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序文
超音波技術の発展に伴い、その用途はますます広まり、小さな汚れ粒子の洗浄に使用でき、金属やプラスチックの溶接にも使用できます。特に今日のプラスチック製品では、ねじ構造が省略されているため、外観がより美しくなり、防水・防塵機能も備えているため、超音波溶接が主流となっています。プラスチック溶接ホーンの設計は、最終的な溶接品質と生産能力に重要な影響を及ぼします。新しい電気メーターの製造では、超音波を使用して上面と下面を融合させます。ただし、使用中に、一部の工具が機械に取り付けられ、ひび割れやその他の故障が短期間で発生することがわかりました。一部のツーリング溶接製品不良率が高いです。さまざまな障害が生産にかなりの影響を及ぼしました。理解によると、機器のサプライヤは、工具の設計能力が限られており、多くの場合、設計指標を達成するために繰り返し修理を行っています。したがって、耐久性のある工具と合理的な設計方法を開発するには、独自の技術的利点を活用する必要があります。
2超音波プラスチック溶接の原理
超音波溶着は、高周波強制振動に熱可塑性プラスチックを組み合わせた加工方法で、溶接面同士が擦れ合って局所的な高温溶融を起こします。良好な超音波溶接結果を達成するには、機器、材料、およびプロセスパラメータが必要です。以下は、その原理の簡単な紹介です。
2.1超音波プラスチック溶接システム
図1は溶接システムの概略図です。電気エネルギーは信号発生器とパワーアンプを通過して、トランスデューサー(圧電セラミック)に適用される超音波周波数(> 20 kHz)の交互の電気信号を生成します。トランスデューサーを介して、電気エネルギーが機械的振動のエネルギーになり、機械的振動の振幅がホーンによって適切な動作振幅に調整され、ツールヘッドを介して接触している材料に均一に伝達されます(溶接ツーリング)。2つの溶接材料の接触面は高周波の強制振動にさらされ、摩擦熱によって局所的な高温溶融が発生します。冷却後、材料を組み合わせて溶接を行います。

溶接システムでは、信号源は、周波数安定性と駆動能力が機械の性能に影響を与えるパワーアンプ回路を含む回路部分です。材料は熱可塑性プラスチックであり、接合面の設計では、熱をすばやく発生させてドッキングする方法を考慮する必要があります。トランスデューサー、ホーン、ツールヘッドはすべて、それらの振動の結合を簡単に分析するための機械的構造と見なすことができます。プラスチック溶接では、機械的振動は縦波の形で伝達されます。エネルギーを効果的に伝達し、振幅を調整する方法が設計の要点です。
2.2ツールヘッド(溶接工具)
ツールヘッドは、超音波溶接機と材料の間の接触インターフェースとして機能します。その主な機能は、バリエーターによって出力された縦方向の機械的振動を材料に均一かつ効率的に伝達することです。使用される材料は通常、高品質のアルミニウム合金またはチタン合金です。プラスチック素材のデザインが大きく変わるため、見た目も大きく異なり、それに応じてツールヘッドも変更する必要があります。振動時にプラスチックを損傷しないように、作業面の形状は材料とよく一致している必要があります。同時に、一次縦振動固体周波数を溶接機の出力周波数と調整する必要があります。そうしないと、振動エネルギーが内部で消費されます。ツールヘッドが振動すると、局所的な応力集中が発生します。これらのローカル構造を最適化する方法も設計上の考慮事項です。この記事では、ANSYS設計ツールヘッドを適用して設計パラメータと製造公差を最適化する方法について説明します。
3溶接工具の設計
前述のように、溶接工具の設計は非常に重要です。中国には独自の溶接工具を製造している超音波装置のサプライヤーがたくさんありますが、それらのかなりの部分は模造品であり、その後、絶えずトリミングとテストを行っています。この繰り返し調整方法により、工具と機器の周波数の調整が実現されます。この論文では、有限要素法を使用して、工具を設計する際の周波数を決定できます。ツーリングテストの結果と設計周波数誤差はわずか1%です。同時に、このペーパーでは、ツールの設計を最適化して堅牢にするためのDFSS(Design For Six Sigma)の概念を紹介します。シックスシグマデザインのコンセプトは、ターゲットデザインのデザインプロセスで顧客の声を完全に収集することです。最終製品の品質が妥当なレベル内で確実に配布されるように、製造プロセスで発生する可能性のある逸脱を事前に検討します。設計プロセスを図2に示します。設計インジケータの開発から始めて、ツールの構造と寸法は、最初に既存の経験に従って設計されます。パラメトリックモデルはANSYSで確立され、モデルはシミュレーション実験計画(DOE)法によって決定されます。重要なパラメーターは、堅牢な要件に従って、値を決定し、サブ問題メソッドを使用して他のパラメーターを最適化します。工具の製造および使用中の材料および環境パラメータの影響を考慮して、製造コストの要件を満たすように公差を付けて設計されています。最後に、製造、テスト、テスト理論の設計と実際のエラー。提供される設計指標に適合します。次のステップバイステップの詳細な紹介。
