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Prefácio

Com o desenvolvimento da tecnologia ultrassônica, sua aplicação é cada vez mais extensa, podendo ser utilizado para limpar minúsculas partículas de sujeira, e também para soldagem de metal ou plástico. Especialmente nos produtos plásticos de hoje, a soldagem ultrassônica é usada principalmente, porque a estrutura do parafuso é omitida, a aparência pode ser mais perfeita e a função de impermeabilização e proteção contra poeira também é fornecida. O projeto da buzina de soldagem de plástico tem um impacto importante na qualidade da soldagem final e na capacidade de produção. Na produção de novos medidores elétricos, ondas ultrassônicas são usadas para fundir as faces superior e inferior. Porém, durante o uso, verifica-se que algumas buzinas são instaladas na máquina e trincadas e outras falhas ocorrem em um curto período de tempo. Alguns chifres de soldagem A taxa de defeitos é alta. Várias falhas tiveram um impacto considerável na produção. De acordo com o entendimento, os fornecedores de equipamentos têm recursos limitados de design para buzina e, muitas vezes, por meio de reparos repetidos para atingir os indicadores de design. Portanto, é necessário usar nossas próprias vantagens tecnológicas para desenvolver uma buzina durável e um método de design razoável.

2 Princípio de soldagem de plástico ultrassônico

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

2.1 Sistema de soldagem de plástico ultrassônico

A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema de soldagem. A energia elétrica é passada através do gerador de sinal e do amplificador de potência para produzir um sinal elétrico alternado de frequência ultrassônica (> 20 kHz) que é aplicado ao transdutor (cerâmica piezoelétrica). Por meio do transdutor, a energia elétrica se torna a energia da vibração mecânica, e a amplitude da vibração mecânica é ajustada pela buzina para a amplitude de trabalho apropriada e, a seguir, transmitida uniformemente ao material em contato com ela através da buzina. As superfícies de contato dos dois materiais de soldagem estão sujeitas a vibração forçada de alta frequência e o calor de atrito gera fusão local a alta temperatura. Após o resfriamento, os materiais são combinados para obter a soldagem.

Em um sistema de soldagem, a fonte de sinal é uma parte do circuito que contém um circuito amplificador de potência cuja estabilidade de frequência e capacidade de acionamento afetam o desempenho da máquina. O material é um termoplástico, e o design da superfície da junta deve levar em consideração como gerar calor e encaixar rapidamente. Transdutores, chifres e chifres podem ser considerados estruturas mecânicas para facilitar a análise do acoplamento de suas vibrações. Na soldagem de plástico, a vibração mecânica é transmitida na forma de ondas longitudinais. Como transferir energia de forma eficaz e ajustar a amplitude é o ponto principal do design.

2.2 chifre

A buzina 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 usado geralmente é uma liga de alumínio de alta qualidade ou mesmo uma liga de titânio. Como o design dos materiais plásticos muda muito, a aparência é muito diferente e a buzina deve mudar de acordo. A forma da superfície de trabalho deve ser bem combinada com o material, para não danificar o plástico ao vibrar; ao mesmo tempo, a frequência sólida de vibração longitudinal de primeira ordem deve ser coordenada com a frequência de saída da máquina de solda, caso contrário, a energia de vibração será consumida internamente. Quando a buzina vibra, ocorre concentração local de estresse. Como otimizar essas estruturas locais também é uma consideração de projeto. Este artigo explora como aplicar o design ANSYS para otimizar os parâmetros de design e as tolerâncias de fabricação.

3 design de chifre de soldagem

Conforme mencionado anteriormente, o design da corneta de soldagem é muito importante. Existem muitos fornecedores de equipamentos ultrassônicos na China que produzem seus próprios chifres de soldagem, mas uma parte considerável deles são imitações e, por isso, estão constantemente aparando e testando. Por meio desse método de ajuste repetido, a coordenação da buzina e da frequência do equipamento é alcançada. Neste artigo, o método dos elementos finitos pode ser usado para determinar a frequência ao projetar a buzina. O resultado do teste da buzina e o erro de frequência do projeto são de apenas 1%. Ao mesmo tempo, este artigo apresenta o conceito de DFSS (Design For Six Sigma) para otimizar o design robusto da buzina. O conceito de design 6-Sigma é coletar totalmente a voz do cliente no processo de design para 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 design, a estrutura e as dimensões da buzina são inicialmente projetadas de acordo com a experiência existente. O modelo paramétrico é estabelecido no ANSYS, e então 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 de subproblema para otimizar outros parâmetros. Levando em consideração a influência de materiais e parâmetros ambientais durante a fabricação e uso da buzina, ela também foi projetada com tolerâncias para atender aos requisitos de custos de fabricação. Finalmente, o projeto de fabricação, teste e teoria do teste e erro real, para atender aos indicadores de projeto que são entregues. A seguinte introdução detalhada passo a passo.

