超聲波模具（HORN）有限元分析
溫州洪渝機(jī)械設(shè)備有限公司可提供超聲波模具有限元分析~13587696390
超聲波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塑料,、布料焊接工藝中,。焊接工裝（Horn）,，因其對結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面的高性能要求,，傳統(tǒng)的仿造,、修模設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)塑料產(chǎn)品多變的要求,。本文從超聲波塑料焊接的原理入手,，通過有限元法進(jìn)行固有頻率和模態(tài)分析,，設(shè)計(jì)新型工裝,，滿足有效傳遞和均勻分配振動能量的功能要求,。在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合ANSYS的參數(shù)化建模、全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化（DOE）和概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)（PDS）模塊,，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和健壯性設(shè)計(jì),，調(diào)整幾何尺寸，使得工裝的固有頻率和超聲波頻率匹配,，對應(yīng)的模態(tài)在工作面振幅均勻,，減少了局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問題,，同時對材料和環(huán)境的參數(shù)變化有較好的適應(yīng)性。所設(shè)計(jì)的工裝一次加工完成投入使用,，避免了反復(fù)修整工裝所帶來的時間和成本上的浪費(fèi),。
關(guān)鍵詞：超聲波塑料焊接、超聲波布料熔接
前言
隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展,，其應(yīng)用越來越廣泛,，可以用來清洗微小臟污顆粒，也可以用于布料或塑料的焊接,。尤其是現(xiàn)在的塑料制品,，大多采用超聲波焊接，因?yàn)槭∪チ寺葆斀Y(jié)構(gòu),，可以使得外觀更完美,，而且還有防水防塵的功能。其中塑料焊接工裝（Horn）的設(shè)計(jì)對最終焊接質(zhì)量和生產(chǎn)能力有著重要的影響,。在新型電表的生產(chǎn)中也是使用超聲波將上下兩個面殼融合到一起,，但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)，有的工裝安裝到機(jī)器上使用很短一段時間就發(fā)生開裂等失效,，有的工裝焊接產(chǎn)品的缺陷率較高,。各種故障對生產(chǎn)造成了相當(dāng)嚴(yán)重的影響。根據(jù)了解,，是由于設(shè)備供應(yīng)商對工裝的設(shè)計(jì)能力有限,，往往是通過反復(fù)修模來達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此我們有必要利用自身的技術(shù)優(yōu)勢開發(fā)耐用的工裝以及一套合理的設(shè)計(jì)方法,。
超聲波塑料焊接原理
超聲波塑料焊接是利用了熱塑性塑料在高頻受迫振動時,，焊接面相互摩擦產(chǎn)生局部高溫融化結(jié)合的一種加工方法。為了達(dá)到良好的超聲波焊接效果,，需要設(shè)備,、物料和工藝參數(shù)等幾方面的配合。以下簡單介紹其原理,。
1.超聲波塑料焊接系統(tǒng)
焊接系統(tǒng)的解釋,。電能通過信號發(fā)生器和功放，產(chǎn)生超聲頻率（> 20 kHz）的交變電信號,，加到換能器上（壓電陶瓷）,。經(jīng)過換能器，電能變?yōu)闄C(jī)械振動的能量,，機(jī)械振動的振幅由變幅器調(diào)整至合適的工作振幅，然后通過工具頭（焊接工裝）,，均勻地傳遞到與之接觸的物料上,。兩個焊接物料的接觸面做高頻受迫振動,，摩擦生熱導(dǎo)致局部高溫融化，冷卻后物料結(jié)合到一起,， 實(shí)現(xiàn)焊接,。在焊接系統(tǒng)中，信號源是電路部分,，包含功放電路,，其頻率穩(wěn)定性和驅(qū)動能力會影響到機(jī)器的性能。物料是熱塑性塑料,，結(jié)合面的設(shè)計(jì)需要考慮如何快速產(chǎn)生熱能和對接良好,。
換能器、變幅器和工具頭都可看作機(jī)械結(jié)構(gòu),，便于分析其振動的耦合,。在塑料焊接中，機(jī)械振動是以縱波的形式傳遞的,，如何有效傳遞能量和調(diào)整振幅是設(shè)計(jì)的要點(diǎn),。
工具頭（焊接工裝）
