超聲波模具是怎樣設(shè)計(jì)的
2018.06.07
超聲波模具是怎樣設(shè)計(jì)的
一只焊頭的使用壽命關(guān)鍵決定于兩個(gè)方面：一、材料，二、工藝
材料方面：超聲波焊接要求金屬材料有柔順性好（聲波傳遞過(guò)程中機(jī)械損耗小）好的特點(diǎn)，所以常用的材料為鋁合金及鈦合金
材料是保證超聲波模具壽命于熔接產(chǎn)品效果的主要原因之一，模具完成的過(guò)程是復(fù)雜的。所以不僅是模具工程師設(shè)計(jì)務(wù)必慎重選擇材質(zhì)，亦需了解本身產(chǎn)品要求該使用何種材質(zhì)，避免因疏忽而影響其時(shí)效與品質(zhì)。
一、鋁鎂合金(7075-T651,2024-T651,6061-T651)
1、7075T651：使用于振動(dòng)系統(tǒng)及Horn制造，該材料具有極高的機(jī)械屈服強(qiáng)度，硬度高，
熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，是理想的超聲波模具制造材料；
2、2024T651：一般使用與HORN制造，軔性佳，熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，硬度適中，用于一般塑膠制品。
3、6061T651：使用于較低出力之HORN制造，軔性佳，質(zhì)較軟。
二、鈦合金： 用于連續(xù)發(fā)振的機(jī)種，軔性較高，熱傳導(dǎo)佳，硬度高，而成本昂貴。
三、國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)鋁合金：國(guó)產(chǎn)料，用于普通鋁材加工，熱傳導(dǎo)低，對(duì)超音波機(jī)械損耗高，成本低。
生產(chǎn)一付超聲波模具，要考慮以下各項(xiàng)因素：
１、 產(chǎn)品的要求： 決定模具的使用壽命，磨損率，因而決定采用何種金屬。
２、 產(chǎn)品的形狀： 采用何種熔接工藝，設(shè)定模具的大小，壓力傳達(dá)區(qū)，產(chǎn)品在熔合時(shí)可能產(chǎn)生的變形，需要多大功率和何種功能。是否可以一次熔接 完成工作。
３、 產(chǎn)品的塑料性質(zhì)：決定模具的工作震幅，那一件工作應(yīng)接受超聲能量，導(dǎo)能線的形式，位置，大小。在不同的塑料組合時(shí)，應(yīng)怎樣設(shè)計(jì)接觸位？
４、 優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)
超聲波模具設(shè)計(jì)包括超聲波模具振幅，超聲波模具模具頻率參數(shù)，超聲波模具加工精度，超聲波模具使用壽命以下內(nèi)容
1、超聲波模具振幅
振幅對(duì)于需要焊接的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，相當(dāng)于鉻鐵的溫度，溫度達(dá)不到就會(huì)熔接不上，溫度過(guò)高就會(huì)使原材料燒焦或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強(qiáng)度變差。因?yàn)槊恳婚g公 司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經(jīng)過(guò)適配不同變比的變幅桿及焊頭，能夠校正焊頭的工作振幅以符合要求，通常換能器的輸出振幅為10—20μm，而工作振幅一般為30μm左 右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關(guān)，形狀來(lái)說(shuō)如指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等，對(duì)變比影響很大，前后面積比與總 變比成正比。貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機(jī)，簡(jiǎn)單的方法是按已工作的焊頭的比例尺寸制作，能保證振幅參數(shù)的穩(wěn)定
2、 超聲波模具模具頻率參數(shù)
