Muqaddima
Ultratovush texnologiyasining rivojlanishi bilan uning qo'llanilishi tobora kengayib bormoqda, u mayda axloqsizlik zarralarini tozalashda, shuningdek metall yoki plastmassani payvandlashda ishlatilishi mumkin. Ayniqsa, bugungi plastik mahsulotlarda ultratovushli payvandlash asosan qo'llaniladi, chunki vintlar konstruktsiyasi chiqarib tashlangan, tashqi ko'rinishi yanada mukammal bo'lishi mumkin, shuningdek suv o'tkazmaydigan va chang o'tkazmaydigan vazifasi ham ta'minlangan. Plastmassa payvandlash shoxining dizayni oxirgi payvandlash sifati va ishlab chiqarish quvvatiga ta'sir qiladi. Yangi elektr hisoblagichlarni ishlab chiqarishda ultratovush to'lqinlari yuqori va pastki yuzlarni birlashtirish uchun ishlatiladi. Biroq, foydalanish paytida ba'zi bir dastgohlar dastgohga o'rnatilib, yorilib ketgani va boshqa nosozliklar qisqa vaqt ichida sodir bo'lishi aniqlandi. Ba'zi asboblarni payvandlash mahsulotlarida nuqson darajasi yuqori. Turli nosozliklar ishlab chiqarishga sezilarli ta'sir ko'rsatdi. Tushunishlarga ko'ra, uskunalarni etkazib beruvchilar asbobsozlik uchun cheklangan dizayn imkoniyatlariga ega va ko'pincha dizayn ko'rsatkichlariga erishish uchun takroriy ta'mirlash orqali. Shuning uchun bardoshli asbobsozlik va oqilona loyihalash usulini ishlab chiqish uchun o'zimizning texnologik afzalliklarimizdan foydalanish zarur.
2 Ultrasonik plastik payvandlash printsipi
Ultrasonik plastik payvandlash - bu yuqori chastotali majburiy tebranishdagi termoplastiklarning birikmasidan foydalanadigan ishlov berish usuli va payvandlash sirtlari mahalliy yuqori haroratli eritma hosil qilish uchun bir-biriga ishqalanadi. Yaxshi ultratovushli payvandlash natijalariga erishish uchun uskunalar, materiallar va jarayon parametrlari talab qilinadi. Quyida uning printsipi haqida qisqacha ma'lumot berilgan.
2.1 Ultrasonik plastik payvandlash tizimi
1-rasm - payvandlash tizimining sxematik ko'rinishi. Elektr energiyasi transduserga (piezoelektrik keramika) qo'llaniladigan ultratovush chastotasining (> 20 kHz) o'zgaruvchan elektr signalini ishlab chiqarish uchun signal generatori va quvvat kuchaytirgichidan o'tkaziladi. Transduser orqali elektr energiyasi mexanik tebranish energiyasiga aylanadi va mexanik tebranish amplitudasi shox tomonidan tegishli ish amplitudasiga o'rnatiladi va keyin u bilan aloqa qiladigan materialga asbob boshi orqali (payvandlash) bir xil tarzda uzatiladi. asbobsozlik). Ikkala payvandlash materiallarining aloqa yuzalari yuqori chastotali majburiy tebranishga ta'sir qiladi va ishqalanish issiqligi mahalliy yuqori haroratli eritishni hosil qiladi. Sovutgandan so'ng, payvandlashga erishish uchun materiallar birlashtiriladi.

Payvandlash tizimida signal manbai chastota barqarorligi va qo'zg'alish qobiliyati mashinaning ishlashiga ta'sir qiladigan quvvat kuchaytirgich sxemasini o'z ichiga olgan elektron qismdir. Materiallar termoplastikdir va bo'g'inlar yuzasi dizayni qanday qilib issiqlik va dockni tezda ishlab chiqarishni ko'rib chiqishi kerak. Transduserlar, shoxlar va asbob boshlari ularning tebranishlarining birikishini oson tahlil qilish uchun mexanik tuzilmalar deb qaralishi mumkin. Plastik payvandlashda mexanik tebranish uzunlamasına to'lqinlar shaklida uzatiladi. Energiyani qanday samarali o'tkazish va amplitudani sozlash - bu dizaynning asosiy nuqtasidir.
