חֲדָשׁוֹת

הַקדָמָה
עם התפתחות הטכנולוגיה האולטראסונית, היישום שלה נרחב יותר ויותר, בעזרתו ניתן לנקות חלקיקי לכלוך זעירים, והוא יכול לשמש גם לריתוך מתכת או פלסטיק. במיוחד במוצרי הפלסטיק של ימינו משתמשים בעיקר בריתוך קולי, מכיוון שמבנה הבורג מושמט, המראה יכול להיות מושלם יותר, ותפקוד של איטום ואיטום אבק מסופק גם כן. לעיצוב קרן הריתוך מפלסטיק יש השפעה חשובה על איכות הריתוך הסופית ועל כושר הייצור. בייצור של מטרים חשמליים חדשים, משתמשים בגלי אולטרסאונד כדי למזג את הפנים העליונות והתחתונות. עם זאת, במהלך השימוש נמצא כי כלים מסוימים מותקנים על המכונה וסדקים ותקלות אחרות מתרחשות בפרק זמן קצר. כמה מוצרי ריתוך כלים קצב הפגמים גבוה. לתקלות שונות הייתה השפעה ניכרת על הייצור. על פי ההבנה, לספקי הציוד יכולות תכנון מוגבלות לייצור כלים ולעיתים קרובות באמצעות תיקונים חוזרים להשגת אינדיקטורים עיצוביים. לכן, יש צורך להשתמש ביתרונות הטכנולוגיים שלנו כדי לפתח כלים עמידים ושיטת תכנון סבירה.
2 עקרון ריתוך פלסטי אולטרסוני
ריתוך פלסטיק אולטרסאונד הוא שיטת עיבוד המשתמשת בשילוב של תרמופלסטיים בתנודה המאולצת בתדירות גבוהה, ומשטחי הריתוך מתחככים זה בזה כדי לייצר התכה מקומית בטמפרטורה גבוהה. על מנת להשיג תוצאות ריתוך קולי טובות, נדרש ציוד, חומרים ופרמטרים של תהליך. להלן מבוא קצר לעקרונו.
2.1 מערכת ריתוך פלסטיק אולטרסאונד
איור 1 הוא מבט סכמטי של מערכת ריתוך. האנרגיה החשמלית עוברת דרך מחולל האותות ומגבר הכוח כדי לייצר אות חשמלי לסירוגין בתדר קולי (> 20 קילוהרץ) המופעל על המתמר (קרמיקה פיזואלקטרית). באמצעות המתמר, האנרגיה החשמלית הופכת לאנרגיית הרטט המכני, ומשרעת הרטט המכני מותאמת על ידי הצופר למשרעת העבודה המתאימה, ואז מועברת באופן אחיד לחומר במגע עמו דרך ראש הכלי (ריתוך כלים). משטחי המגע של שני חומרי הריתוך נתונים לרטט מאולץ בתדירות גבוהה, וחום החיכוך מייצר התכה מקומית בטמפרטורה גבוהה. לאחר הקירור משולבים החומרים להשגת ריתוך.

במערכת ריתוך, מקור האות הוא חלק מעגל המכיל מעגל מגבר כוח אשר יציבות התדר ויכולת הכונן שלו משפיעות על ביצועי המכונה. החומר הוא תרמופלסטי, ועיצוב משטח המפרק צריך לשקול כיצד לייצר חום ועגינה במהירות. מתמרים, קרניים וראשי כלים יכולים להיחשב כמבנים מכניים לניתוח קל של צימוד התנודות שלהם. בריתוך פלסטי רטט מכני מועבר בצורה של גלים אורכיים. כיצד להעביר אנרגיה בצורה יעילה ולהתאים את המשרעת היא עיקר התכנון.