3.1幾何学的形状の設計(パラメトリックモデルの確立)
溶接工具の設計では、最初にそのおおよその幾何学的形状と構造を決定し、その後の分析のためにパラメトリックモデルを確立します。図3a)は、最も一般的な溶接工具の設計であり、ほぼ直方体の材料に振動方向に多数のU字型の溝が開いています。全体の寸法はX、Y、Z方向の長さであり、横方向の寸法XとYは一般に溶接されるワークピースのサイズに匹敵します。古典的な振動理論では、細長い物体の1次軸周波数はその長さによって決定され、半波長は音響と正確に一致するため、Zの長さは超音波の半波長に等しくなります。波の周波数。このデザインは拡張されました。使用は、音波の広がりに有益です。U字型の溝の目的は、工具の横方向の振動の損失を減らすことです。位置、サイズ、および数は、工具の全体的なサイズに応じて決定されます。この設計では、自由に調整できるパラメータが少ないことがわかりますので、これに基づいて改善を行いました。図3b)は、従来の設計よりもサイズパラメータが1つ多い、新しく設計された工具です。外側の円弧半径Rです。さらに、工具の作業面に溝が刻まれており、プラスチックワークピースの表面と連動しています。これは、振動エネルギーを伝達し、ワークピースを損傷から保護するのに役立ちます。このモデルは、ANSYSで日常的にパラメトリックにモデル化され、次に次の実験計画法でモデル化されます。
3.2 DOE実験計画(重要なパラメータの決定)
DFSSは、実用的なエンジニアリングの問題を解決するために作成されました。完璧を追求するものではありませんが、効果的で堅牢です。シックスシグマのアイデアを具体化し、主な矛盾を捉え、「99.97%」を放棄する一方で、環境の変動に対して非常に耐性のある設計を要求します。したがって、ターゲットパラメータの最適化を行う前に、まずそれをスクリーニングし、構造に重要な影響を与えるサイズを選択し、それらの値をロバストネス原則に従って決定する必要があります。
3.2.1DOEパラメータ設定とDOE
設計パラメータは、工具形状、U字溝のサイズ位置など、合計8つです。溶接部への影響が最も大きく、最大集中応力と作業面振幅の差が状態変数として制限されるため、目標パラメータは一次軸振動周波数です。経験に基づいて、結果に対するパラメーターの影響は線形であると想定されているため、各要素は高と低の2つのレベルにのみ設定されます。パラメータと対応する名前のリストは次のとおりです。
DOEは、以前に確立されたパラメトリックモデルを使用してANSYSで実行されます。ソフトウェアの制限により、フルファクターDOEは最大7つのパラメーターしか使用できませんが、モデルには8つのパラメーターがあり、ANSYSによるDOE結果の分析は、プロのシックスシグマソフトウェアほど包括的ではなく、相互作用を処理できません。したがって、APDLを使用してDOEループを記述し、プログラムの結果を計算して抽出し、分析のためにデータをMinitabに配置します。
3.2.2DOE結果の分析
MinitabのDOE分析を図4に示します。これには、主な影響因子分析と相互作用分析が含まれています。主な影響因子分析は、どの設計変数の変更がターゲット変数により大きな影響を与えるかを決定するために使用され、それによってどれが重要な設計変数であるかを示します。次に、因子間の交互作用を分析して、因子のレベルを決定し、設計変数間の結合の程度を減らします。設計要素が高い場合と低い場合の、他の要素の変化の程度を比較します。独立した公理によれば、最適な設計は互いに結合されていないため、変動の少ないレベルを選択してください。
この論文の溶接工具の分析結果は次のとおりです。重要な設計パラメータは、工具の外弧半径とスロット幅です。両方のパラメータのレベルは「高」です。つまり、DOEでは半径の値が大きくなり、溝の幅も大きくなります。重要なパラメータとその値が決定された後、他のいくつかのパラメータを使用してANSYSの設計を最適化し、溶接機の動作周波数に一致するようにツーリング周波数を調整しました。最適化のプロセスは次のとおりです。
3.3ターゲットパラメータの最適化(ツーリング頻度)
設計最適化のパラメータ設定は、DOEのパラメータ設定と同様です。違いは、2つの重要なパラメータの値が決定されており、他の3つのパラメータは、ノイズと見なされて最適化できない材料特性に関連していることです。調整可能な残りの3つのパラメータは、スロットの軸方向位置、長さ、および工具幅です。最適化では、エンジニアリング問題で広く使用されているANSYSのサブ問題近似法を使用し、特定のプロセスを省略します。
