超聲波模具(jù)（HORN）有(yǒu)限元分(fēn)析

溫州洪渝機械設備有(yǒu)限公(gōng)司可(kě)提供超聲波模具(jù)有(yǒu)限元分(fēn)析~13587696390

　　  超聲波技(jì )術已經廣泛應用(yòng)于塑料、布料焊接工(gōng)藝中(zhōng)。焊接工(gōng)裝(zhuāng)（Horn），因其對結構動力學(xué)方面的高性能(néng)要求，傳統的仿造、修模設計方法已不能(néng)适應塑料産(chǎn)品多(duō)變的要求。本文(wén)從超聲波塑料焊接的原理(lǐ)入手，通過有(yǒu)限元法進行固有(yǒu)頻率和模态分(fēn)析，設計新(xīn)型工(gōng)裝(zhuāng)，滿足有(yǒu)效傳遞和均勻分(fēn)配振動能(néng)量的功能(néng)要求。在設計過程中(zhōng)結合ANSYS的參數化建模、全因子實驗設計優化（DOE）和概率設計系統（PDS）模塊，進行參數設計和健壯性設計，調整幾何尺寸，使得工(gōng)裝(zhuāng)的固有(yǒu)頻率和超聲波頻率匹配，對應的模态在工(gōng)作(zuò)面振幅均勻，減少了局部結構應力集中(zhōng)的問題，同時對材料和環境的參數變化有(yǒu)較好的适應性。所設計的工(gōng)裝(zhuāng)一次加工(gōng)完成投入使用(yòng)，避免了反複修整工(gōng)裝(zhuāng)所帶來的時間和成本上的浪費。

關鍵詞：超聲波塑料焊接、超聲波布料熔接

  前言

　　  随着超聲波技(jì )術的發展，其應用(yòng)越來越廣泛，可(kě)以用(yòng)來清洗微小(xiǎo)髒污顆粒，也可(kě)以用(yòng)于布料或塑料的焊接。尤其是現在的塑料制品，大多(duō)采用(yòng)超聲波焊接，因為(wèi)省去了螺釘結構，可(kě)以使得外觀更完美，而且還有(yǒu)防水防塵的功能(néng)。其中(zhōng)塑料焊接工(gōng)裝(zhuāng)（Horn）的設計對最終焊接質(zhì)量和生産(chǎn)能(néng)力有(yǒu)着重要的影響。在新(xīn)型電(diàn)表的生産(chǎn)中(zhōng)也是使用(yòng)超聲波将上下兩個面殼融合到一起，但是在使用(yòng)過程中(zhōng)發現，有(yǒu)的工(gōng)裝(zhuāng)安(ān)裝(zhuāng)到機器上使用(yòng)很(hěn)短一段時間就發生開裂等失效，有(yǒu)的工(gōng)裝(zhuāng)焊接産(chǎn)品的缺陷率較高。各種故障對生産(chǎn)造成了相當嚴重的影響。根據了解，是由于設備供應商(shāng)對工(gōng)裝(zhuāng)的設計能(néng)力有(yǒu)限，往往是通過反複修模來達到設計指标。因此我們有(yǒu)必要利用(yòng)自身的技(jì )術優勢開發耐用(yòng)的工(gōng)裝(zhuāng)以及一套合理(lǐ)的設計方法。

　　  超聲波塑料焊接原理(lǐ)

　　  超聲波塑料焊接是利用(yòng)了熱塑性塑料在高頻受迫振動時，焊接面相互摩擦産(chǎn)生局部高溫融化結合的一種加工(gōng)方法。為(wèi)了達到良好的超聲波焊接效果，需要設備、物(wù)料和工(gōng)藝參數等幾方面的配合。以下簡單介紹其原理(lǐ)。