工具頭作為超聲波焊接機(jī)和物料的接觸界面，其主要功能是將由變幅器輸出的縱向機(jī)械振動均勻有效地傳遞到物料上,，所用的材料通常是優(yōu)質(zhì)鋁合金甚至鈦合金,。因?yàn)樗芰衔锪系脑O(shè)計(jì)變化多，外型千差萬別,，工具頭也要隨之而變化,。工作面的形狀要與物料配合良好，在振動時才不至于損傷塑料表明,；同時其一階縱向振動固由頻率要與焊接機(jī)的輸出頻率協(xié)調(diào),，否則振動能量會被內(nèi)耗掉。工具頭在振動時,，局部會產(chǎn)生應(yīng)力集中,，如何優(yōu)化這些局部結(jié)構(gòu)也是設(shè)計(jì)時需要
考慮的問題。本文就如何應(yīng)用ANSYS設(shè)計(jì)工具頭,，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和制造公差進(jìn)行探討,。
焊接工裝的設(shè)計(jì)
如前所述，焊接工裝的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要,。國內(nèi)有不少超聲波設(shè)備供應(yīng)商自行生產(chǎn)焊接工裝,，但是他們中有相當(dāng)一部分是仿制已有，然后不斷的修整工裝,、測試,，通過這種反復(fù)調(diào)整的方法達(dá)到工裝與設(shè)備頻率協(xié)調(diào)的目的。本文通過有限元方法,，在設(shè)計(jì)工裝時就能把頻率確定,，制造出來的工裝測試結(jié)果與設(shè)計(jì)頻率誤差不過1％,。同時，本文引入DFSS（Design For Six Sigma）的理念,， 對工裝進(jìn)行優(yōu)化和健壯設(shè)計(jì),。6-Sigma設(shè)計(jì)的理念是在設(shè)計(jì)過程中充分收集客戶心聲進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)；并且預(yù)先考慮生產(chǎn)過程可能出現(xiàn)的偏差,，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量分布在合理的水平內(nèi),。設(shè)計(jì)流程如圖二所示，從制定設(shè)計(jì)指標(biāo)開始,，首先根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)工裝的結(jié)構(gòu)和外型尺寸,，在ANSYS中建立參數(shù)化模型，然后通過仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法確定模型中的重要參數(shù),，根據(jù)健壯要求,，確定數(shù)值，接著對其他參數(shù)用子問題法進(jìn)行尋優(yōu),?？紤]到工裝在制造和使用過程中材料、環(huán)境參數(shù)的影響,，還對其進(jìn)行了公差設(shè)計(jì),，滿足制造成本的要求。最后是制造,、測試檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)和實(shí)際的誤差,，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)即交付使用。以下逐步進(jìn)行詳細(xì)介紹,。
幾何外型設(shè)計(jì)（建立參數(shù)化模型）
設(shè)計(jì)焊接工裝首先是確定其大致的幾何外型和結(jié)構(gòu),，并建立參數(shù)化模型，以便進(jìn)行后繼分析,。是最為常見焊接工裝的設(shè)計(jì),，在一個近似長方體的材料上沿振動方向豁開若干個U型槽。整體尺寸是X,、Y,、Z三個方向的長度，通常橫向尺寸X和Y與被焊接工件的大小相當(dāng),。Z的長度等于超聲波的半波長,，因?yàn)樵诮?jīng)典的振動理論里面，長條型物體的一階軸向頻率是由它的長度確定 的,，半波長度正好與聲波頻率匹配,，這種設(shè)計(jì)一直被延用，有利與聲波的傳播。U型槽的目的是減少工裝橫向振動的損耗,，位置,、大小和個數(shù)根據(jù)工裝整體尺寸確定?？梢娫谶@種設(shè)計(jì)中，可以自由調(diào)控的參數(shù)較少,，因此我們在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn),。圖三b）是新設(shè)計(jì)的工裝，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多了一個尺寸參數(shù)：外弧半徑R,。另外,，在工裝的工作面雕刻出凹槽與塑料工件表面配合，有利于傳遞振動能量和保護(hù)工件表明不受到傷害,。對此模型在ANSYS中進(jìn)行常規(guī)的參數(shù)化建模,，然后進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（確定重要參數(shù)）
DFSS是為解決實(shí)際工程問題而產(chǎn)生的,，它不追求完美,，而是有效、健壯設(shè)計(jì),。它體現(xiàn)了6-Sigma的思想,，抓住主要矛盾，舍棄“99.97％”以外的,，同時要求設(shè)計(jì)對環(huán)境變異有相當(dāng)?shù)牡挚鼓芰Α?/span>因此,，在做目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化前應(yīng)先進(jìn)行篩選，挑出對結(jié)構(gòu)有重要影響的尺寸,，根據(jù)健壯性原則確定它們的數(shù)值,。