2.2 Asbob boshi (payvandlash moslamalari)
Asbob boshi ultratovushli payvandlash apparati va material o'rtasidagi aloqa interfeysi bo'lib xizmat qiladi. Uning asosiy vazifasi variator chiqargan uzunlamasına mexanik tebranishni materialga bir tekis va samarali etkazishdir. Amaldagi material odatda yuqori sifatli alyuminiy qotishmasi yoki hatto titanium qotishmasidir. Plastmassa materiallarining dizayni juda o'zgarib ketganligi sababli, tashqi ko'rinishi juda boshqacha va asbob boshi shunga mos ravishda o'zgarishi kerak. Ishlayotgan sirt shakli material bilan yaxshi mos tushishi kerak, shunda tebranish paytida plastmassaga zarar bermaslik kerak; Shu bilan birga, birinchi darajali uzunlamasına tebranish qattiq chastotasi payvandlash mashinasining chiqish chastotasi bilan muvofiqlashtirilishi kerak, aks holda tebranish energiyasi ichki iste'mol qilinadi. Asbobning boshi tebranganda, mahalliy stress kontsentratsiyasi paydo bo'ladi. Ushbu mahalliy tuzilmalarni qanday qilib optimallashtirish kerakligi ham dizaynni ko'rib chiqadi. Ushbu maqola dizayn parametrlarini va ishlab chiqarish toleranslarini optimallashtirish uchun ANSYS dizayn vositalarining boshlarini qanday qo'llashni o'rganadi.
3 ta payvandlash asboblarini loyihalash
Avval aytib o'tganimizdek, payvandlash moslamasining dizayni juda muhimdir. Xitoyda o'zlarining payvandlash vositalarini ishlab chiqaradigan ko'plab ultratovushli uskunalarni etkazib beruvchilar mavjud, ammo ularning katta qismi taqliddir, keyin ular doimo qirqib, sinovdan o'tkazadilar. Ushbu takroriy sozlash usuli yordamida asboblar va uskunalar chastotasini muvofiqlashtirishga erishiladi. Ushbu maqolada asboblarni loyihalashda chastotani aniqlash uchun cheklangan elementlar usuli qo'llanilishi mumkin. Asbob sinovlari natijasi va dizayndagi chastotali xatolik atigi 1% ni tashkil qiladi. Shu bilan birga, ushbu maqolada asboblarni optimallashtirish va mustahkam dizayni uchun DFSS (Design For Six Sigma) tushunchasi keltirilgan. 6-Sigma dizaynining kontseptsiyasi - maqsadli dizayn uchun dizayn jarayonida mijozning ovozini to'liq yig'ish; va yakuniy mahsulot sifatini oqilona darajada taqsimlanishini ta'minlash uchun ishlab chiqarish jarayonida yuzaga kelishi mumkin bo'lgan og'ishlarni oldindan ko'rib chiqish. Loyihalash jarayoni 2-rasmda keltirilgan. Loyihalash ko'rsatkichlarini ishlab chiqishdan boshlab, dastgohning tuzilishi va o'lchamlari dastlab mavjud tajribaga muvofiq ishlab chiqilgan. Parametrik model ANSYS-da o'rnatiladi, so'ngra model simulyatsiya tajribasini loyihalash (DOE) usuli bilan aniqlanadi. Muhim parametrlar, qat'iy talablarga muvofiq, qiymatni aniqlaydi, so'ngra boshqa parametrlarni optimallashtirish uchun pastki muammo usulidan foydalanadi. Asbobni ishlab chiqarish va ishlatish paytida materiallar va atrof-muhit parametrlarining ta'sirini hisobga olgan holda, u ishlab chiqarish xarajatlari talablariga javob beradigan bardoshlik bilan ishlab chiqilgan. Va nihoyat, ishlab chiqarish, sinov va sinov nazariyasining dizayni va haqiqiy xatosi, etkazib beriladigan dizayn ko'rsatkichlarini qondirish uchun. Quyidagi bosqichma-bosqich batafsil kirish.