　　  1.超聲波塑料焊接系統

　　  焊接系統的解釋。電(diàn)能(néng)通過信号發生器和功放，産(chǎn)生超聲頻率（> 20 kHz）的交變電(diàn)信号，加到換能(néng)器上（壓電(diàn)陶瓷）。經過換能(néng)器，電(diàn)能(néng)變為(wèi)機械振動的能(néng)量，機械振動的振幅由變幅器調整至合适的工(gōng)作(zuò)振幅，然後通過工(gōng)具(jù)頭（焊接工(gōng)裝(zhuāng)），均勻地傳遞到與之接觸的物(wù)料上。兩個焊接物(wù)料的接觸面做高頻受迫振動，摩擦生熱導緻局部高溫融化，冷卻後物(wù)料結合到一起， 實現焊接。在焊接系統中(zhōng)，信号源是電(diàn)路部分(fēn)，包含功放電(diàn)路，其頻率穩定性和驅動能(néng)力會影響到機器的性能(néng)。物(wù)料是熱塑性塑料，結合面的設計需要考慮如何快速産(chǎn)生熱能(néng)和對接良好。

　　 換能(néng)器、變幅器和工(gōng)具(jù)頭都可(kě)看作(zuò)機械結構，便于分(fēn)析其振動的耦合。在塑料焊接中(zhōng)，機械振動是以縱波的形式傳遞的，如何有(yǒu)效傳遞能(néng)量和調整振幅是設計的要點。

　　 工(gōng)具(jù)頭（焊接工(gōng)裝(zhuāng)）

　　 工(gōng)具(jù)頭作(zuò)為(wèi)超聲波焊接機和物(wù)料的接觸界面，其主要功能(néng)是将由變幅器輸出的縱向機械振動均勻有(yǒu)效地傳遞到物(wù)料上，所用(yòng)的材料通常是優質(zhì)鋁合金甚至钛合金。因為(wèi)塑料物(wù)料的設計變化多(duō)，外型千差萬别，工(gōng)具(jù)頭也要随之而變化。工(gōng)作(zuò)面的形狀要與物(wù)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的輸出頻率協調，否則振動能(néng)量會被内耗掉。工(gōng)具(jù)頭在振動時，局部會産(chǎn)生應力集中(zhōng)，如何優化這些局部結構也是設計時需要

　　 考慮的問題。本文(wén)就如何應用(yòng)ANSYS設計工(gōng)具(jù)頭，優化設計參數和制造公(gōng)差進行探讨。

 焊接工(gōng)裝(zhuāng)的設計

　　 如前所述，焊接工(gōng)裝(zhuāng)的設計相當重要。國(guó)内有(yǒu)不少超聲波設備供應商(shāng)自行生産(chǎn)焊接工(gōng)裝(zhuāng)，但是他(tā)們中(zhōng)有(yǒu)相當一部分(fēn)是仿制已有(yǒu)，然後不斷的修整工(gōng)裝(zhuāng)、測試，通過這種反複調整的方法達到工(gōng)裝(zhuāng)與設備頻率協調的目的。本文(wén)通過有(yǒu)限元方法，在設計工(gōng)裝(zhuāng)時就能(néng)把頻率确定，制造出來的工(gōng)裝(zhuāng)測試結果與設計頻率誤差不過1％。同時，本文(wén)引入DFSS（Design For Six Sigma）的理(lǐ)念， 對工(gōng)裝(zhuāng)進行優化和健壯設計。6-Sigma設計的理(lǐ)念是在設計過程中(zhōng)充分(fēn)收集客戶心聲進行針對性的設計；并且預先考慮生産(chǎn)過程可(kě)能(néng)出現的偏差，保證最終産(chǎn)品的質(zhì)量分(fēn)布在合理(lǐ)的水平内。設計流程如圖二所示，從制定設計指标開始，首先根據已有(yǒu)經驗初步設計工(gōng)裝(zhuāng)的結構和外型尺寸，在ANSYS中(zhōng)建立參數化模型，然後通過仿真實驗設計（DOE）方法确定模型中(zhōng)的重要參數，根據健壯要求，确定數值，接着對其他(tā)參數用(yòng)子問題法進行尋優。考慮到工(gōng)裝(zhuāng)在制造和使用(yòng)過程中(zhōng)材料、環境參數的影響，還對其進行了公(gōng)差設計，滿足制造成本的要求。最後是制造、測試檢驗理(lǐ)論設計和實際的誤差，滿足設計指标即交付使用(yòng)。以下逐步進行詳細介紹。

