Алғы сөз

Ультрадыбыстық технологияны дамыта отырып, оны қолдану кеңейе түседі, оны кішкене кір бөлшектерін тазартуға және металды немесе пластмассаны дәнекерлеуге қолдануға болады. Әсіресе, қазіргі заманғы пластмасса бұйымдарында ультрадыбыстық дәнекерлеу көбінесе қолданылады, өйткені бұрандалы құрылым алынып тасталған, сыртқы түрі анағұрлым жақсы болуы мүмкін, сондай-ақ гидрооқшаулағыш пен шаң өткізбеу функциясы қамтамасыз етілген. Пластикалық дәнекерлеу мүйізінің дизайны дәнекерлеудің соңғы сапасына және өндірістік қуатына маңызды әсер етеді. Жаңа электр есептегіштерін өндіруде ультрадыбыстық толқындар жоғарғы және төменгі беттерді біріктіру үшін қолданылады. Дегенмен, пайдалану кезінде кейбір мүйіздер құрылғыға орнатылып, жарылып, басқа да ақаулар қысқа мерзімде болатыны анықталды. Кейбір дәнекерлеу мүйізі Ақаулық деңгейі жоғары. Әр түрлі ақаулар өндіріске айтарлықтай әсер етті. Түсінуге сәйкес жабдық жеткізушілері мүйіз үшін шектеулі жобалық мүмкіндіктерге ие, және көбінесе бірнеше рет жөндеу арқылы жобалық көрсеткіштерге қол жеткізеді. Сондықтан ұзаққа созылатын мүйізді және ақылға қонымды дизайн әдісін жасау үшін өзіміздің технологиялық артықшылықтарымызды пайдалану қажет.

2 Ультрадыбыстық пластикалық дәнекерлеу принципі

Ультрадыбыстық пластикалық дәнекерлеу - бұл термопластиканың жоғары жиіліктегі мәжбүрлі дірілдегі тіркесімін қолданатын өңдеу әдісі, ал дәнекерлеу беттері бір-біріне үйкеліп, жергілікті жоғары температурадағы балқуды тудырады. Жақсы ультрадыбыстық дәнекерлеу нәтижелеріне қол жеткізу үшін жабдық, материалдар және технологиялық параметрлер қажет. Төменде оның принципіне қысқаша кіріспе келтірілген.

2.1 Ультрадыбыстық пластикалық дәнекерлеу жүйесі

1-сурет - дәнекерлеу жүйесінің схемалық көрінісі. Электр энергиясы түрлендіргішке (пьезоэлектрлік керамика) қолданылатын ультрадыбыстық жиіліктегі (> 20 кГц) айнымалы электр сигналын шығару үшін сигнал генераторы мен күшейткіш арқылы өткізіледі. Түрлендіргіш арқылы электр энергиясы механикалық дірілдің энергиясына айналады, ал механикалық дірілдің амплитудасы мүйіз арқылы тиісті жұмыс амплитудасына дейін реттеледі, содан кейін онымен байланысқан материалға мүйіз арқылы біркелкі беріледі. Екі дәнекерлеу материалының жанасу беттері жоғары жиілікті мәжбүрлі дірілге ұшырайды, ал үйкелетін жылу жергілікті жоғары температура балқуын тудырады. Салқындағаннан кейін материалдар дәнекерлеуге қол жеткізу үшін біріктіріледі.

Дәнекерлеу жүйесінде сигнал көзі дегеніміз - жиілік тұрақтылығы мен жетек қабілеті машинаның жұмысына әсер ететін күшейткіштің тізбегін қамтитын тізбек бөлігі. Материал термопластикалық болып табылады және буын бетінің дизайны жылу мен қондырғышты қалай тез шығаруға болатындығын қарастыруы керек. Түрлендіргіштерді, мүйіздер мен мүйіздерді олардың тербелісінің байланысын оңай талдау үшін механикалық құрылым деп санауға болады. Пластикалық дәнекерлеу кезінде механикалық діріл бойлық толқындар түрінде беріледі. Қуатты қалай тиімді беру керек және амплитудасын қалай реттеу керек - бұл дизайнның негізгі нүктесі.