3.1 Geometrik shakl dizayni (parametrli modelni yaratish)
Payvandlash moslamasini loyihalash avval uning taxminiy geometrik shakli va tuzilishini aniqlaydi va keyingi tahlil qilish uchun parametrli modelni o'rnatadi. Shakl 3 a) - bu eng keng tarqalgan payvandlash dastgohi dizayni bo'lib, unda taxminan kuboidli materialga tebranish yo'nalishi bo'yicha bir qator U shaklidagi oluklar ochiladi. Umumiy o'lchamlar X, Y va Z yo'nalishlarining uzunliklari bo'lib, lateral o'lchamlar X va Y odatda payvandlanadigan ishlov beriladigan qismning o'lchamlari bilan taqqoslanadi. Z uzunligi ultratovush to'lqinining yarim to'lqin uzunligiga teng, chunki klassik tebranish nazariyasida cho'zilgan ob'ektning birinchi darajali o'qi chastotasi uning uzunligi bilan aniqlanadi va yarim to'lqin uzunligi akustik bilan to'liq mos keladi to'lqin chastotasi. Ushbu dizayn kengaytirildi. Foydalanish, tovush to'lqinlarining tarqalishi uchun foydalidir. U shaklidagi yivning maqsadi asbobning lateral tebranishini yo'qotishini kamaytirishdir. Joylashuvi, o'lchami va raqami asbobning umumiy hajmiga qarab belgilanadi. Ko'rinib turibdiki, ushbu dizaynda erkin tartibga solinadigan parametrlar kamroq, shuning uchun biz shu asosda yaxshilanishlarni amalga oshirdik. Shakl 3 b) bu ​​an'anaviy dizaynga qaraganda yana bitta kattalik parametriga ega bo'lgan yangi ishlab chiqilgan asbobdir: tashqi kamon radiusi R. Bundan tashqari, plastmassa buyumlar yuzasi bilan hamkorlik qilish uchun asbobning ishchi yuzasida o'yiq o'yilgan, bu tebranish energiyasini uzatish va ishlov beriladigan qismni shikastlanishdan himoya qilish uchun foydalidir. Ushbu model muntazam ravishda ANSYS-da va keyinchalik keyingi eksperimental dizaynda parametrli ravishda modellashtirilgan.
3.2 DOE eksperimental dizayni (muhim parametrlarni aniqlash)
DFSS amaliy muhandislik muammolarini hal qilish uchun yaratilgan. U mukammallikka intilmaydi, ammo samarali va mustahkamdir. U 6-Sigma g'oyasini o'zida mujassam etadi, asosiy qarama-qarshilikni aks ettiradi va "99,97%" dan voz kechadi, shu bilan birga dizayn atrof-muhit o'zgaruvchanligiga juda chidamli bo'lishini talab qiladi. Shuning uchun, maqsadli parametrlarni optimallashtirishdan oldin, avval uni skriningdan o'tkazib, tuzilishga muhim ta'sir ko'rsatadigan hajmni tanlash va ularning qiymatlarini mustahkamlik printsipiga muvofiq belgilash kerak.