　　 幾何外型設計（建立參數化模型）

　　 設計焊接工(gōng)裝(zhuāng)首先是确定其大緻的幾何外型和結構，并建立參數化模型，以便進行後繼分(fēn)析。是最為(wèi)常見焊接工(gōng)裝(zhuāng)的設計，在一個近似長(cháng)方體(tǐ)的材料上沿振動方向豁開若幹個U型槽。整體(tǐ)尺寸是X、Y、Z三個方向的長(cháng)度，通常橫向尺寸X和Y與被焊接工(gōng)件的大小(xiǎo)相當。Z的長(cháng)度等于超聲波的半波長(cháng)，因為(wèi)在經典的振動理(lǐ)論裏面，長(cháng)條型物(wù)體(tǐ)的一階軸向頻率是由它的長(cháng)度确定 的，半波長(cháng)度正好與聲波頻率匹配，這種設計一直被延用(yòng)，有(yǒu)利與聲波的傳播。U型槽的目的是減少工(gōng)裝(zhuāng)橫向振動的損耗，位置、大小(xiǎo)和個數根據工(gōng)裝(zhuāng)整體(tǐ)尺寸确定。可(kě)見在這種設計中(zhōng)，可(kě)以自由調控的參數較少，因此我們在此基礎上做了改進。圖三b）是新(xīn)設計的工(gōng)裝(zhuāng)，比傳統設計多(duō)了一個尺寸參數：外弧半徑R。另外，在工(gōng)裝(zhuāng)的工(gōng)作(zuò)面雕刻出凹槽與塑料工(gōng)件表面配合，有(yǒu)利于傳遞振動能(néng)量和保護工(gōng)件表明不受到傷害。對此模型在ANSYS中(zhōng)進行常規的參數化建模，然後進行下一步實驗設計。

　　 DOE實驗設計（确定重要參數）

　　 DFSS是為(wèi)解決實際工(gōng)程問題而産(chǎn)生的，它不追求完美，而是有(yǒu)效、健壯設計。它體(tǐ)現了6-Sigma的思想，抓住主要矛盾，舍棄“99.97％”以外的，同時要求設計對環境變異有(yǒu)相當的抵抗能(néng)力。因此，在做目标參數優化前應先進行篩選，挑出對結構有(yǒu)重要影響的尺寸，根據健壯性原則确定它們的數值。

 DOE參數設置和進行DOE

　　 設計參數是工(gōng)裝(zhuāng)外型和U型槽的尺寸位置等，共8個。目标參數是一階軸向振動頻率，因為(wèi)它對焊接影響最大，而最大集中(zhōng)應力和工(gōng)作(zuò)面振幅差異作(zuò)為(wèi)狀态變量來限制。根據已有(yǒu)經驗，假設參數對結果的影響是線(xiàn)性的，因此每個因素隻設置高、低兩個水平。參數和對應的名(míng)字列表如下：

　　 表一：優化設計參數對照表

　　 使用(yòng)前面建立的參數化模型在ANSYS中(zhōng)進行DOE。由于軟件限制，全因子DOE最多(duō)隻能(néng)使用(yòng)7個參數，而模型有(yǒu)8個參數，而且ANSYS本身對DOE結果的分(fēn)析沒有(yǒu)專業的6-sigma軟件那麽全面，不能(néng)處理(lǐ)交互作(zuò)用(yòng)。因此，我們利用(yòng)APDL編寫DOE循環計算并提取計算結果的程序，然後将這些數據放到Minitab裏面進行分(fēn)析。

