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머리말
초음파 기술의 발달로 응용 분야가 점점 더 광범위 해지고 미세한 먼지 입자를 청소하는 데 사용할 수 있으며 금속 또는 플라스틱 용접에도 사용할 수 있습니다. 특히 오늘날의 플라스틱 제품에서는 스크류 구조가 생략되어 외관이 더욱 완벽 해지며 방수 및 방진 기능도 제공하기 때문에 초음파 용접이 주로 사용됩니다. 플라스틱 용접 혼의 디자인은 최종 용접 품질과 생산 능력에 중요한 영향을 미칩니다. 새로운 전기 계량기의 생산에서 초음파는 상부와 하부를 융합하는 데 사용됩니다. 그러나 사용 중에 일부 도구가 기계에 설치되어 금이 가고 다른 오류가 단시간에 발생하는 것으로 나타났습니다. 일부 툴링 용접 제품 불량률이 높습니다. 다양한 결함이 생산에 상당한 영향을 미쳤습니다. 이해에 따르면 장비 공급 업체는 툴링에 대한 설계 능력이 제한적이며 종종 반복적 인 수리를 통해 설계 지표를 달성합니다. 따라서 내구성있는 툴링과 합리적인 설계 방법을 개발하기 위해서는 자체 기술적 인 장점을 활용해야합니다.
2 초음파 플라스틱 용접 원리
초음파 플라스틱 용접은 고주파 강제 진동에서 열가소성 수지의 조합을 사용하는 가공 방법이며 용접 표면이 서로 마찰하여 국부적 인 고온 용융을 생성합니다. 우수한 초음파 용접 결과를 얻으려면 장비, 재료 및 공정 매개 변수가 필요합니다. 다음은 그 원리에 대한 간략한 소개입니다.
2.1 초음파 플라스틱 용접 시스템
그림 1은 용접 시스템의 개략도입니다. 전기 에너지는 신호 발생기와 전력 증폭기를 통과하여 변환기 (압전 세라믹)에 적용되는 초음파 주파수 (> 20kHz)의 교류 전기 신호를 생성합니다. 트랜스 듀서를 통해 전기 에너지는 기계적 진동의 에너지가되고 기계적 진동의 진폭은 경적에 의해 적절한 작동 진폭으로 조정 된 다음 공구 헤드를 통해 접촉하는 재료에 균일하게 전달됩니다 (용접 압형). 두 용접 재료의 접촉면은 고주파 강제 진동을 받고 마찰열은 국부적 인 고온 용융을 생성합니다. 냉각 후 재료가 결합되어 용접됩니다.

용접 시스템에서 신호 소스는 주파수 안정성과 구동 능력이 기계의 성능에 영향을 미치는 전력 증폭기 회로를 포함하는 회로 부품입니다. 재료는 열가소성 수지이며 접합 표면의 디자인은 열을 빠르게 생성하고 도킹하는 방법을 고려해야합니다. 변환기, 혼 및 공구 헤드는 모두 진동 커플 링을 쉽게 분석하기위한 기계적 구조로 간주 할 수 있습니다. 플라스틱 용접에서는 기계적 진동이 종파의 형태로 전달됩니다. 에너지를 효과적으로 전달하고 진폭을 조정하는 방법이 설계의 주요 포인트입니다.
2.2 도구 헤드 (용접 도구)
공구 헤드는 초음파 용접기와 재료 사이의 접촉 인터페이스 역할을합니다. 주요 기능은 바리 에이터에서 출력되는 종 방향 기계적 진동을 재료에 균일하고 효율적으로 전달하는 것입니다. 사용되는 재료는 일반적으로 고품질 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금입니다. 플라스틱 재료의 디자인이 많이 바뀌기 때문에 모양이 매우 다르며 그에 따라 도구 헤드도 변경되어야합니다. 작업 표면의 모양은 진동 할 때 플라스틱을 손상시키지 않도록 재료와 잘 일치해야합니다. 동시에 1 차 종 방향 진동 솔리드 주파수는 용접기의 출력 주파수와 조정되어야합니다. 그렇지 않으면 진동 에너지가 내부적으로 소비됩니다. 공구 헤드가 진동하면 국소 응력 집중이 발생합니다. 이러한 로컬 구조를 최적화하는 방법도 설계 고려 사항입니다. 이 기사에서는 ANSYS 설계 도구 헤드를 적용하여 설계 매개 변수 및 제조 공차를 최적화하는 방법을 살펴 봅니다.