2.2 мүйіз

Мүйіз ультрадыбыстық дәнекерлеу машинасы мен материал арасындағы байланыс интерфейсі ретінде қызмет етеді. Оның негізгі функциясы - вариатор шығарған бойлық механикалық дірілді материалға біркелкі және тиімді беру. Әдетте қолданылатын материал жоғары сапалы алюминий қорытпасы немесе тіпті титан қорытпасы болып табылады. Пластмассадан жасалған материалдардың дизайны қатты өзгеретіндіктен, сыртқы түрі мүлдем өзгеше болады, соған сәйкес мүйіз де өзгеруі керек. Діріл кезінде пластикке зақым келтірмеу үшін жұмыс бетінің пішіні материалмен жақсы үйлесуі керек; сонымен бірге бірінші ретті бойлық дірілдеудің қатты жиілігі дәнекерлеу машинасының шығыс жиілігімен үйлестірілуі керек, әйтпесе діріл энергиясы ішкі тұтынылатын болады. Мүйіз дірілдеген кезде жергілікті стресс концентрациясы пайда болады. Бұл жергілікті құрылымдарды қалай оңтайландыру керек, сонымен қатар дизайнды қарастыру керек. Бұл мақалада ANSYS дизайнының мүйізін жобалау параметрлері мен өндірістік төзімділікті оңтайландыру үшін қалай қолдану керектігі қарастырылған.

3 дәнекерлеу мүйізінің дизайны

Бұрын айтылғандай, дәнекерлеу мүйізінің дизайны өте маңызды. Қытайда ультрадыбыстық жабдықты жеткізушілер көп, олар өздерінің дәнекерлеу мүйіздерін шығарады, бірақ олардың едәуір бөлігі имитация болып табылады, содан кейін олар үнемі кесіліп, сыналады. Осы қайталанған реттеу әдісі арқылы мүйіз мен жабдық жиілігін үйлестіруге қол жеткізіледі. Бұл жұмыста мүйізді жобалау кезінде жиілікті анықтау үшін ақырғы элементтер әдісін қолдануға болады. Мүйіз сынағының нәтижесі және дизайн жиілігінің қателігі тек 1% құрайды. Сонымен бірге, бұл жұмыста DFSS (Design For Six Sigma) тұжырымдамасы мүйізді оңтайландыру және сенімді дизайн үшін ұсынылған. 6-Sigma дизайнының тұжырымдамасы - мақсатты жобалау үшін дизайн процесінде тапсырыс берушінің дауысын толығымен жинау; және түпкілікті өнімнің сапасының ақылға қонымды деңгейде бөлінуін қамтамасыз ету үшін өндіріс процесінде болуы мүмкін ауытқуларды алдын-ала қарастыру. Жобалау процесі 2-суретте көрсетілген. Жобалық индикаторларды дамытудан бастап, мүйіздің құрылымы мен өлшемдері бастапқыда қолданыстағы тәжірибеге сәйкес жасалады. Параметрлік модель ANSYS-те орнатылған, содан кейін модель модельдеу экспериментін жобалау (DOE) әдісімен анықталады. Қажетті параметрлерге сәйкес маңызды параметрлер мәнді анықтайды, содан кейін басқа параметрлерді оңтайландыру үшін қосымша проблема әдісін қолданады. Мүйізді дайындау және пайдалану кезінде материалдардың және қоршаған ортаның параметрлерінің әсерін ескере отырып, ол өндіріс шығындарының талаптарын қанағаттандыратын төзімділікпен жасалған. Ақырында, дизайн, сынақ және сынақ теориясының дизайны және нақты қателік, жеткізілетін дизайн көрсеткіштерін қанағаттандыру үшін. Келесі қадамдық егжей-тегжейлі кіріспе.

3.1 Геометриялық пішіннің дизайны (параметрлік модельді құру)