2.2 ראש כלים (ריתוך)
ראש הכלי משמש כממשק מגע בין מכונת הריתוך הקולי לחומר. תפקידה העיקרי הוא להעביר את הרטט המכני האורך שהופך על ידי המשתנה באופן שווה ויעיל לחומר. החומר המשמש הוא בדרך כלל סגסוגת אלומיניום איכותית או אפילו סגסוגת טיטניום. מכיוון שעיצוב חומרים פלסטיים משתנה מאוד, המראה שונה מאוד, וראש הכלים צריך להשתנות בהתאם. צורת משטח העבודה צריכה להיות מותאמת היטב עם החומר, כדי לא לפגוע בפלסטיק בעת רטט; יחד עם זאת, יש לתאם את תדר המוצק של הרטט האורך מסדר ראשון עם תדר המוצא של מכונת הריתוך, אחרת אנרגיית הרטט תצרך באופן פנימי. כאשר ראש הכלים רוטט, מתרחש ריכוז מתח מקומי. כיצד לייעל את המבנים המקומיים הללו הוא גם שיקול עיצובי. מאמר זה בוחן כיצד ליישם ראשי כלי עיצוב ANSYS לייעול פרמטרי העיצוב וסבילות הייצור.
3 תכנון כלי ריתוך
כפי שצוין קודם לכן, עיצוב כלי הריתוך חשוב למדי. ישנם ספקי ציוד קולי רבים בסין המייצרים כלי ריתוך משלהם, אך חלק ניכר מהם הם חיקויים ואז הם כל הזמן גוזמים ובודקים. באמצעות שיטת התאמה חוזרת זו מושגת תיאום כלים ותדירות הציוד. במאמר זה ניתן להשתמש בשיטת האלמנטים הסופית לקביעת התדירות בעת תכנון הכלים. תוצאת בדיקת הכלים ושגיאת תדירות התכנון הם 1% בלבד. יחד עם זאת, מאמר זה מציג את הרעיון של DFSS (Design For Six Sigma) כדי לייעל ולתכנן את כלי העבודה בצורה מיטבית. הרעיון של עיצוב 6-סיגמא הוא לאסוף באופן מלא את קול הלקוח בתהליך העיצוב לתכנון ממוקד; ושיקול מקדים של סטיות אפשריות בתהליך הייצור על מנת להבטיח כי איכות המוצר הסופי מופצת ברמה סבירה. תהליך התכנון מוצג באיור 2. החל מפיתוח מדדי התכנון, מבנה הכלי והמידות תוכננו בתחילה בהתאם לחוויה הקיימת. המודל הפרמטרי נקבע ב- ANSYS, ואז המודל נקבע על ידי שיטת תכנון ניסוי הסימולציה (DOE). פרמטרים חשובים, על פי הדרישות החזקות, קובעים את הערך ואז משתמשים בשיטת תת הבעיה כדי לייעל פרמטרים אחרים. בהתחשב בהשפעת החומרים והפרמטרים הסביבתיים במהלך הייצור והשימוש בכלי העבודה, הוא תוכנן גם עם סובלנות לעמוד בדרישות עלויות הייצור. לבסוף, תכנון הייצור, הבדיקה ותורת הבדיקה והטעות בפועל, כדי לעמוד באינדיקטורי התכנון המועברים. ההקדמה המפורטת שלב אחר שלב.
3.1 תכנון צורה גיאומטרית (הקמת מודל פרמטרי)
תכנון כלי הריתוך קובע תחילה את צורתו והמבנה הגאומטריים המשוער שלו וקובע מודל פרמטרי לניתוח הבא. איור 3 א) הוא תכנון כלי הריתוך הנפוץ ביותר, בו נפתחים מספר חריצים בצורת U בכיוון הרטט על חומר של קובוביות בערך. המידות הכלליות הן אורכי כיווני X, Y ו- Z, והממדים הרוחביים X ו- Y הם בדרך כלל דומים לגודל החומר המולחם. אורכו של Z שווה לחצי הגל של הגל הקולי, מכיוון שבתיאוריית הרטט הקלאסית, תדר הציריות מסדר ראשון של האובייקט המוארך נקבע על פי אורכו, ואורך חצי הגל מותאם במדויק לאקוסטי. תדר גל. עיצוב זה הורחב. השימוש מועיל להתפשטות גלי הקול. מטרת החריץ בצורת U היא להפחית את אובדן הרטט לרוחב של הכלים. המיקום, הגודל והמספר נקבעים על פי הגודל הכללי של הכלים. ניתן לראות כי בתכנון זה ישנם פחות פרמטרים הניתנים לוויסות חופשי, ולכן ביצענו שיפורים על בסיס זה. איור 3 ב ') הוא כלי חדש שתוכנן ובו פרמטר גודל אחד יותר מהעיצוב המסורתי: רדיוס הקשת החיצוני R. בנוסף, החריץ נחרט על משטח העבודה של הכלי כדי לשתף פעולה עם משטח היצירה הפלסטית, אשר מועיל להעביר אנרגיית רטט ולהגן על החומר מפני נזק. מודל זה מעוצב באופן שגרתי באופן פרמטרי ב- ANSYS, ואז בתכנון הניסוי הבא.