3 용접 툴링 설계
앞서 언급했듯이 용접 툴링의 설계는 매우 중요합니다. 중국에는 자체 용접 도구를 생산하는 많은 초음파 장비 공급 업체가 있지만 그 중 상당 부분이 모조품이며 지속적으로 트리밍 및 테스트하고 있습니다. 이 반복적 인 조정 방법을 통해 툴링과 장비 주파수의 조정이 이루어집니다. 이 논문에서 유한 요소법은 툴링을 설계 할 때 주파수를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 툴링 테스트 결과와 설계 빈도 오류는 1 %에 불과합니다. 동시에이 백서에서는 툴링의 최적화 및 견고한 설계를 위해 DFSS (Design For Six Sigma) 개념을 소개합니다. 6- 시그마 디자인의 개념은 타겟 디자인을위한 디자인 프로세스에서 고객의 목소리를 완전히 수집하는 것입니다. 그리고 최종 제품의 품질이 합리적인 수준으로 배포되도록 생산 과정에서 가능한 편차를 사전에 고려합니다. 설계 프로세스는 그림 2에 나와 있습니다. 설계 지표 개발부터 시작하여 도구의 구조와 치수는 초기에 기존 경험에 따라 설계됩니다. ANSYS에서 파라 메트릭 모델을 설정 한 다음 시뮬레이션 실험 설계 (DOE) 방법으로 모델을 결정합니다. 강력한 요구 사항에 따라 중요한 매개 변수는 값을 결정한 다음 하위 문제 방법을 사용하여 다른 매개 변수를 최적화합니다. 툴링의 제조 및 사용 중 재료 및 환경 매개 변수의 영향을 고려하여 제조 비용 요구 사항을 충족하도록 허용 오차를 고려하여 설계되었습니다. 마지막으로 제조, 테스트 및 테스트 이론 설계 및 실제 오류가 제공되는 설계 지표를 충족합니다. 다음 단계별 세부 소개입니다.
3.1 기하학적 모양 디자인 (파라 메트릭 모델 설정)
용접 툴링을 먼저 설계하면 대략적인 기하학적 모양과 구조가 결정되고 후속 분석을위한 파라 메트릭 모델이 설정됩니다. 그림 3a)는 가장 일반적인 용접 툴링의 설계로, 대략 직육면체의 재료에 진동 방향으로 다수의 U 자형 홈이 열립니다. 전체 치수는 X, Y 및 Z 방향의 길이이며 측면 치수 X 및 Y는 일반적으로 용접되는 공작물의 크기와 비슷합니다. Z의 길이는 초음파의 반 파장과 같습니다. 고전적인 진동 이론에서 긴 물체의 1 차 축 방향 주파수는 길이에 의해 결정되고 반파 장의 길이는 음향과 정확히 일치하기 때문입니다. 파동 주파수. 이 디자인은 확장되었습니다. 사용, 음파 확산에 유익합니다. U 자형 홈의 목적은 툴링의 측면 진동 손실을 줄이는 것입니다. 위치, 크기 및 수는 툴링의 전체 크기에 따라 결정됩니다. 이 설계에서는 자유롭게 조정할 수있는 매개 변수가 적다는 것을 알 수 있으므로이를 기반으로 개선했습니다. 그림 3 b)는 기존 설계보다 크기 매개 변수가 하나 더 많은 새로 설계된 툴링입니다. 외부 아크 반경 R. 또한, 홈은 툴링의 작업 표면에 새겨 져 플라스틱 공작물의 표면과 협력합니다. 진동 에너지를 전달하고 공작물을 손상으로부터 보호하는 데 유용합니다. 이 모델은 ANSYS에서 일상적으로 파라 메트릭 방식으로 모델링 된 다음 다음 실험 설계입니다.
3.2 DOE 실험 설계 (중요 매개 변수 결정)
DFSS는 실용적인 엔지니어링 문제를 해결하기 위해 만들어졌습니다. 완벽을 추구하지는 않지만 효과적이고 강력합니다. 이는 6 시그마의 아이디어를 구현하고, 주요 모순을 포착하고, "99.97 %"를 포기하는 동시에 환경 변동에 대한 저항력이 뛰어난 설계를 요구합니다. 따라서 목표 매개 변수 최적화를하기 전에 먼저 스크리닝하고 구조에 중요한 영향을 미치는 크기를 선택하고 그 값은 견고성 원칙에 따라 결정되어야합니다.
3.2.1 DOE 매개 변수 설정 및 DOE
설계 매개 변수는 툴링 모양과 U 자형 홈의 크기 위치 등 총 8 개입니다. 목표 매개 변수는 용접에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 1 차 축 진동 주파수이며 최대 집중 응력과 작업 표면 진폭의 차이는 상태 변수로 제한됩니다. 경험을 바탕으로 결과에 대한 매개 변수의 효과가 선형이라고 가정하므로 각 요인은 높고 낮은 두 수준으로 만 설정됩니다. 매개 변수 및 해당 이름 목록은 다음과 같습니다.