　　 DOE結果分(fēn)析

　　 Minitab的DOE分(fēn)析如圖所示，包含主影響因素分(fēn)析和交互作(zuò)用(yòng)分(fēn)析。主影響因素分(fēn)析用(yòng)于判斷哪個設計變量的變化對目标變量影響較大，由此指出哪些是重要的設計變量。然後分(fēn)析因素間的交互影響，目的是确定因素的水平，使得設計變量之間的耦合程度減少。比較某個設計因素分(fēn)别在高、低水平時，其他(tā)因素變化程度的大小(xiǎo)。根據獨立公(gōng)理(lǐ)，最優設計是互不耦合的，因此選擇變化程度較小(xiǎo)的那個水平。

　　 DOE結果分(fēn)析

　　 本文(wén)對焊接工(gōng)裝(zhuāng)的分(fēn)析結果是：重要設計參數是工(gōng)裝(zhuāng)外弧半徑和開槽寬度。兩個參數的水平都是“高”較好，即半徑取DOE中(zhōng)偏大的值，槽寬也取偏大的值。确定了重要參數和他(tā)們的數值，然後用(yòng)其他(tā)幾個參數在ANSYS中(zhōng)做設計優化，以調整工(gōng)裝(zhuāng)頻率匹配焊接機的工(gōng)作(zuò)頻率。優化過程如下所述。

　　 目标參數優化（工(gōng)裝(zhuāng)頻率）

　　 設計優化的參數設置和DOE的類似，不同的是其中(zhōng)2個重要參數的數值已經确定，另外有(yǒu)3個參數和材料屬性相關，視為(wèi)噪音，不能(néng)作(zuò)優化。剩下3個可(kě)以調整的參數是開槽的軸向位置，長(cháng)度和工(gōng)裝(zhuāng)寬度。優化采用(yòng)ANSYS中(zhōng)的子問題逼近法，這是一種在工(gōng)程問題中(zhōng)廣泛應用(yòng)的方法， 值得注意的是用(yòng)頻率作(zuò)為(wèi)目标變量，在操作(zuò)上需要使用(yòng)一點技(jì )巧。因為(wèi)設計參數較多(duō)，變化範圍寬，工(gōng)裝(zhuāng)的振動模态在感興趣的頻率範圍内有(yǒu)很(hěn)多(duō)個。如果直接使用(yòng)模态分(fēn)析的結果，從中(zhōng)找出一階軸向模态比較困難，因為(wèi)參數變化時可(kě)能(néng)發生模态順序交錯的現象，即原先模态對應的固有(yǒu)頻率序數會發生變化。因此本文(wén)采用(yòng)先進行模态分(fēn)析，然後用(yòng)模态疊加法得出頻響曲線(xiàn)，通過找頻響曲線(xiàn)的峰值可(kě)以确保對應的是需要的模态頻率。這在自動優化過程中(zhōng)非常重要，免除了人工(gōng)判斷模态的步驟。優化完成後可(kě)以使工(gōng)裝(zhuāng)的設計工(gōng)作(zuò)頻率十分(fēn)接近目标頻率，誤差小(xiǎo)于優化時指定的公(gōng)差值。至此，工(gōng)裝(zhuāng)設計基本确定，接下來是為(wèi)生産(chǎn)設計制造公(gōng)差。

　　 公(gōng)差設計

　　 一般的結構設計在确定全部設計參數後即告完成，但是對于工(gōng)程問題，尤其是考慮到批量制造的成本時，公(gōng)差設計必不可(kě)少。低精(jīng)度的成本也降低，但是能(néng)否滿足設計指标需要利用(yòng)統計特性進行定量計算。ANSYS中(zhōng)的PDS概率設計系統能(néng)夠較好地完成設計參數公(gōng)差和目标參數公(gōng)差關系的分(fēn)析，并能(néng)産(chǎn)生完整的相關報告文(wén)件。 