Дәнекерлеу мүйізін жобалау алдымен оның шамамен геометриялық пішіні мен құрылымын анықтайды және кейінгі талдау үшін параметрлік моделін белгілейді. 3 а) сурет - ең көп таралған дәнекерлеу мүйізінің дизайны, онда U тәрізді бірнеше ойықтар шамамен кубоидты материалда діріл бағытында ашылады. Жалпы өлшемдер - X, Y және Z бағыттарының ұзындықтары, ал X және Y бүйірлік өлшемдері дәнекерленетін дайындаманың өлшемімен салыстыруға болады. Z ұзындығы ультрадыбыстық толқынның жарты толқын ұзындығына тең, өйткені классикалық дірілдеу теориясында созылған объектінің бірінші ретті осьтік жиілігі оның ұзындығымен анықталады, ал жарты толқын ұзындығы акустикамен дәл сәйкес келеді толқын жиілігі. Бұл дизайн ұзартылды. Қолдану, дыбыстық толқындардың таралуына пайдалы. U-тәрізді ойықтың мақсаты - мүйіздің бүйірлік дірілінің жоғалуын азайту. Орналасуы, мөлшері мен саны мүйіздің жалпы өлшеміне сәйкес анықталады. Бұл дизайнда еркін реттелетін параметрлер аз болатынын көруге болады, сондықтан біз осы негізде жақсартулар жасадық. Сурет 3 б) - бұл дәстүрлі конструкциядан гөрі тағы бір өлшем параметрі бар жаңадан жасалған мүйіз, R. сыртқы доға радиусы R. Сонымен қатар, мүйіздің жұмыс бетіне ойық пластикалық дайындаманың бетімен жұмыс жасау үшін ойылған, бұл тербеліс энергиясын беру және дайындаманы зақымданудан қорғауға пайдалы. Бұл модель жүйелі түрде ANSYS-те, содан кейін келесі эксперименттік дизайнда параметрлік түрде модельденеді.

3.2 DOE эксперименттік дизайны (маңызды параметрлерді анықтау)

DFSS практикалық инженерлік мәселелерді шешу үшін құрылған. Ол кемелдікке ұмтылмайды, бірақ тиімді және берік. Ол 6-Сигма идеясын бейнелейді, негізгі қайшылықты қабылдайды және «99,97%» -дан бас тартады, сонымен бірге дизайн қоршаған ортаның өзгергіштігіне айтарлықтай төзімді болуын талап етеді. Сондықтан мақсатты параметрді оңтайландыруды жасамас бұрын, алдымен оны електен өткізіп, құрылымға маңызды әсер ететін өлшемді таңдап, олардың мәндерін беріктік қағидасына сәйкес анықтау керек.

3.2.1 DOE параметрін орнату және DOE

Дизайн параметрлері - мүйіз пішіні және U-тәрізді ойықтың өлшемдік жағдайы және т.б., барлығы сегіз. Мақсатты параметр - осьтік дірілдің бірінші ретті жиілігі, себебі ол дәнекерлеуге үлкен әсер етеді, ал максималды шоғырланған кернеу мен жұмыс бетінің амплитудасының айырмашылығы күй айнымалысы ретінде шектеледі. Тәжірибеге сүйене отырып, нәтижелердің параметрлерге әсері сызықтық болады деп ұйғарылады, сондықтан әрбір фактор тек жоғары және төмен екі деңгейге қойылады. Параметрлер мен сәйкес атаулар тізімі келесідей.

DOE ANSYS-те бұрын орнатылған параметрлік модель арқылы орындалады. Бағдарламалық жасақтаманың шектеулеріне байланысты, толық факторлы DOE тек 7 параметрді қолдана алады, ал модельде 8 параметр бар, ал ANSYS-тің DOE нәтижелерін талдауы кәсіби 6-sigma бағдарламалық жасақтамасы сияқты жан-жақты емес және өзара әрекеттесуді басқара алмайды. Сондықтан біз APDL-ді бағдарламаның нәтижелерін есептеу және шығару үшін DOE циклын жазу үшін қолданамыз, содан кейін деректерді талдау үшін Minitab-қа қоямыз.

3.2.2 DOE нәтижелерін талдау

Минитабтың DOE талдауы 4-суретте көрсетілген және негізгі әсер етуші факторларды талдау мен өзара әрекеттесуді талдауды қамтиды. Негізгі әсер етуші факторлық талдау мақсатты айнымалыға жобалық айнымалы өзгерістердің қайсысы көбірек әсер ететіндігін анықтау үшін қолданылады, сол арқылы олардың қайсысы маңызды дизайн айнымалыларын көрсетеді. Одан кейін факторлардың өзара әрекеттесуі талданып, факторлар деңгейін анықтауға және дизайн айнымалыларының байланысу дәрежесін төмендетуге мүмкіндік береді. Жобалау коэффициенті жоғары немесе төмен болған кезде басқа факторлардың өзгеру дәрежесін салыстырыңыз. Тәуелсіз аксиомаға сәйкес, оңтайлы дизайн бір-бірімен байланыстырылмайды, сондықтан аз өзгергіштігін таңдаңыз.