DOE는 이전에 설정된 파라 메트릭 모델을 사용하여 ANSYS에서 수행됩니다. 소프트웨어 제한으로 인해 전체 요소 DOE는 최대 7 개의 매개 변수 만 사용할 수있는 반면 모델에는 8 개의 매개 변수가 있으며 ANSYS의 DOE 결과 분석은 전문적인 6- 시그마 소프트웨어만큼 포괄적이지 않으며 상호 작용을 처리 할 수 ​​없습니다. 따라서 APDL을 사용하여 DOE 루프를 작성하여 프로그램 결과를 계산하고 추출한 다음 분석을 위해 데이터를 Minitab에 넣습니다.
3.2.2 DOE 결과 분석
Minitab의 DOE 분석은 그림 4에 나와 있으며 주요 영향 요인 분석 및 상호 작용 분석을 포함합니다. 주요 영향 요인 분석은 어떤 설계 변수 변경이 목표 변수에 더 큰 영향을 미치는지 결정하는 데 사용되어 중요한 설계 변수를 나타냅니다. 그런 다음 요인 간의 상호 작용을 분석하여 요인의 수준을 결정하고 설계 변수 간의 결합 정도를 줄입니다. 설계 요인이 높거나 낮을 때 다른 요인의 변화 정도를 비교합니다. 독립 공리에 따르면 최적 설계는 서로 결합되지 않으므로 덜 가변적 인 수준을 선택합니다.
이 백서에서 용접 툴링의 분석 결과는 다음과 같습니다. 중요한 설계 매개 변수는 툴링의 외부 호 반경과 슬롯 너비입니다. 두 매개 변수의 수준은 "높음"입니다. 즉, 반경은 DOE에서 더 큰 값을 사용하고 홈 너비도 더 큰 값을 사용합니다. 중요한 매개 변수와 그 값을 결정한 다음 ANSYS의 설계를 최적화하는 데 몇 가지 다른 매개 변수를 사용하여 용접기의 작동 주파수와 일치하도록 툴링 주파수를 조정했습니다. 최적화 과정은 다음과 같습니다.
3.3 목표 매개 변수 최적화 (공구 빈도)
설계 최적화의 매개 변수 설정은 DOE의 설정과 유사합니다. 차이점은 두 가지 중요한 매개 변수의 값이 결정되었고 다른 세 매개 변수는 노이즈로 간주되어 최적화 할 수없는 재료 특성과 관련이 있다는 것입니다. 조정할 수있는 나머지 세 가지 매개 변수는 슬롯의 축 위치, 길이 및 툴링 너비입니다. 최적화는 엔지니어링 문제에서 널리 사용되는 방법 인 ANSYS의 하위 문제 근사 방법을 사용하며 특정 프로세스는 생략됩니다.
빈도를 목표 변수로 사용하려면 작동에 약간의 기술이 필요하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 많은 설계 매개 변수와 다양한 변형이 있기 때문에 툴링의 진동 모드는 관심 주파수 범위에서 많습니다. 모달 해석의 결과를 직접 사용하면 모달 시퀀스 인터리빙이 매개 변수 변경, 즉 원래 모드에 해당하는 고유 주파수 서 수가 변경 될 때 발생할 수 있기 때문에 1 차 축 모드를 찾기가 어렵습니다. 따라서 본 논문에서는 먼저 모달 해석을 채택한 후 모달 중첩 방법을 사용하여 주파수 응답 곡선을 얻습니다. 주파수 응답 곡선의 피크 값을 찾아 해당 모달 주파수를 보장 할 수 있습니다. 이는 자동 최적화 프로세스에서 매우 중요하므로 수동으로 양식을 결정할 필요가 없습니다.
최적화가 완료된 후 툴링의 설계 작업 빈도는 목표 주파수에 매우 가까울 수 있으며 오류는 최적화에 지정된 공차 값보다 작습니다. 이 시점에서 기본적으로 툴링 설계가 결정되고 생산 설계에 대한 제조 공차가 뒤 따릅니다.
3.4 공차 설계
일반적인 구조 설계는 모든 설계 매개 변수가 결정된 후 완료되지만 엔지니어링 문제, 특히 대량 생산 비용을 고려할 때 공차 설계가 필수적입니다. 낮은 정밀도의 비용도 줄어들지 만 설계 메트릭을 충족하려면 정량적 계산을위한 통계적 계산이 필요합니다. ANSYS의 PDS Probability Design System은 설계 매개 변수 공차와 목표 매개 변수 공차 간의 관계를 더 잘 분석하고 완전한 관련 보고서 파일을 생성 할 수 있습니다.