任何公司的超聲波焊接機(jī)都有一個(gè)中心頻率，例如20KHz、40 KHz等，焊接機(jī)的工作頻率主要由換能器（Transducer）、變幅桿（Booster）、和焊頭（Horn）的機(jī)械共振頻率所決定，發(fā)生器的頻率根據(jù)機(jī)械共振頻率調(diào)整，以達(dá)到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個(gè)部份都設(shè)計(jì)成一個(gè)半波長(zhǎng)的諧振體。發(fā)生器及機(jī)械共振頻率都有一個(gè)諧振工作范圍，如一般設(shè)定為±0.5 KHz，在此范圍內(nèi)焊接機(jī)基本都能正常工作.我們制作每一個(gè)焊頭時(shí)，都會(huì)對(duì)諧振頻率作調(diào)整，要求做到諧振頻率與設(shè)計(jì)頻率誤差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會(huì)控制在19.90—20.10 KHz，誤差為5‰
3、 超聲波模具振動(dòng)節(jié)點(diǎn)
焊頭、變幅桿均被設(shè)計(jì)為一個(gè)工作頻率的半波長(zhǎng)諧振體，在工作狀態(tài)下，兩個(gè)端面的振幅大，應(yīng)力小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力大。節(jié)點(diǎn)位置一般設(shè)計(jì)為固定位，但通常的固定位設(shè)計(jì)時(shí)厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定為零振幅，這樣就會(huì)引致一些叫聲和一部分的能量損失，對(duì)于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進(jìn)行屏蔽，能量損失在設(shè)計(jì)振幅參數(shù)時(shí)予以考慮
4、 超聲波模具加工精度
超 聲波焊頭因?yàn)楣ぷ饔诟哳l振動(dòng)情況下，應(yīng)盡量保持一個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)，以避免聲波傳遞的不對(duì)稱性導(dǎo)致的不均衡應(yīng)力及橫向振動(dòng)（我們所用于焊接的焊頭利用的是超聲波 振動(dòng)的縱向傳遞，對(duì)于整個(gè)諧振系統(tǒng)而言），不均衡振動(dòng)能導(dǎo)致焊頭發(fā)熱及斷裂。超聲波焊接應(yīng)用于不同行業(yè)對(duì)加工精度要求是不同的，對(duì)于特別薄的工件如鋰離子 電池極片與極耳的焊接、金箔等的包覆等對(duì)加工精度的要求非常高，我們所有的加工設(shè)備均采用數(shù)控設(shè)備（如加工中心等），這樣才能保證加工出來(lái)的精度符合要 求。
一只焊頭的使用壽命關(guān)鍵決定于兩個(gè)方面：一、材料，二、工藝
材料方面：超聲波焊接要求金屬材料有柔順性好（聲波傳遞過(guò)程中機(jī)械損耗小）好的特點(diǎn)，所以常用的材料為鋁合金及鈦合金
材料是保證超聲波模具壽命于熔接產(chǎn)品效果的主要原因之一，模具完成的過(guò)程是復(fù)雜的。所以不僅是模具工程師設(shè)計(jì)務(wù)必慎重選擇材質(zhì)，亦需了解本身產(chǎn)品要求該使用何種材質(zhì)，避免因疏忽而影響其時(shí)效與品質(zhì)。
一、鋁鎂合金(7075-T651,2024-T651,6061-T651)
1、7075T651：使用于振動(dòng)系統(tǒng)及Horn制造，該材料具有極高的機(jī)械屈服強(qiáng)度，硬度高，
熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，是理想的超聲波模具制造材料；
2、2024T651：一般使用與HORN制造，軔性佳，熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，硬度適中，用于一般塑膠制品。
3、6061T651：使用于較低出力之HORN制造，軔性佳，質(zhì)較軟。
二、鈦合金： 用于連續(xù)發(fā)振的機(jī)種，軔性較高，熱傳導(dǎo)佳，硬度高，而成本昂貴。
三、國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)鋁合金：國(guó)產(chǎn)料，用于普通鋁材加工，熱傳導(dǎo)低，對(duì)超音波機(jī)械損耗高，成本低。
生產(chǎn)一付超聲波模具，要考慮以下各項(xiàng)因素：
１、 產(chǎn)品的要求： 決定模具的使用壽命，磨損率，因而決定采用何種金屬。
２、 產(chǎn)品的形狀： 采用何種熔接工藝，設(shè)定模具的大小，壓力傳達(dá)區(qū)，產(chǎn)品在熔合時(shí)可能產(chǎn)生的變形，需要多大功率和何種功能。是否可以一次熔接 完成工作。
３、 產(chǎn)品的塑料性質(zhì)：決定模具的工作震幅，那一件工作應(yīng)接受超聲能量，導(dǎo)能線的形式，位置，大小。在不同的塑料組合時(shí)，應(yīng)怎樣設(shè)計(jì)接觸位？