PDS參數設置和進行計算

　　 按照DFSS的思路，應該對重要設計參數進行公(gōng)差擴展分(fēn)析，其他(tā)一般公(gōng)差按照經驗确定即可(kě)。本文(wén)的情況較為(wèi)特殊，因為(wèi)按照機械加工(gōng)的能(néng)力，幾何設計參數的制造公(gōng)差非常小(xiǎo)，對最終工(gōng)裝(zhuāng)頻率幾乎沒有(yǒu)影響；而原材料的參數卻因供應商(shāng)而有(yǒu)較大的差異，同時原材料的價格占工(gōng)裝(zhuāng)加工(gōng)費用(yòng)的80％以上。所以需要對材料屬性設定一個合理(lǐ)的公(gōng)差範圍。這裏相關的材料屬性是密度，彈性模量和聲波傳播速度。公(gōng)差分(fēn)析采用(yòng)ANSYS中(zhōng)的随機Monte Carlo 仿真，抽樣選擇Latin Hypercube方法，因為(wèi)它能(néng)夠使抽樣點的分(fēn)布比較均勻合理(lǐ)，通過較少的點數獲得較好的相關，本文(wén)設為(wèi)30個點。假設3個材料參數的公(gōng)差都按Gauss分(fēn)布，初步給定一個上下限，然後在ANSYS中(zhōng)進行計算。

　　 PDS結果分(fēn)析

　　 通過PDS的計算，給出了30個抽樣點對應的目标變量值，如圖五所示。目标變量的分(fēn)布是未知 的，再次使用(yòng)Minitab軟件進行參數拟合，确認頻率基本還是按照正态分(fēn)布的，這樣可(kě)以保證公(gōng)差分(fēn)析在統計理(lǐ)論上的正确性。

Monte Carlo仿真頻率分(fēn)布柱狀圖

　　 PDS計算給出了一條從設計變量到目标變量公(gōng)差擴張的拟合公(gōng)式：其中(zhōng)，y是目标變量，x是設計變量，c是相關系數，i是變量序号。據此，可(kě)以将目标公(gōng)差分(fēn)配到各個設計變量中(zhōng)，完成公(gōng)差設計的任務(wù)。

　　 實驗驗證

　　 前面進行的是整個焊接工(gōng)裝(zhuāng)的設計過程，完成後按照設計允許的材料公(gōng)差采購(gòu)原材料，然後交付制造。制造完成後進行頻率、模态測試，采用(yòng)的測試方法是最簡單有(yǒu)效捶擊測試法。因為(wèi)最關心的指标一階軸向模态頻率，所以将加速度傳感器貼在工(gōng)作(zuò)面上，沿軸向敲擊另一端，通過譜分(fēn)析可(kě)以得到工(gōng)裝(zhuāng)的實際頻率。設計的仿真結果是14925 Hz，測試結果是14954 Hz，頻率分(fēn)辨率是16 Hz，最大誤差不超過1％。由此可(kě)見有(yǒu)限元仿真在進行模态計算時的準确性非常高。工(gōng)裝(zhuāng)在通過實驗測試後投入生産(chǎn)裝(zhuāng)配到超聲波焊接機上使用(yòng)後反應情況良好，使用(yòng)半年多(duō)時間 以來工(gōng)作(zuò)穩定，焊接合格率高，已經超過了一般設備商(shāng)承諾的3個月使用(yòng)壽命。由此說明設計是成功的，而且制造過程沒有(yǒu)反複修改、調整，節省了時間和人力物(wù)力。

　　結論

本文(wén)通過從超聲波塑料焊接原理(lǐ)入手，深入掌握焊接的技(jì )術重點，提出新(xīn)型工(gōng)裝(zhuāng)的設計概念。然後利用(yòng)有(yǒu)限元強大的仿真功能(néng)對設計進行具(jù)體(tǐ)分(fēn)析，并且引入DFSS的6-Sigma設計思想，通過ANSYS的DOE實驗設計和PDS公(gōng)差分(fēn)析控制重要設計參數，實現健壯性設計。最後工(gōng)裝(zhuāng)一次制造成功，通過實驗頻率測試和實際生産(chǎn)的驗證，證明了該設計是合理(lǐ)的。同時也證明了這一套設計方法是可(kě)行有(yǒu)效的。