DOE參數(shù)設(shè)置和進(jìn)行DOE
設(shè)計(jì)參數(shù)是工裝外型和U型槽的尺寸位置等，共8個,。目標(biāo)參數(shù)是一階軸向振動頻率,，因?yàn)樗?span style="font-size:12px;">對焊接影響最大，而最大集中應(yīng)力和工作面振幅差異作為狀態(tài)變量來限制,。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn),，假設(shè)參數(shù)對結(jié)果的影響是線性的，因此每個因素只設(shè)置高,、低兩個水平,。參數(shù)和對應(yīng)的名字列表如下：
表一：優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)對照表
使用前面建立的參數(shù)化模型在ANSYS中進(jìn)行DOE。由于軟件限制,，全因子DOE最多只能使用7個參數(shù),，而模型有8個參數(shù)，而且ANSYS本身對DOE結(jié)果的分析沒有專業(yè)的6-sigma軟件那么全面，不能處理交互作用,。因此,，我們利用APDL編寫DOE循環(huán)計(jì)算并提取計(jì)算結(jié)果的程序，然后將這些數(shù)據(jù)放到Minitab里面進(jìn)行分析,。
DOE結(jié)果分析
Minitab的DOE分析如圖所示,，包含主影響因素分析和交互作用分析。主影響因素分析用于判斷哪個設(shè)計(jì)變量的變化對目標(biāo)變量影響較大,，由此指出哪些是重要的設(shè)計(jì)變量,。然后分析因素間的交互影響，目的是確定因素的水平,，使得設(shè)計(jì)變量之間的耦合程度減少,。比較某個設(shè)計(jì)因素分別在高、低水平時,，其他因素變化程度的大小,。根據(jù)獨(dú)立公理，最優(yōu)設(shè)計(jì)是互不耦合的,，因此選擇變化程度較小的那個水平,。
DOE結(jié)果分析
本文對焊接工裝的分析結(jié)果是：重要設(shè)計(jì)參數(shù)是工裝外弧半徑和開槽寬度。兩個參數(shù)的水平都是“高”較好,，即半徑取DOE中偏大的值,，槽寬也取偏大的值。確定了重要參數(shù)和他們的數(shù)值,，然后用其他幾個參數(shù)在ANSYS中做設(shè)計(jì)優(yōu)化,，以調(diào)整工裝頻率匹配焊接機(jī)的工作頻率。優(yōu)化過程如下所述,。
目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化（工裝頻率）
設(shè)計(jì)優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置和DOE的類似,，不同的是其中2個重要參數(shù)的數(shù)值已經(jīng)確定，另外有3個參數(shù)和材料屬性相關(guān),，視為噪音,，不能作優(yōu)化。剩下3個可以調(diào)整的參數(shù)是開槽的軸向位置,，長度和工裝寬度,。優(yōu)化采用ANSYS中的子問題逼近法，這是一種在工程問題中廣泛應(yīng)用的方法,， 值得注意的是用頻率作為目標(biāo)變量,，在操作上需要使用一點(diǎn)技巧。因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)較多,，變化范圍寬,，工裝的振動模態(tài)在感興趣的頻率范圍內(nèi)有很多個,。如果直接使用模態(tài)分析的結(jié)果，從中找出一階軸向模態(tài)比較困難,，因?yàn)閰?shù)變化時可能發(fā)生模態(tài)順序交錯的現(xiàn)象,，即原先模態(tài)對應(yīng)的固有頻率序數(shù)會發(fā)生變化。因此本文采用先進(jìn)行模態(tài)分析,，然后用模態(tài)疊加法得出頻響曲線,，通過找頻響曲線的峰值可以確保對應(yīng)的是需要的模態(tài)頻率。這在自動優(yōu)化過程中非常重要,，免除了人工判斷模態(tài)的步驟,。優(yōu)化完成后可以使工裝的設(shè)計(jì)工作頻率十分接近目標(biāo)頻率，誤差小于優(yōu)化時指定的公差值,。至此，工裝設(shè)計(jì)基本確定,，接下來是為生產(chǎn)設(shè)計(jì)制造公差,。
公差設(shè)計(jì)
一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在確定全部設(shè)計(jì)參數(shù)后即告完成，但是對于工程問題,，尤其是考慮到批量制造的成本時,，公差設(shè)計(jì)必不可少。低精度的成本也降低,，但是能否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需要利用統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行定量計(jì)算,。ANSYS中的PDS概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠較好地完成設(shè)計(jì)參數(shù)公差和目標(biāo)參數(shù)公差關(guān)系的分析，并能產(chǎn)生完整的相關(guān)報告文件,。