3.2.1 DOE parametrlarini sozlash va DOE
Dizayn parametrlari - bu asbob shakli va U shaklidagi truba o'lchamining holati va boshqalar, jami sakkizta. Maqsadli parametr - bu birinchi darajali eksenel tebranish chastotasi, chunki u payvandlashga eng katta ta'sir qiladi va maksimal o'zgaruvchan kuchlanish va ishchi sirt amplitudasidagi farq holat o'zgaruvchilari sifatida cheklangan. Tajribaga asoslanib, parametrlarning natijalarga ta'siri chiziqli bo'ladi deb taxmin qilinadi, shuning uchun har bir omil faqat yuqori va past darajadagi ikkita darajaga o'rnatiladi. Parametrlar ro'yxati va tegishli nomlar quyidagicha.
DOE ANSYS-da ilgari o'rnatilgan parametrik model yordamida amalga oshiriladi. Dasturiy ta'minotning cheklanganligi sababli, to'liq faktorli DOE faqat 7 parametrdan foydalanishi mumkin, model esa 8 parametrga ega va ANSYS tomonidan DOE natijalari tahlili professional 6-sigma dasturiy ta'minot kabi keng qamrovli emas va o'zaro ta'sirga qodir emas. Shuning uchun biz APDL yordamida dastur natijalarini hisoblash va chiqarish uchun DOE tsiklini yozamiz, so'ngra ma'lumotlarni tahlil qilish uchun Minitab-ga joylashtiramiz.
3.2.2 DOE natijalarini tahlil qilish
Minitabning DOE tahlili 4-rasmda keltirilgan va asosiy ta'sir qiluvchi omillarni tahlil qilish va o'zaro ta'sirlarni tahlil qilishni o'z ichiga oladi. Asosiy ta'sir etuvchi omil tahlili, qaysi dizayn o'zgaruvchisi o'zgarishi maqsad o'zgaruvchiga ko'proq ta'sir ko'rsatishini aniqlash uchun ishlatiladi va shu bilan ularning qaysi muhim o'zgaruvchanligini ko'rsatadi. Keyin omillar darajasini aniqlash va dizayn o'zgaruvchilari orasidagi bog'lanish darajasini kamaytirish uchun omillar o'rtasidagi o'zaro ta'sir tahlil qilinadi. Loyihalash koeffitsienti yuqori yoki past bo'lganida boshqa omillarning o'zgarish darajasini solishtiring. Mustaqil aksiomaga ko'ra, optimal dizayn bir-biriga bog'lanmagan, shuning uchun kamroq o'zgaruvchan darajani tanlang.
Ushbu maqolada payvandlash moslamasini tahlil qilish natijalari quyidagilar: dizaynning muhim parametrlari tashqi yoy radiusi va asbobning teshik kengligi. Ikkala parametrning darajasi "yuqori", ya'ni radius DOE-da katta qiymatni oladi va truba kengligi ham katta qiymatni oladi. Muhim parametrlar va ularning qiymatlari aniqlandi, so'ngra ANSYS-da dizaynni optimallashtirish uchun bir nechta boshqa parametrlardan foydalanilib, payvandlash apparati ish chastotasiga mos keladigan asbob chastotasini sozlash uchun. Optimallashtirish jarayoni quyidagicha.
3.3 Maqsadli parametrlarni optimallashtirish (asboblar chastotasi)
Dizaynni optimallashtirish parametr parametrlari DOE-ga o'xshashdir. Farqi shundaki, ikkita muhim parametrning qiymatlari aniqlandi, qolgan uchta parametr esa shovqin sifatida qaraladigan va optimallashtirilmaydigan moddiy xususiyatlar bilan bog'liq. Sozlanishi mumkin bo'lgan uchta parametr - bu uyaning eksenel holati, uzunligi va asbob kengligi. Optimizatsiya ANSYS-da subproblemni taxminiy usulidan foydalanadi, bu muhandislik muammolarida keng qo'llaniladigan usul bo'lib, aniq jarayon qoldirilgan.