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3.1 Projeto de forma geométrica (estabelecendo um modelo paramétrico)

Projetar a ponta de solda primeiro determina sua forma geométrica e estrutura aproximadas e estabelece um modelo paramétrico para análise subsequente. A Figura 3 a) é o projeto da buzina de soldagem mais comum, em que várias ranhuras em forma de U são abertas na direção da vibração em um material de aproximadamente paralelepípedo. As dimensões gerais 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 à metade do comprimento de onda da onda ultrassônica, porque na teoria clássica da vibração, a frequência axial de primeira ordem do objeto alongado é determinada por seu comprimento, e o comprimento da meia onda é exatamente combinado com o acústico frequência de onda. Este design foi estendido. Use, é benéfico para a propagação das ondas sonoras. O objetivo da ranhura em forma de U é reduzir a perda de vibração lateral da buzina. A posição, tamanho e número são determinados de acordo com o tamanho total do chifre. Pode-se ver que neste projeto há menos parâmetros que podem ser regulados livremente, então fizemos melhorias nesta base. A Figura 3 b) é uma buzina recém-projetada que tem mais um parâmetro de tamanho do que o design tradicional: o raio do arco externo R. Além disso, a ranhura é gravada na superfície de trabalho da buzina para cooperar com a superfície da peça de plástico, o que é benéfico para transmitir energia de vibração e proteger a peça de trabalho contra danos. Este modelo é rotineiramente modelado parametricamente no ANSYS, e então o próximo projeto experimental.

3.2 Projeto experimental DOE (determinação de parâmetros importantes)

O DFSS foi criado para resolver problemas práticos de engenharia. Ele não busca a perfeição, mas é eficaz e robusto. Ele incorpora a ideia do 6-Sigma, captura a contradição principal e abandona “99,97%”, enquanto exige que o projeto seja bastante resistente à variabilidade ambiental. Portanto, antes de fazer a otimização do parâmetro alvo, deve-se primeiro fazer a triagem e selecionar o tamanho que tem influência importante na estrutura, e seus valores devem ser determinados de acordo com o princípio de robustez.

3.2.1 Configuração de parâmetros DOE e DOE

Os parâmetros do projeto são a forma da corneta 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 máxima concentrada e a diferença na amplitude da superfície de trabalho são limitadas como variáveis ​​de estado. Com base na experiência, presume-se que o efeito dos parâmetros nos resultados é linear, de modo que cada fator é definido apenas em dois níveis, alto e baixo. A lista de parâmetros e nomes correspondentes é a seguinte.

O DOE é executado no ANSYS usando o modelo paramétrico previamente estabelecido. Devido às limitações do software, o DOE de fator completo só pode usar até 7 parâmetros, enquanto o modelo tem 8 parâmetros e a análise do ANSYS dos resultados do DOE não é tão abrangente quanto o software profissional 6-sigma e não pode lidar com a interação. Portanto, usamos APDL para escrever 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 DOE

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

Os resultados da análise da buzina de soldagem neste artigo são: os parâmetros de projeto importantes são o raio do arco externo e a largura da ranhura da buzina. O nível de ambos os parâmetros é “alto”, ou seja, o raio assume um valor maior no DOE e a largura da ranhura também assume um valor maior. Os parâmetros importantes e seus valores foram determinados e, em seguida, vários outros parâmetros foram usados ​​para otimizar o projeto no ANSYS para ajustar a frequência da buzina para corresponder à frequência de operação da máquina de solda. O processo de otimização é o seguinte.

3.3 Otimização do parâmetro de destino (frequência da sirene)

As configurações dos parâmetros da otimização do projeto 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 ruído e não podem ser otimizadas. Os três parâmetros restantes que podem ser ajustados são a posição axial da ranhura, o comprimento e a largura da buzina. A otimização usa o método de aproximação de subproblemas em ANSYS, que é um método amplamente usado em problemas de engenharia, e o processo específico é omitido.