PDS參數(shù)設(shè)置和進(jìn)行計(jì)算
按照DFSS的思路,，應(yīng)該對重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行公差擴(kuò)展分析，其他一般公差按照經(jīng)驗(yàn)確定即可,。本文的情況較為特殊,，因?yàn)榘凑諜C(jī)械加工的能力，幾何設(shè)計(jì)參數(shù)的制造公差非常小,，對最終工裝頻率幾乎沒有影響,；而原材料的參數(shù)卻因供應(yīng)商而有較大的差異，同時原材料的價格占工裝加工費(fèi)用的80％以上,。所以需要對材料屬性設(shè)定一個合理的公差范圍,。這里相關(guān)的材料屬性是密度，彈性模量和聲波傳播速度,。公差分析采用ANSYS中的隨機(jī)Monte Carlo 仿真,，抽樣選擇Latin Hypercube方法，因?yàn)樗軌?/span>使抽樣點(diǎn)的分布比較均勻合理,，通過較少的點(diǎn)數(shù)獲得較好的相關(guān),，本文設(shè)為30個點(diǎn)。假設(shè)3個材料參數(shù)的公差都按Gauss分布，初步給定一個上下限,，然后在ANSYS中進(jìn)行計(jì)算,。
PDS結(jié)果分析
通過PDS的計(jì)算，給出了30個抽樣點(diǎn)對應(yīng)的目標(biāo)變量值,，如圖五所示,。目標(biāo)變量的分布是未知 的，再次使用Minitab軟件進(jìn)行參數(shù)擬合,，確認(rèn)頻率基本還是按照正態(tài)分布的,，這樣可以保證公差分析在統(tǒng)計(jì)理論上的正確性。
Monte
Carlo仿真頻率分布柱狀圖
PDS計(jì)算給出了一條從設(shè)計(jì)變量到目標(biāo)變量公差擴(kuò)張的擬合公式：其中,，y是目標(biāo)變量,，x是設(shè)計(jì)變量，c是相關(guān)系數(shù),，i是變量序號,。據(jù)此，可以將目標(biāo)公差分配到各個設(shè)計(jì)變量中,，完成公差設(shè)計(jì)的任務(wù),。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
前面進(jìn)行的是整個焊接工裝的設(shè)計(jì)過程，完成后按照設(shè)計(jì)允許的材料公差采購原材料,，然后交付制造,。制造完成后進(jìn)行頻率、模態(tài)測試,，采用的測試方法是最簡單有效捶擊測試法,。因?yàn)樽?/span>關(guān)心的指標(biāo)一階軸向模態(tài)頻率，所以將加速度傳感器貼在工作面上,，沿軸向敲擊另一端,，通過譜分析可以得到工裝的實(shí)際頻率。設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果是14925 Hz,，測試結(jié)果是14954 Hz,，頻率分辨率是16 Hz，最大誤差不超過1％,。由此可見有限元仿真在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時的準(zhǔn)確性非常高,。工裝在通過實(shí)驗(yàn)測試后投入生產(chǎn)裝配到超聲波焊接機(jī)上使用后反應(yīng)情況良好，使用半年多時間 以來工作穩(wěn)定,，焊接合格率高,，已經(jīng)超過了一般設(shè)備商承諾的3個月使用壽命。由此說明設(shè)計(jì)是成功的,，而且制造過程沒有反復(fù)修改,、調(diào)整,，節(jié)省了時間和人力物力。
結(jié)論
本文通過從超聲波塑料焊接原理入手,，深入掌握焊接的技術(shù)重點(diǎn),，提出新型工裝的設(shè)計(jì)概念。然后利用有限元強(qiáng)大的仿真功能對設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析,，并且引入DFSS的6-Sigma設(shè)計(jì)思想,，通過ANSYS的DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和PDS公差分析控制重要設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)健壯性設(shè)計(jì),。最后工裝一次制造成功,，通過實(shí)驗(yàn)頻率測試和實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證，證明了該設(shè)計(jì)是合理的,。同時也證明了這一套設(shè)計(jì)方法是可行有效的,。
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