Shunisi e'tiborga loyiqki, maqsad o'zgaruvchisi sifatida chastotadan foydalanish ishlashda biroz mahorat talab qiladi. Dizayn parametrlari va xilma-xilligi juda ko'p bo'lganligi sababli, asbobning tebranish usullari qiziqishning chastota diapazonida juda ko'p. Agar modal tahlil natijasi to'g'ridan-to'g'ri ishlatilsa, birinchi darajali eksenel rejimni topish qiyin, chunki parametrlar o'zgarganda modal ketma-ketlik o'zaro bog'liq bo'lishi mumkin, ya'ni asl rejimga mos keladigan tabiiy chastotali tartib o'zgarganda. Shuning uchun, ushbu maqola avval modal tahlilni qabul qiladi, so'ngra chastotali javob egri chizig'ini olish uchun modal superpozitsiya usulidan foydalanadi. Chastotaga javob egri chizig'ining eng yuqori qiymatini topib, u tegishli modal chastotani ta'minlashi mumkin. Avtomatik optimallashtirish jarayonida bu modallikni qo'lda aniqlash zaruratini yo'qqa chiqarishda juda muhimdir.
Optimallashtirish tugagandan so'ng, asbobning dizayndagi ishchi chastotasi maqsad chastotasiga juda yaqin bo'lishi mumkin va xato optimallashtirishda ko'rsatilgan bardoshlik qiymatidan kam. Ushbu nuqtada dastgoh dizayni asosan aniqlanadi, undan keyin ishlab chiqarish dizayni uchun ishlab chiqarish toleranslari belgilanadi.
3.4 bag'rikenglik dizayni
Umumiy konstruktiv loyihalash barcha dizayn parametrlari aniqlangandan so'ng yakunlanadi, ammo muhandislik muammolari uchun, ayniqsa ommaviy ishlab chiqarish xarajatlarini hisobga olganda, bardoshlik dizayni muhim ahamiyatga ega. Kam aniqlik narxi ham kamayadi, ammo dizayn ko'rsatkichlarini qondirish qobiliyati miqdoriy hisob-kitoblar uchun statistik hisob-kitoblarni talab qiladi. ANSYS-dagi PDS ehtimolliklarni loyihalash tizimi dizayn parametrlari bardoshliligi va maqsad parametrlarining bardoshliligi o'rtasidagi munosabatni yaxshiroq tahlil qilishi va tegishli to'liq hisobot fayllarini yaratishi mumkin.
3.4.1 PDS parametrlarini sozlash va hisoblash
DFSS g'oyasiga ko'ra, bardoshlik tahlili muhim dizayn parametrlari bo'yicha o'tkazilishi kerak va boshqa umumiy toleranslar empirik ravishda aniqlanishi mumkin. Ushbu maqoladagi vaziyat juda alohida, chunki ishlov berish qobiliyatiga ko'ra geometrik dizayn parametrlarining ishlab chiqarish bardoshliligi juda kichik va yakuniy asbob chastotasiga unchalik ta'sir qilmaydi; etkazib beruvchilar tufayli xom ashyoning parametrlari juda farq qiladi va xom ashyoning narxi asboblarni qayta ishlash xarajatlarining 80% dan ortig'ini tashkil qiladi. Shuning uchun moddiy xususiyatlar uchun o'rtacha tolerantlik oralig'ini o'rnatish kerak. Bu erda tegishli materiallar xususiyatlari zichlik, elastiklik moduli va tovush to'lqinlarining tarqalish tezligi.
Tolerantlik tahlili ANSYS-da Lotin Hypercube usulini tanlash uchun tasodifiy Monte-Karlo simulyatsiyasidan foydalanadi, chunki u namuna olish nuqtalarini taqsimlanishini bir xil va oqilona qilishi va kamroq nuqtalar bilan yaxshi korrelyatsiya olishlari mumkin. Ushbu maqolada 30 ball belgilangan. Uchta moddiy parametrlarning toleranslari Gauss bo'yicha taqsimlanadi, dastlab yuqori va pastki chegara beriladi, so'ngra ANSYS da hisoblab chiqiladi.
