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用有限元模擬聲場環境設計超聲波模具

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超聲波焊接機模具工裝的設計相當重要。國內有不少超聲波設備供應商自行生產焊接工裝,但是他們中有相當一部分是仿制已有,然后不斷的修整工裝、測試,通過這種反復調整的方法達到工裝與設備頻率協調的目的。



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   設計焊接工裝首先是確定其大致的幾何外型和結構,并建立參數化模型,以便進行后繼分析。)是最為常見焊接工裝的設計,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。Z的長度等于超聲波的半波長,因為在經典的振動理論里面,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,這種設計一直被延用,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、大小和個數根據工裝整體尺寸確定??梢娫谶@種設計中,可以自由調控的參數較少,因此必勒在此基礎上做了改進。圖三b)是新設計的工裝,比傳統設計多了一個尺寸參數: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工件表明不受到傷害。對此模型在ANSYS中進行常規的參數化建模,然后進行下一步實驗設計。



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通過有限元方法,在設計工裝時就能把頻率確定,制造出來的工裝測試結果與設計頻率誤差不過1%。同時,引入DFSS(Design For Six Sigma)的理念,對工裝進行優化和健壯設計。6-Sigma設計的理念是在設計過程中充分收集客戶心聲進行針對性的設計;并且預先考慮生產過程可能出現的偏差,保證最終產品的質量分布在合理的水平內。設計流程從制定設計指標開始,首先根據已有經驗初步設計工裝的結構和外型尺寸,在ANSYS中建立參數化模型,然后通過仿真實驗設計(DOE)方法確定模型中的重要參數,根據健壯要求,確定數值,接著對其他參數用子問題法進行尋優??紤]到工裝在制造和使用過程中材料、環境參數的影響,還對其進行了公差設計,滿足制造成本的要求。最后是制造、測試檢驗理論設計和實際的誤差,滿足設計指標即交付使用。以下逐步進行詳細介紹。

2021221


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