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超声波模具设计方法介绍

发布时间:2019-11-30作者:admin阅读:64

一、超声波模具怎么设计


超声波模具设计是一个十分复杂的工作,需要根据模具材料,尺寸以及机器频率,声学原理等因素综合考虑。简单的说,超声波模具开槽目的是破坏超声波传输中产生的横波,一般开槽是在1/2横波波长位置,这主要是根据声学原理来考量。至于模具为什么要做成上下宽度不一样,主要是考虑增加出力,原理类似于将声波出力放大。一个好的模具是焊接稳定的最重要前提,如果模具设计不好会导致一些列焊接问题,如焊接不均匀,模具发热,噪音,甚至开裂等等!

超声波模具的纵向共振频率也就是其工作频率,它必须与换能器振动系统的共振频率保持一致, 否则将导致振动系统纵向工作效率下降 。 而工具的横向共振则必须尽量抑制。模具的振动可分以下三种状态:


(1)超声波模具的横向尺寸远小于纵向尺寸, 一般要求2倍以上, 即l,≥2lx, l,≥21y,横向谐振频率远高于其纵向共振频率, 因此, 横向振动对纵向振动影响不大, 超声波模具为什么要开槽工具振动类似于沿Z 方向的细长棒的一维纵振动,此时,可以利用一维理论设计超声波模具能够满足实用上的精度要求。


(2)在模具的两个横向尺寸中,其中之一远小于模具的纵向尺寸, 即满足12)21,(或l,)但模具的另一个横向尺寸较大, 接近或超过模具的纵向尺寸, 此时声波的辐射面为一狭长的矩形面, 对应于较小尺寸方向上的横向振动可以忽略不计, 但是对应于较大尺寸方向上的横向共振频率与纵向共振频率比较接近,两者将相互作用。因此,该方向上的横向振动对纵向产生较大的影响。此时, 一维理论不再适用, 必须利用揺合振动理论来分析、 研究及设计此类系统, 且此横向振动应加以抑制。


( 3 )超声波模具的两个横向尺寸皆与其纵向尺寸可相比拟, 此时工具的声波辐射面为一长与宽相差不大的大尺寸短形面,工具的纵向共振频率与其两个横向共振频率比较接近。在这种情况下,由于泊松效应的影响,工具在纵向共振的同时, 在其两个横向也产生较强的振动。纵振动与横振动之问的相互编合使工具的纵向振动状态发生变化,此时,如果仍采用一维理论来计算及设计工具, 理论与实验将出现较大的误差,因此,必须利用上述细合振动理论对工具的三维相合振动进行研究。并且为了保证工具的工作效率及其辐射面上位移分布的均匀性, 必须对其两个方向的横向振动分别加以有效的抑制。


二、浅谈超声波模具的设计方法


模具的振幅参数设计:振幅对于需要焊接的材料来说是一个关键参数,相当于铬铁的温度,温度达不到就会熔接不上,温度过高就会使原材料烧焦或导致结构破坏而强度变差。因其选择的换能器不同,换能器输出的振幅都有所不同,经过适配不同变比的变幅杆及焊头,能够校正焊头的工作振幅以符合要求,通常换能器的输出振幅为10—20μm,而工作振幅一般为30μm左右,变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状,前后面积比等因素有关,形状来说如指数型变幅、函数型变幅、阶梯型变幅等,对变比影响很大,前后面积比与总变比成正比。如选用的是不同的焊机,最简单的方法是按已工作的焊头的比例尺寸制作,能保证振幅参数的稳定。


模具频率参数设计:超声波焊接机都有一个中心频率,例如20KHz、40 KHz等,焊接机的工作频率主要由换能器(Transducer)、变幅杆(Booster)、和焊头(Horn)的机械共振频率所决定,发生器的频率根据机械共振频率调整,以达到一致,使焊头工作在谐振状态,每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围,如一般设定为±0.5 KHz,在此范围内焊接机基本都能正常工作.其制作每一个焊头时,都会对谐振频率作调整,要求做到谐振频率与设计频率误差小于0.1 KHZ,如 20KHz 焊头,焊头的频率会控制在19.90—20.10 KHz,误差为5‰。


模具振动节点设计:焊头、变幅杆均被设计为一个工作频率的半波长谐振体,在工作状态下,两个端面的振幅最大,应力最小,而相当于中间位置的节点振幅为零,应力最大。节点位置一般设计为固定位,但通常的固定位设计时厚度要大于3mm,或者是凹槽固定,所以固定位并不是一定为零振幅,这样就会引致一些叫声和一部分的能量损失,对于叫声通常用橡胶圈同其它部件隔离,或采用隔声材料进行屏蔽,能量损失在设计模具振幅参数时予以考虑。


模具加工精度设计:超声波焊头因为工作于高频振动情况下,应尽量保持一个对称设计,以避免声波传递的不对称性导致的不均衡应力及横向振动(所用于焊接的焊头利用的是超声波振动的纵向传递,对于整个谐振系统而言),不均衡振动能导致焊头发热及断裂。超声波焊接应用于不同行业对加工精度要求是不同的,对于特别薄的工件如锂离子电池极片与极耳的焊接、金箔等的包覆等对加工精度的要求非常高,所有的加工设备均采用数控设备(如加工中心等),这样才能保证加工出来的精度符合要求。


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