Разработка установки для ультразвуковой сварки корпусных изделий из жестких пластмасс Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014

УДК 621.791.16:621.397

Л.А. Шестель, L.A. Shestel, e-mail: [email protected]

Ю.А. Саяпин, Yu.A. Sayapin

Д.А. Куташов, D.A. Kutashov

А.М. Семёнов, A .M. Semenov

Д.О. Ермолай, D.O. Ermolay

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia

РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ КОРПУСНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖЕСТКИХ ПЛАСТМАСС

DEVELOPMENT INSTALLATION FOR ULTRASONIC WELDING OF HULL PRODUCTS MADE OF HARD PLASTIC

Рассмотрен вопрос разработки технологии и оборудования для многоточечной ультразвуковой сварки корпусных конструкций из жестких пластмасс.

The question of developing technologies and equipment for multi-point ultrasonic welding of hull structures of hard plastic.

Ключевые слова: сварка, ультразвук, корпусные конструкции, технология, оборудование, жесткие пластмассы

Keywords: welding, ultrasonic, housing construction, technology, equipment, rigid plastics

При изготовлении пластмассовых корпусов приборов различного назначения (радиоприемники, телевизоры, измерительные приборы), на рабочих поверхностях корпусов устанавливаются накладные элементы (фальш-панели, шильдики, вкладыши и др.), например, для ручек управления, шкал для индикации сигналов, акустических решеток радиоаппаратуры, деталей крепления и т.д., совместное изготовление которых, в процессе изготовления корпусов методом литья под давлением, затруднительно.

Такие корпуса и накладные элементы, как правило, изготавливаются из технологичных и широко применяемых марок ударопрочного полистирола, например, УПМ-523.

Для фиксации этих деталей на корпусе, используют различные способы соединения -с помощью органических растворителей, нагретого инструмента по расплавляемым выступам (заклепкам) и др. Однако, эти способы часто не отвечают условиям производительности процесса, качеству сварных соединений, а также требованиям экологичности к производственному процессу. Наиболее приемлемым в этом случае является способ ультразвуковой сварки (УЗС) [1].

Сварку деталей - вкладыша к корпусу прибора из полистирола УПМ-523 выполняли по разработанной технологии УЗС по схеме контактной сварки (в ближнем поле). Площадь контакта вкладыша с корпусом, по которой необходимо было их сваривать, составляла 10х20мм. В ходе работы определялись оптимальные параметры процесса ультразвуковой сварки - частота (f кГц), амплитуда ультразвуковых колебаний (А мкм), сварочное давление (Рсв МПа), время сварки (t с.). Частота ультразвуковых колебаний была принята равной 40 кГц. [2].

На рис. 1 представлены исследования выходных характеристик ультразвуковых сварочных головок и определены максимальные значения амплитуд на заданных частотах с данными рабочими инструментами.

377

Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014

А, мкм

35

25

15

30 50 70 f .кГц

Рис.1. Зависимость амплитуды УЗК рабочих торцев сварочных головок от частоты генератора

Была разработана и изготовлена стержневая двухполуволновая ультразвуковая колебательная система с использованием магнитострикционного преобразователя мощностью 150 Вт., с возможностью водяного охлаждения. Рабочий инструмент был выполнен ножевым экспоненциальной формы с размерами рабочего торца 3 х 4 мм, при этом амплитуда его составляла 25-27 мкм. Питание ультразвуковой сварочной головки осуществлялось от разработанного малогабаритного ультразвукового генератора мощностью 200 Вт.

Исследования процесса сварки проводили на лабораторной установке, обеспечивающей условия выбранной технологической схемы. Переменными параметрами в экспериментах были приняты - время ультразвукового воздействия на свариваемые детали и усилие, оказываемое на них сварочным инструментом.

Изучали условия, обеспечивающие образование сварного соединения по площади контакта, привариваемой к корпусу детали, обладающей необходимой, по техническим условиям, прочностью при отсутствии дефектов на поверхности изделия при различных режимах сварки.

На рис. 2 приведены результаты экспериментов по определению оптимального сварочного давления. Качество сварки определяли посредством механических испытаний, путем отрыва приваренной детали от корпуса, на разрывной машине РП-100. Величина сварочного давления ограничивается условием нормальной работы акустической системы сварочной головки. Превышение определённых значений сварочного давления приводит к выходу акустической системы из резонанса.

Рр, % к осн. м

75 50 25

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Яз. та

Рис. 2. Зависимость прочности сварных соединений от сварочного давления

378

Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014

Опытным путём были установлены оптимальные значения режимов сварки - сварочное давление 2,5 МПа, время сварки 0,3 с.

Для одноточечной ультразвуковой сварки вкладыша к корпусу прибора была разработана опытная установка настольного исполнения (рис. 3).

Рис.3. Общий вид установки для ультразвуковой сварки деталей корпуса прибора из полистирола

В состав её входят следующие элементы - сварочный узел, механизм размещения и подачи изделия под сварку, блок управления работой установки, система охлаждения сварочной головки. Все они размещены в корпусе, выполненном из тонколистовой стали.

Сварочный узел представляет собой ультразвуковую магнитострикционную колебательную систему стержневого типа мощностью 150 Вт, работающую на частоте 40 кГц, которая помещена в цилиндрический корпус для обеспечения водяного её охлаждения. Корпус установлен в направляющей гильзе с пружинным механизмом, обеспечивающим возможность настройки и создания сварочного давления в рабочей зоне. В консольной части корпуса, над сварочным узлом, расположено распределительное устройство, включающее провода, предназначенные для подвода к сварочной головке электроэнергии и гибкие трубопроводы для подвода и отвода охлаждающей ультразвуковую колебательную систему воды. В нижней части корпуса установки под сварочной головкой расположен механизм подачи изделия в зону сварки. Он представляет собой наклонную плиту, на которой закреплено приспособление для фиксации элементов изделия под сварку, при этом плита имеет возможность вертикального перемещения по цилиндрической направляющей с помощью клинового механизма до контакта под сварочным давлением изделия с рабочим торцом ультразвукового инструмента. Перемещение клина в направляющей в горизонтальном направлении осуществляется с помощью электромагнита с сердечником. Управление работой ультразвуковой сварочной головки - настройка в режим резонанса, установка времени работы головки, обеспечивает блок управления, встроенный в корпус установки.

Безопасная работа на установке: включение её в рабочий цикл, осуществляется двумя спаренными кнопками, расположенными на консоли в нижней передней части установки.

379

Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014

Техническая характеристика установки

Потребляемая мощность, кВт 0,75

Напряжение питающей сети, В 220

Мощность сварочной головки, кВт 0,15

Резонансная частота сварочной головки, кГц 40,0

Пределы регулирования сварочного усилия, Н 0 - 200

Габаритные размеры установки, мм 180х150х450

Масса, кг (без блока управления) 30

Библиографический список

1. Волков, С. С. Сварка пластмасс ультразвуком / С. С. Волков, Б. Я. Черняк. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1986. - 256 с.

2. Волков, С. С. Разработка процесса ультразвуковой сварки изделий из полиэтилен-терефта-латных пленок / С. С. Волков, Л. А. Шестель, В. А. Соколов // Сварка и диагностика. - 2013. - № 2. - С. 58-62.

3. Волков, С. С. Сварка фторопластов / С. С. Волков, В. А. Соколов - М. : Химия, 1992. - 96 с.

380