3.2 תכנון ניסיוני של DOE (קביעת פרמטרים חשובים)
DFSS נוצר כדי לפתור בעיות הנדסיות. זה לא רודף אחר שלמות, אבל הוא יעיל וחזק. זה מגלם את הרעיון של 6-Sigma, לוכד את הסתירה העיקרית וזונח את "99.97%", תוך שהוא דורש מהעיצוב להיות עמיד למדי בפני שונות סביבתית. לכן, לפני ביצוע אופטימיזציה של פרמטר היעד, יש לסנן אותו תחילה, ולבחור את הגודל בעל ההשפעה החשובה על המבנה, ולקבוע את ערכיהם על פי עקרון החוסן.
3.2.1 הגדרת פרמטר DOE ו- DOE
הפרמטרים העיצוביים הם צורת הכלים ומיקום הגודל של החריץ בצורת U וכו ', סך הכל שמונה. פרמטר היעד הוא תדר הרעידות הצירית מסדר ראשון מכיוון שיש לו את ההשפעה הגדולה ביותר על הריתוך, והמתח המרוכז המרבי וההבדל במשרעת משטח העבודה מוגבלים כמשתני מצב. על סמך הניסיון, ההנחה היא כי השפעת הפרמטרים על התוצאות היא ליניארית, ולכן כל גורם מוגדר לשתי רמות, גבוהות ונמוכות. רשימת הפרמטרים והשמות המתאימים היא כדלקמן.
DOE מבוצע ב- ANSYS באמצעות המודל הפרמטרי שהוקם בעבר. בשל מגבלות תוכנה, DOE עם גורם מלא יכול להשתמש רק בעד 7 פרמטרים, בעוד שהמודל כולל 8 פרמטרים, והניתוח של ANSYS על תוצאות DOE אינו מקיף כמו תוכנת 6 סיגמה מקצועית ואינו יכול להתמודד עם אינטראקציה. לכן, אנו משתמשים ב- APDL כדי לכתוב לולאת DOE כדי לחשב ולמצות את תוצאות התוכנית, ואז מכניסים את הנתונים ל- Minitab לצורך ניתוח.
3.2.2 ניתוח תוצאות DOE
ניתוח ה- DOE של Minitab מוצג באיור 4 וכולל את ניתוח גורמי ההשפעה העיקריים וניתוח האינטראקציה. ניתוח הגורמים המשפיעים העיקרי משמש לקביעת אילו שינויים במשתני העיצוב משפיעים יותר על משתנה היעד, ובכך מצוין אילו משתני תכנון חשובים. לאחר מכן נותח האינטראקציה בין הגורמים כדי לקבוע את רמת הגורמים ולהפחית את מידת הצמדות בין משתני התכנון. השווה את מידת השינוי של גורמים אחרים כאשר גורם עיצוב גבוה או נמוך. על פי האקסיומה העצמאית, העיצוב האופטימלי אינו צמוד זה לזה, לכן בחר ברמה המשתנה פחות.
תוצאות הניתוח של כלי הריתוך במאמר זה הן: פרמטרי התכנון החשובים הם רדיוס הקשת החיצוני ורוחב החריץ של הכלי. הרמה של שני הפרמטרים היא "גבוהה", כלומר, הרדיוס לוקח ערך גדול יותר ב- DOE, ורוחב החריץ לוקח גם ערך גדול יותר. הפרמטרים החשובים וערכיהם נקבעו, ואז השתמשו בכמה פרמטרים אחרים כדי לייעל את התכנון ב- ANSYS כדי להתאים את תדר הכלים כך שיתאים לתדירות ההפעלה של מכונת הריתוך. תהליך האופטימיזציה הוא כדלקמן.
