto experimental ANSYS DOE e da análise de tolerância PDS para obter um design robusto. Finalmente, o ferramental foi fabricado com sucesso uma vez, e o projeto era razoável pelo teste de frequência experimental e pela verificação da produção real. Também prova que esse conjunto de métodos de projeto é viável e eficaz.