Осы құжаттағы дәнекерлеу мүйізінің талдау нәтижелері мыналар болып табылады: құрылымның маңызды параметрлері - сыртқы доға радиусы және мүйіз ойығының ені. Екі параметрдің де деңгейі «жоғары», яғни DOE-де радиус үлкен мән алады, ал ойық ені де үлкен мән алады. Маңызды параметрлер мен олардың мәндері анықталды, содан кейін ANSYS-те дәнекерлеу машинасының жұмыс жиілігіне сәйкес мүйіз жиілігін реттеу үшін дизайнды оңтайландыру үшін бірнеше басқа параметрлер қолданылды. Оңтайландыру процесі келесідей.

3.3 Мақсатты параметрді оңтайландыру (мүйіз жиілігі)

Дизайнды оңтайландырудың параметрлері DOE-ге ұқсас. Айырмашылық мынада: екі маңызды параметрдің мәні анықталды, ал қалған үш параметр шу ретінде қарастырылатын және оңтайландыруға болмайтын материалдың қасиеттерімен байланысты. Реттелетін қалған үш параметр - слоттың осьтік орналасуы, ұзындығы және мүйіз ені. Оптимизация ANSYS-те кіші проблеманы жуықтау әдісін қолданады, бұл инженерлік есептерде кеңінен қолданылатын әдіс және нақты процесс алынып тасталған.

Мақсатты айнымалы ретінде жиілікті пайдалану жұмыс барысында аздап шеберлікті қажет ететіндігін атап өткен жөн. Көптеген дизайн параметрлері және вариацияның кең ауқымы болғандықтан, мүйіздің діріл режимдері қызығушылықтың жиілік диапазонында көп. Егер модальді талдаудың нәтижесі тікелей қолданылса, онда бірінші ретті осьтік режимді табу қиынға соғады, өйткені параметрлер өзгерген кезде модальді реттіліктің бір-бірімен қабаттасуы орын алуы мүмкін, яғни бастапқы режимге сәйкес табиғи жиіліктік реттік өзгергенде. Сондықтан, бұл мақалада алдымен модальды талдау қабылданады, содан кейін жиіліктің жауап қисығын алу үшін модальді суперпозиция әдісі қолданылады. Жиіліктік жауап қисығының жоғарғы мәнін табу арқылы ол сәйкес модальды жиілікті қамтамасыз ете алады. Бұл модальды қолмен анықтау қажеттілігін жоққа шығаратын автоматты оңтайландыру процесінде өте маңызды.

Оңтайландыру аяқталғаннан кейін, мүйіздің жобалық жұмыс жиілігі мақсатты жиілікке өте жақын болуы мүмкін, ал қателік оңтайландыруда көрсетілген төзімділік мәнінен аз болады. Осы кезде мүйіз дизайны негізінен анықталады, содан кейін өндірісті жобалауға өндірістік төзімділік болады.

3.4 Толеранттылық дизайны

Жалпы құрылымдық жобалау барлық жобалау параметрлері анықталғаннан кейін аяқталады, бірақ инженерлік проблемалар үшін, әсіресе жаппай өндірістің құнын қарастырған кезде төзімділікті жобалау өте маңызды. Төмен дәлдіктің құны да азаяды, бірақ жобалық көрсеткіштерді орындау мүмкіндігі сандық есептеулер үшін статистикалық есептеулерді қажет етеді. ANSYS ішіндегі PDS ықтималдықтарын жобалау жүйесі жобалау параметрлерінің төзімділігі мен мақсатты параметрлердің төзімділігі арасындағы байланысты жақсы талдай алады және толық есеп файлдарын жасай алады.

3.4.1 PDS параметрлері мен есептеулері

DFSS идеясына сәйкес төзімділікті талдау маңызды жобалау параметрлері бойынша жүргізілуі керек, ал басқа жалпы төзімділікті эмпирикалық жолмен анықтауға болады. Бұл жұмыстағы жағдай ерекше, өйткені өңдеу қабілетіне сәйкес геометриялық жобалау параметрлерінің өндірістік төзімділігі өте аз және соңғы мүйіз жиілігіне аз әсер етеді; ал шикізаттың параметрлері жеткізушілерге байланысты әр түрлі, ал шикізат бағасы мүйізді өңдеу шығындарының 80% -дан астамын құрайды. Сондықтан материалдың қасиеттеріне негізделген төзімділік диапазонын орнату қажет. Бұл жерде материалдың сәйкес қасиеттері тығыздық, серпімділік модулі және дыбыс толқындарының таралу жылдамдығы болып табылады.