3.4.1 PDS 매개 변수 설정 및 계산
DFSS 아이디어에 따르면 중요한 설계 매개 변수에 대해 공차 분석을 수행해야하며 기타 일반 공차는 경험적으로 결정할 수 있습니다. 이 문서의 상황은 매우 특별합니다. 가공 능력에 따라 기하학적 설계 매개 변수의 제조 공차가 매우 작고 최종 툴링 빈도에 거의 영향을 미치지 않기 때문입니다. 공급 업체에 따라 원자재의 매개 변수가 크게 다르며, 원자재 가격은 툴링 가공 비용의 80 % 이상을 차지합니다. 따라서 재료 특성에 대한 합리적인 허용 오차 범위를 설정해야합니다. 여기서 관련된 재료 특성은 밀도, 탄성 계수 및 음파 전파 속도입니다.
공차 분석은 ANSYS에서 임의의 Monte Carlo 시뮬레이션을 사용하여 Latin Hypercube 방법을 샘플링합니다. 샘플링 포인트의 분포를보다 균일하고 합리적으로 만들고 더 적은 포인트로 더 나은 상관 관계를 얻을 수 있기 때문입니다. 이 논문은 30 점을 설정합니다. 세 가지 재료 매개 변수의 공차가 Gauss에 따라 분포되고 처음에는 상한과 하한이 주어진 다음 ANSYS에서 계산된다고 가정합니다.
3.4.2 PDS 결과 분석
PDS 계산을 통해 30 개의 샘플링 포인트에 해당하는 목표 변수 값이 제공됩니다. 대상 변수의 분포는 알 수 없습니다. Minitab 소프트웨어를 사용하여 모수를 다시 맞추고 빈도는 기본적으로 정규 분포에 따라 분포됩니다. 이것은 공차 분석의 통계 이론을 보장합니다.
PDS 계산은 설계 변수에서 목표 변수의 공차 확장에 대한 피팅 공식을 제공합니다. 여기서 y는 목표 변수, x는 설계 변수, c는 상관 계수, i는 변수 번호입니다.

이에 따라 목표 공차를 각 설계 변수에 할당하여 공차 설계 작업을 완료 할 수 있습니다.
3.5 실험적 검증
앞 부분은 전체 용접 도구의 설계 프로세스입니다. 완료 후 설계에서 허용하는 재료 공차에 따라 원자재를 구매하여 제조에 전달합니다. 주파수 및 모달 테스트는 제조 완료 후 수행되며 사용되는 테스트 방법은 가장 간단하고 효과적인 스나이퍼 테스트 방법입니다. 가장 우려되는 지수는 1 차 축 방향 모달 주파수이기 때문에 가속도 센서는 작업 표면에 부착되고 다른 쪽 끝은 축 방향을 따라 쳐지며, 툴링의 실제 주파수는 스펙트럼 분석을 통해 얻을 수 있습니다. 설계 시뮬레이션 결과는 14925Hz, 테스트 결과는 14954Hz, 주파수 분해능은 16Hz, 최대 오차는 1 % 미만입니다. 모달 계산에서 유한 요소 시뮬레이션의 정확도가 매우 높다는 것을 알 수 있습니다.
실험 테스트를 통과 한 후 툴링은 초음파 용접기에서 생산 및 조립됩니다. 반응 조건이 좋다. 작업은 반년 이상 안정적이며 용접 자격 율이 높아 일반 장비 제조업체가 약속 한 3 개월 서비스 수명을 초과했습니다. 이는 설계가 성공적이고 제조 공정이 반복적으로 수정 및 조정되지 않아 시간과 인력을 절약한다는 것을 보여줍니다.
4 결론
이 논문은 초음파 플라스틱 용접의 원리로 시작하여 용접의 기술적 초점을 깊이 이해하고 새로운 툴링의 설계 개념을 제안합니다. 그런 다음 유한 요소의 강력한 시뮬레이션 기능을 사용하여 설계를 구체적으로 분석하고 DFSS의 6-Sigma 설계 아이디어를 도입하고 ANSYS DOE 실험 설계 및 PDS 공차 분석을 통해 중요한 설계 매개 변수를 제어하여 견고한 설계를 달성합니다. 마지막으로 툴링은 성공적으로 제작되었고 실험 주파수 테스트와 실제 생산 검증을 통해 디자인이 합리적이었습니다. 또한 이러한 설계 방법 세트가 실행 가능하고 효과적이라는 것을 증명합니다.


포스트 시간 : Nov-04-2020