É importante notar que usar a frequência como a variável de destino requer um pouco de habilidade de operação. Como há muitos parâmetros de projeto e uma ampla faixa de variação, os modos de vibração da buzina são muitos na faixa de frequência de interesse. Se o resultado da análise modal for usado diretamente, é difícil encontrar o modo axial de primeira ordem, porque a intercalação da sequência modal pode ocorrer quando os parâmetros mudam, ou seja, o ordinal da frequência natural correspondente ao modo original muda. Portanto, este artigo adota primeiro a análise modal e, em seguida, usa o método de sobreposição modal para obter a curva de resposta em frequência. Ao encontrar o valor de pico da curva de resposta de frequência, ele pode garantir a frequência modal correspondente. Isso é muito importante no processo de otimização automática, eliminando a necessidade de determinar manualmente a modalidade.

Depois que a otimização for concluída, a frequência de trabalho do projeto da buzina pode estar muito próxima da frequência alvo e o erro é menor que o valor de tolerância especificado na otimização. Neste ponto, o projeto da buzina é basicamente determinado, seguido pelas tolerâncias de fabricação para o projeto de produção.

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3.4 Projeto de tolerância

O projeto estrutural geral é concluído após todos os parâmetros do projeto terem sido determinados, mas para problemas de engenharia, especialmente quando se considera o custo de produção em massa, o projeto com 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 do projeto e a tolerância do parâmetro alvo e pode gerar arquivos de relatório relacionados completos.

3.4.1 Configurações e cálculos de parâmetros PDS

De acordo com a ideia do DFSS, a análise de tolerância deve ser realizada em parâmetros de projeto importantes, 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 desenho geométrico é muito pequena e tem pouco efeito na frequência final da buzina; enquanto os parâmetros das matérias-primas são muito diferentes devido aos fornecedores, e o preço das matérias-primas representa mais de 80% dos custos de processamento do chifre. Portanto, é necessário definir uma faixa de tolerância razoável para as propriedades do material. As propriedades relevantes do material aqui são densidade, módulo de elasticidade e velocidade de propagação da onda sonora.

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

3.4.2 Análise de resultados de 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 projeto para a expansão de tolerância da variável de destino: onde y é a variável de destino, x é a variável de projeto, c é o coeficiente de correlação ei é o número da variável.

De acordo com isso, a tolerância alvo pode ser atribuída a cada variável de projeto para completar a tarefa de projeto de tolerância.

3.5 Verificação experimental

A parte frontal é o processo de design de toda a buzina de soldagem. Após a finalização, as matérias-primas são adquiridas de acordo com as tolerâncias de material permitidas pelo projeto, e posteriormente entregues para a fabricação. Os testes modais e de frequência são realizados após a fabricação ser concluída, e o método de teste usado é o método de teste de atirador mais simples e eficaz. Como o índice mais envolvido é a frequência modal axial de primeira ordem, o sensor de aceleração é conectado à superfície de trabalho e a outra extremidade é batida ao longo da direção axial, e a frequência real da buzina pode ser obtida por análise espectral. O resultado da simulação do projeto é 14925 Hz, o resultado do teste é 14954 Hz, a resolução da frequência é 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 chifre 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, excedendo a vida útil de três meses prometida pelo fabricante do equipamento geral. Isso mostra que o projeto foi bem-sucedido e o processo de fabricação não foi modificado e ajustado repetidamente, economizando tempo e mão de obra.

4. Conclusão

Este artigo começa com o princípio da soldagem ultrassônica de plástico, apreende profundamente o foco técnico da soldagem e propõe o conceito de design de um novo chifre. Em seguida, use a poderosa função de simulação de elemento finito para analisar o projeto de forma concreta e apresentar a ideia de projeto 6-Sigma do DFSS e controlar os parâmetros de projeto importantes por meio do projeto experimental ANSYS DOE e da análise de tolerância do PDS para obter um projeto robusto. Finalmente, a corneta foi fabricada com sucesso uma vez, e o projeto foi razoável pelo teste de frequência experimental e pela verificação da produção real. Também prova que este conjunto de métodos de design é viável e eficaz.


Horário da postagem: 04/11/2020