４、 優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)
超聲波模具設(shè)計(jì)包括超聲波模具振幅，超聲波模具模具頻率參數(shù)，超聲波模具加工精度，超聲波模具使用壽命以下內(nèi)容
1、超聲波模具振幅
振幅對(duì)于需要焊接的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，相當(dāng)于鉻鐵的溫度，溫度達(dá)不到就會(huì)熔接不上，溫度過(guò)高就會(huì)使原材料燒焦或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強(qiáng)度變差。因?yàn)槊恳婚g公 司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經(jīng)過(guò)適配不同變比的變幅桿及焊頭，能夠校正焊頭的工作振幅以符合要求，通常換能器的輸出振幅為10—20μm，而工作振幅一般為30μm左 右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關(guān)，形狀來(lái)說(shuō)如指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等，對(duì)變比影響很大，前后面積比與總 變比成正比。貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機(jī)，簡(jiǎn)單的方法是按已工作的焊頭的比例尺寸制作，能保證振幅參數(shù)的穩(wěn)定
2、 超聲波模具模具頻率參數(shù)
任何公司的超聲波焊接機(jī)都有一個(gè)中心頻率，例如20KHz、40 KHz等，焊接機(jī)的工作頻率主要由換能器（Transducer）、變幅桿（Booster）、和焊頭（Horn）的機(jī)械共振頻率所決定，發(fā)生器的頻率根據(jù)機(jī)械共振頻率調(diào)整，以達(dá)到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個(gè)部份都設(shè)計(jì)成一個(gè)半波長(zhǎng)的諧振體。發(fā)生器及機(jī)械共振頻率都有一個(gè)諧振工作范圍，如一般設(shè)定為±0.5 KHz，在此范圍內(nèi)焊接機(jī)基本都能正常工作.我們制作每一個(gè)焊頭時(shí)，都會(huì)對(duì)諧振頻率作調(diào)整，要求做到諧振頻率與設(shè)計(jì)頻率誤差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會(huì)控制在19.90—20.10 KHz，誤差為5‰
3、 超聲波模具振動(dòng)節(jié)點(diǎn)
焊頭、變幅桿均被設(shè)計(jì)為一個(gè)工作頻率的半波長(zhǎng)諧振體，在工作狀態(tài)下，兩個(gè)端面的振幅大，應(yīng)力小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力大。節(jié)點(diǎn)位置一般設(shè)計(jì)為固定位，但通常的固定位設(shè)計(jì)時(shí)厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定為零振幅，這樣就會(huì)引致一些叫聲和一部分的能量損失，對(duì)于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進(jìn)行屏蔽，能量損失在設(shè)計(jì)振幅參數(shù)時(shí)予以考慮
4、 超聲波模具加工精度
超 聲波焊頭因?yàn)楣ぷ饔诟哳l振動(dòng)情況下，應(yīng)盡量保持一個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)，以避免聲波傳遞的不對(duì)稱性導(dǎo)致的不均衡應(yīng)力及橫向振動(dòng)（我們所用于焊接的焊頭利用的是超聲波 振動(dòng)的縱向傳遞，對(duì)于整個(gè)諧振系統(tǒng)而言），不均衡振動(dòng)能導(dǎo)致焊頭發(fā)熱及斷裂。超聲波焊接應(yīng)用于不同行業(yè)對(duì)加工精度要求是不同的，對(duì)于特別薄的工件如鋰離子 電池極片與極耳的焊接、金箔等的包覆等對(duì)加工精度的要求非常高，我們所有的加工設(shè)備均采用數(shù)控設(shè)備（如加工中心等），這樣才能保證加工出來(lái)的精度符合要 求。