3.4.2 PDS natijalarini tahlil qilish
PDSni hisoblash orqali 30 namuna olish punktiga to'g'ri keladigan maqsadli o'zgaruvchining qiymatlari berilgan. Maqsadli o'zgaruvchilarning taqsimlanishi noma'lum. Parametrlar Minitab dasturi yordamida yana o'rnatiladi va chastota asosan oddiy taqsimotga muvofiq taqsimlanadi. Bu bag'rikenglik tahlilining statistik nazariyasini ta'minlaydi.
PDS hisob-kitobi dizayn o'zgaruvchisidan maqsad o'zgaruvchisining bardoshlik kengayishiga qadar mos keladigan formulani beradi: bu erda y - maqsad o'zgaruvchisi, x - dizayn o'zgaruvchisi, c - korrelyatsiya koeffitsienti va i - o'zgaruvchan son.

Shunga ko'ra, bardoshlik dizayni vazifasini bajarish uchun har bir dizayn o'zgaruvchisiga maqsad bardoshlik berilishi mumkin.
3.5 Eksperimental tekshirish
Old qism butun payvandlash vositasini loyihalash jarayonidir. Tugatgandan so'ng, xom ashyo loyihada ruxsat etilgan material toleranslari bo'yicha sotib olinadi va keyin ishlab chiqarishga etkazib beriladi. Chastotani va modali sinov ishlab chiqarish tugagandan so'ng amalga oshiriladi va ishlatiladigan sinov usuli eng oddiy va eng samarali snayperlarni sinash usuli hisoblanadi. Eng ko'p tashvishga soladigan indeks birinchi darajali eksenel modal chastota bo'lgani uchun, tezlashuv sensori ishchi yuzasiga biriktirilgan va boshqa uchi eksenel yo'nalishi bo'yicha urilgan va asbobning haqiqiy chastotasini spektral tahlil qilish yo'li bilan olish mumkin. Dizaynning simulyatsiya natijasi 14925 Hazrati, sinov natijasi 14954 Hazrati, chastotasi aniqligi 16 Hazrati va maksimal xatosi 1% dan kam. Ko'rinib turibdiki, modal hisoblashda cheklangan element simulyatsiyasining aniqligi juda yuqori.
Eksperimental sinovdan o'tganidan so'ng, asbob ultratovushli payvandlash mashinasida ishlab chiqarishga va yig'ishga qo'yiladi. Reaksiya holati yaxshi. Yarim yildan ortiq vaqt davomida ish barqaror bo'lib, payvandlash bo'yicha malakaviy ko'rsatkich yuqori bo'lib, umumiy uskunalar ishlab chiqaruvchisi va'da qilgan uch oylik xizmat muddatidan oshib ketdi. Bu shuni ko'rsatadiki, dizayn muvaffaqiyatli bo'lib, ishlab chiqarish jarayoni bir necha marta o'zgartirilmagan va sozlanmagan, vaqt va ish kuchini tejagan.
4 Xulosa
Ushbu maqola ultratovushli plastik payvandlash printsipidan boshlanadi, payvandlashning texnik yo'nalishini chuqur anglaydi va yangi asboblarning kontseptsiyasini taklif qiladi. Keyin dizaynni aniq tahlil qilish uchun cheklangan elementning kuchli simulyatsiya funktsiyasidan foydalaning va DFSS-ning 6-Sigma dizayn g'oyasini taqdim eting va ANSYS DOE eksperimental dizayni va PDS bardoshlik tahlili orqali muhim dizayn parametrlarini boshqaring. Nihoyat, asbob-uskunalar bir marta muvaffaqiyatli ishlab chiqarildi va dizayn eksperimental chastota sinovi va haqiqiy ishlab chiqarishni tekshirish orqali oqilona edi. Bundan tashqari, ushbu dizayn uslublari to'plami maqsadga muvofiq va samarali ekanligini isbotlaydi.