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用有限元模拟声场环境设计超声波模具

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超声波焊接机模具工装的设计相当重要。国内有不少超声波设备供应商自行生产焊接工装,但是他们中有相当一部分是仿制已有,然后不断的修整工装、测试,通过这种反复调整的方法达到工装与设备频率协调的目的。



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   设计焊接工装首先是确定其大致的几何外型和结构,并建立参数化模型,以便进行后继分析。)是最为常见焊接工装的设计,在一个近似长方体的材料上沿振动方向豁开若干个U型槽。整体尺寸是X、Y、Z三个方向的长度,通常横向尺寸X和Y与被焊接工件的大小相当。Z的长度等于超声波的半波长,因为在经典的振动理论里面,长条型物体的一阶轴向频率是由它的长度确定的,半波长度正好与声波频率匹配,这种设计一直被延用,有利与声波的传播。U型槽的目的是减少工装横向振动的损耗,位置、大小和个数根据工装整体尺寸确定。可见在这种设计中,可以自由调控的参数较少,因此必勒在此基础上做了改进。图三b)是新设计的工装,比传统设计多了一个尺寸参数:外弧半径R。另外,在工装的工作面雕刻出凹槽与塑料工件表面配合,有利于传递振动能量和保护工件表明不受到伤害。对此模型在ANSYS中进行常规的参数化建模,然后进行下一步实验设计。



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通过有限元方法,在设计工装时就能把频率确定,制造出来的工装测试结果与设计频率误差不过1%。同时,引入DFSS(Design For Six Sigma)的理念,对工装进行优化和健壮设计。6-Sigma设计的理念是在设计过程中充分收集客户心声进行针对性的设计;并且预先考虑生产过程可能出现的偏差,保证最终产品的质量分布在合理的水平内。设计流程从制定设计指标开始,首先根据已有经验初步设计工装的结构和外型尺寸,在ANSYS中建立参数化模型,然后通过仿真实验设计(DOE)方法确定模型中的重要参数,根据健壮要求,确定数值,接着对其他参数用子问题法进行寻优。考虑到工装在制造和使用过程中材料、环境参数的影响,还对其进行了公差设计,满足制造成本的要求。最后是制造、测试检验理论设计和实际的误差,满足设计指标即交付使用。以下逐步进行详细介绍。

2021221


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