3.3 אופטימיזציה של פרמטר היעד (תדירות הכלים)
הגדרות הפרמטרים של מיטוב העיצוב דומות לאלו של ה- DOE. ההבדל הוא שערכי שני הפרמטרים החשובים נקבעו ושלושת הפרמטרים האחרים קשורים לתכונות החומר, הנחשבות לרעש ולא ניתן לייעל אותן. שלושת הפרמטרים הנותרים הניתנים לכוונון הם המיקום הצירי של החריץ, האורך ורוחב הכלים. האופטימיזציה משתמשת בשיטת קירוב תת-הבעיה ב- ANSYS, שהיא שיטה נפוצה בבעיות הנדסיות, והתהליך הספציפי מושמט.
ראוי לציין כי שימוש בתדר כמשתנה היעד דורש מעט מיומנות בתפעול. מכיוון שיש פרמטרים רבים לעיצוב ומגוון רחב של וריאציות, מצבי הרטט של הכלים רבים בתחום התדרים שמעניין. אם נעשה שימוש ישיר בתוצאת הניתוח המודאלי, קשה למצוא את מצב הציריות מסדר ראשון, מכיוון ששרשור הרצף המודאלי עשוי להתרחש כאשר הפרמטרים משתנים, כלומר סידור התדרים הטבעי המתאים למצב המקורי. לכן, מאמר זה מאמץ תחילה את הניתוח המודאלי, ואז משתמש בשיטת הסופרפוזיציה המודאלית כדי להשיג את עקומת תגובת התדרים. על ידי מציאת ערך השיא של עקומת תגובת התדרים, היא יכולה להבטיח את התדר המודאלי המתאים. זה חשוב מאוד בתהליך האופטימיזציה האוטומטי, מבטל את הצורך בקביעת האופן באופן ידני.
לאחר סיום האופטימיזציה, תדר עבודת התכנון של הכלים יכול להיות קרוב מאוד לתדר היעד, והשגיאה נמוכה מערך הסובלנות המצוין באופטימיזציה. בשלב זה, עיצוב הכלים נקבע בעצם, ואחריו סובלנות ייצור לתכנון הייצור.
3.4 תכנון סובלנות
התכנון המבני הכללי הושלם לאחר שנקבעו כל פרמטרי התכנון, אך לבעיות הנדסיות, במיוחד כאשר בוחנים את עלות הייצור ההמוני, תכנון הסובלנות הוא חיוני. עלות הדיוק הנמוך מופחתת, אך היכולת לעמוד במדדי התכנון דורשת חישובים סטטיסטיים לצורך חישובים כמותיים. מערכת תכנון ההסתברות PDS ב- ANSYS יכולה לנתח טוב יותר את הקשר בין סובלנות פרמטר עיצוב לסובלנות פרמטר יעד, ויכולה ליצור קבצי דוחות קשורים מלאים.
3.4.1 הגדרות פרמטר PDS וחישובים
על פי הרעיון של DFSS, יש לבצע ניתוח סובלנות על פרמטרים חשובים של התכנון, וניתן לקבוע אמפיריות סובלנות כלליות אחרות. המצב בעיתון זה הוא מיוחד למדי, מכיוון שעל פי יכולת העיבוד שבבי, סובלנות הייצור של פרמטרי העיצוב הגיאומטרי היא קטנה מאוד, ומשפיעה מעט על תדירות הכלים הסופית; בעוד שהפרמטרים של חומרי הגלם שונים מאוד בגלל הספקים, ומחיר חומרי הגלם מהווה יותר מ -80% מעלויות העיבוד של כלי עבודה. לכן, יש צורך לקבוע טווח סבילות סביר לתכונות החומר. מאפייני החומר הרלוונטיים כאן הם צפיפות, מודול גמישות ומהירות התפשטות גלי הקול.