頻度をターゲット変数として使用するには、操作に少しスキルが必要であることに注意してください。多くの設計パラメータと幅広い変動があるため、工具の振動モードは対象の周波数範囲で多くなります。モーダル解析の結果を直接使用する場合、パラメータが変化すると、つまり元のモードに対応する固有振動数の順序が変化すると、モーダルシーケンスのインターリーブが発生する可能性があるため、1次軸モードを見つけるのは困難です。したがって、この論文では、最初にモーダル解析を採用し、次にモーダル重ね合わせ法を使用して周波数応答曲線を取得します。周波数応答曲線のピーク値を見つけることにより、対応するモーダル周波数を確保できます。これは自動最適化プロセスで非常に重要であり、モダリティを手動で決定する必要がありません。
最適化が完了した後、工具の設計作業周波数は目標周波数に非常に近くなる可能性があり、誤差は最適化で指定された許容値よりも小さくなります。この時点で、工具設計が基本的に決定され、続いて生産設計の製造公差が決定されます。
3.4公差設計
一般的な構造設計は、すべての設計パラメータが決定された後に完了しますが、エンジニアリングの問題、特に大量生産のコストを考慮する場合、公差設計は不可欠です。低精度のコストも削減されますが、設計メトリックを満たすには、定量計算のための統計計算が必要です。ANSYSのPDS確率設計システムは、設計パラメーターの許容範囲とターゲットパラメーターの許容範囲の関係をより適切に分析し、完​​全な関連レポートファイルを生成できます。
3.4.1PDSパラメータの設定と計算
DFSSの考え方によれば、公差分析は重要な設計パラメータに対して実行する必要があり、その他の一般的な公差は経験的に決定できます。この論文の状況は非常に特殊です。機械加工の能力に応じて、幾何学的設計パラメータの製造公差が非常に小さく、最終的な工具の頻度にほとんど影響を与えないためです。一方、原材料のパラメータはサプライヤーによって大きく異なり、原材料の価格は工具加工コストの80%以上を占めています。したがって、材料特性に適切な許容範囲を設定する必要があります。ここで関連する材料特性は、密度、弾性係数、および音波の伝播速度です。
許容誤差分析では、ANSYSのランダムモンテカルロシミュレーションを使用してラテンハイパーキューブ法をサンプリングします。これは、サンプリングポイントの分布をより均一かつ合理的にし、より少ないポイントでより良い相関を得ることができるためです。この論文は30点を設定します。3つの材料パラメータの許容誤差がガウスに従って分布し、最初に上限と下限が与えられ、次にANSYSで計算されると仮定します。
3.4.2PDS結果の分析
PDSの計算を通じて、30のサンプリングポイントに対応するターゲット変数値が与えられます。ターゲット変数の分布は不明です。パラメータはMinitabソフトウェアを使用して再度適合され、頻度は基本的に正規分布に従って分布されます。これにより、許容誤差分析の統計理論が保証されます。
PDS計算により、設計変数からターゲット変数の許容範囲拡張への近似式が得られます。ここで、yはターゲット変数、xは設計変数、cは相関係数、iは変数番号です。

これに応じて、各設計変数に目標公差を割り当てて、公差設計のタスクを完了することができます。
3.5実験的検証
前部は溶接工具全体の設計工程です。完成後、設計で許容される材料公差に従って原材料を購入し、製造に送ります。周波数およびモーダルテストは製造が完了した後に実行され、使用されるテスト方法は最も単純で最も効果的な狙撃テスト方法です。最も懸念される指標は一次軸方向モーダル周波数であるため、加速度センサーを作業面に取り付け、もう一方の端を軸方向に沿って打ち、工具の実際の周波数をスペクトル分析で取得できます。設計のシミュレーション結果は14925Hz、テスト結果は14954 Hz、周波数分解能は16 Hz、最大誤差は1%未満です。モーダル計算における有限要素シミュレーションの精度が非常に高いことがわかります。
実験テストに合格した後、工具は超音波溶接機で製造および組み立てられます。反応状態は良好です。作業は半年以上安定しており、溶接認定率は高く、一般機器メーカーが約束する3ヶ月の耐用年数を超えています。これは、設計が成功し、製造プロセスが繰り返し変更および調整されていないことを示しており、時間と労力を節約しています。
4結論
この論文は、超音波プラスチック溶接の原理から始まり、溶接の技術的焦点を深く理解し、新しい工具の設計概念を提案します。次に、有限要素の強力なシミュレーション機能を使用して設計を具体的に分析し、DFSSの6シグマ設計アイデアを導入し、ANSYSDOE実験計画法とPDS許容度分析を通じて重要な設計パラメーターを制御して堅牢な設計を実現します。最後に、工具は一度製造に成功し、実験的な周波数テストと実際の製造検証によって設計は合理的でした。また、この一連の設計手法が実行可能で効果的であることも証明しています。


投稿時間:2020年11月4日