Толеранттылықты талдау латындық Hypercube әдісін таңдау үшін ANSYS-те кездейсоқ Монте-Карло модельдеуін қолданады, өйткені ол іріктеу нүктелерінің таралуын біркелкі және ақылға қонымды етіп, аз нүктелермен жақсы корреляция алады. Бұл жұмыста 30 ұпай бар. Материалдық үш параметрдің рұқсат етілгендігі Гаусс бойынша үлестіріліп, басында жоғарғы және төменгі шегі берілген, содан кейін ANSYS бойынша есептелген деп есептейік.

3.4.2 PDS нәтижелерін талдау

PDS есептеу арқылы 30 іріктеу нүктесіне сәйкес келетін мақсатты айнымалы мәндер келтірілген. Мақсатты айнымалылардың таралуы белгісіз. Параметрлер Minitab бағдарламалық жасақтамасының көмегімен қайтадан орнатылады және жиілік негізінен қалыпты үлестірімге сәйкес бөлінеді. Бұл толеранттылықты талдаудың статистикалық теориясын қамтамасыз етеді.

PDS есебі жобалық айнымалыдан мақсатты айнымалының төзімділік кеңеюіне сәйкес келетін формуланы береді: мұндағы y - мақсатты айнымалы, х - дизайн айнымалысы, c - корреляция коэффициенті, мен - айнымалы сан.

Осыған сәйкес, мақсатты төзімділікті жобалық тапсырманы орындау үшін әр айнымалыға тағайындауға болады.

3.5 Тәжірибелік тексеру

Алдыңғы бөлік - бұл бүкіл дәнекерлеу мүйізін жобалау процесі. Аяқтағаннан кейін шикізат жобада рұқсат етілген материал төзімділікке сәйкес сатып алынады, содан кейін өндіріске жеткізіледі. Жиілік пен модальді тестілеу өндіріс аяқталғаннан кейін жүзеге асырылады, ал қолданылатын сынау әдісі ең қарапайым және тиімді мергендерді сынау әдісі болып табылады. Бірінші реттік осьтік модальді жиілік ең көп мазалайтын индекс болғандықтан, үдеу датчигі жұмыс бетіне бекітіліп, екінші ұшын осьтік бағытта соғады және мүйіздің нақты жиілігін спектрлік анализ арқылы алуға болады. Дизайнды модельдеу нәтижесі 14925 Гц, сынақ нәтижесі 14954 Гц, жиіліктің ажыратымдылығы 16 Гц, ал максималды қателік 1% -дан аз. Модальды есептеулерде ақырғы элементтерді модельдеу дәлдігі өте жоғары екендігі байқалады.

Тәжірибелік сынақтан өткеннен кейін мүйіз өндіріске және ультрадыбыстық дәнекерлеу машинасында құрастырылады. Реакцияның жағдайы жақсы. Жұмыс жарты жылдан астам уақыт тұрақты болды, ал дәнекерлеудің біліктілігі жоғары, бұл жалпы жабдық шығарушы уәде еткен үш айлық қызмет мерзімінен асып түсті. Бұл дизайн сәтті болғандығын және өндіріс процесі уақыт пен жұмыс күшін үнемдейтін бірнеше рет өзгертіліп, реттелмегендігін көрсетеді.

4 Қорытынды

Бұл жұмыс ультрадыбыстық пластикалық дәнекерлеу принципінен басталып, дәнекерлеудің техникалық бағытын терең түсініп, жаңа мүйіздің дизайн тұжырымдамасын ұсынады. Содан кейін дизайнды нақты талдау үшін ақырлы элементтің қуатты имитациялық функциясын қолданыңыз және DFSS-тің 6-Sigma жобалық идеясын енгізіңіз және сенімді дизайнға жету үшін ANSYS DOE эксперименттік дизайны және PDS төзімділікті талдау арқылы дизайнның маңызды параметрлерін басқарыңыз. Ақырында, мүйіз бір рет сәтті шығарылды, ал эксперименталды жиілікті сынау және өндірісті нақты тексеру арқылы дизайны орынды болды. Сондай-ақ, бұл жобалау әдістерінің жиынтығы орынды және тиімді екендігін дәлелдейді.