ניתוח סובלנות משתמש בסימולציה אקראית של מונטה קרלו ב- ANSYS כדי לדגום את שיטת Hypercube הלטינית מכיוון שהיא יכולה להפוך את התפלגות נקודות הדגימה לאחידות וסבירות יותר, ולקבל מתאם טוב יותר בפחות נקודות. מאמר זה קובע 30 נקודות. נניח שהסבילות של שלושת הפרמטרים החומריים מופצים על פי גאוס, בהתחלה ניתנים לגבול עליון ותחתון, ואז מחושבים ב- ANSYS.
3.4.2 ניתוח תוצאות PDS
באמצעות חישוב PDS ניתנים ערכי משתני היעד התואמים 30 נקודות דגימה. התפלגות משתני היעד אינה ידועה. הפרמטרים מותאמים שוב באמצעות תוכנת Minitab, והתדירות בעצם מופצת על פי ההתפלגות הרגילה. זה מבטיח את התיאוריה הסטטיסטית של ניתוח סובלנות.
חישוב ה- PDS נותן נוסחה הולמת ממשתנה העיצוב להרחבת הסובלנות של משתנה היעד: כאשר y הוא משתנה היעד, x הוא משתנה העיצוב, c הוא מקדם המתאם, ו- i הוא המספר המשתנה.

לפי זה, ניתן להקצות את סובלנות היעד לכל משתנה עיצוב כדי להשלים את המשימה של תכנון סובלנות.
3.5 אימות ניסיוני
החלק הקדמי הוא תהליך התכנון של כלי הריתוך כולו. לאחר השלמתם, חומרי הגלם נרכשים על פי סובלנות החומר המותרת על ידי התכנון, ואז מועברים לייצור. בדיקות תדרים ומודלים מבוצעות לאחר סיום הייצור, ושיטת הבדיקה בה משתמשים היא שיטת בדיקת הצלפים הפשוטה והיעילה ביותר. מכיוון שהמדד המודאג ביותר הוא תדר המודאלי הצירי מסדר ראשון, חיישן ההאצה מחובר למשטח העבודה, והקצה השני נפגע בכיוון הצירי, ואת התדירות האמיתית של הכלים ניתן להשיג על ידי ניתוח ספקטרלי. תוצאת הסימולציה של התכנון היא 14925 הרץ, תוצאת הבדיקה היא 14954 הרץ, רזולוציית התדרים היא 16 הרץ, והשגיאה המקסימלית נמוכה מ -1%. ניתן לראות כי הדיוק של הדמיית האלמנטים הסופיים בחישוב המודאלי הוא גבוה מאוד.
לאחר שעבר את המבחן הניסיוני, מכניסים את הכלים לייצור והרכבה במכונת הריתוך הקולי. מצב התגובה טוב. העבודה יציבה יותר מחצי שנה ושיעור ההסמכה לריתוך גבוה, אשר חרג מחיי השירות של שלושה חודשים שהבטיח יצרן הציוד הכללי. זה מראה שהתכנון מוצלח, ותהליך הייצור לא שונה והותאם שוב ושוב, וחסך זמן וכוח אדם.
4. מסקנה
מאמר זה מתחיל בעקרון ריתוך פלסטיק אולטרסאונד, תופס עמוקות את המוקד הטכני של הריתוך ומציע את הרעיון העיצובי של כלים חדשים. לאחר מכן השתמש בפונקציית הסימולציה החזקה של אלמנט סופי כדי לנתח את התכנון באופן קונקרטי, והציג את רעיון העיצוב 6-Sigma של DFSS, ושלוט בפרמטרי העיצוב החשובים באמצעות תכנון ניסיוני ANSYS DOE וניתוח סובלנות PDS להשגת עיצוב חזק. לבסוף, הכלים יוצרו בהצלחה פעם אחת, והתכנון היה סביר על ידי בדיקת התדרים הניסויית ואימות הייצור בפועל. זה גם מוכיח שמערך שיטות העיצוב הזה הוא בר ביצוע ויעיל.


זמן ההודעה: נוב-04-2020