超聲波模具原理與超聲波模具設(shè)計(jì)

超聲波模具原理與超聲波模具設(shè)計(jì)　　

　　塑膠制品單面工件經(jīng)注塑機(jī)注塑成型后，必須用物理或化學(xué)方法跟另一面進(jìn)行連接。超聲波焊接是高效、高質(zhì)和低耗的連接方法。也是目前應(yīng)用最廣泛、最簡(jiǎn)單快捷的連接方式?！　?/span>

　　超聲波焊接的原理是用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的15000Hz、20000Hz或更高頻率的機(jī)械能，通過調(diào)幅器及焊頭（Horn）傳遞到工件表面，使塑料件產(chǎn)生內(nèi)摩擦熱，從而使塑膠熔融連接。在此過程中，超聲波模具（Horn）是至關(guān)重要的部件之一。要將熱塑性材料焊接成一件好的工件就絕對(duì)離不開一個(gè)好的焊頭。好的焊頭必須經(jīng)專業(yè)工程師的精確設(shè)計(jì)，切勿認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)焊頭也需要工程師是在小題大做。許多半懂不懂的山寨公司，只知道依葫蘆畫瓢地照抄別家公司的模具設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)生非常不理想的焊接效果，甚至把客戶的機(jī)器損壞。使用一個(gè)加工設(shè)計(jì)不當(dāng)或未經(jīng)過調(diào)諧的焊頭，將給客戶的生產(chǎn)帶來巨大的損失，既達(dá)不到良好的焊接效果，甚至?xí)?dǎo)致超聲波換能器和超聲波發(fā)生器的損壞。

　　　因此，對(duì)客戶的生產(chǎn)來說，找一家專業(yè)的公司，設(shè)計(jì)專業(yè)的匹配的超聲波模具是極端重要的。如何用最經(jīng)濟(jì)的方法設(shè)計(jì)出最適合你產(chǎn)品的模具是一門精深的學(xué)問，我們恒波超聲波公司傳承自德國(guó)的專業(yè)技術(shù)，有一大批訓(xùn)練有素的專業(yè)設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)為客戶解決這些問題。如果有需求，您可以登入我們公司網(wǎng)站（www.chaoshengbo.cc）,亦或直接通過撥打我們公司的電話咨詢（13510929282）。

　　超聲波模具的設(shè)計(jì)是超聲波技術(shù)中極具深度的，根據(jù)我們恒波超聲波設(shè)備有限公司從事超聲波領(lǐng)域研究十幾年的經(jīng)驗(yàn)，我們工程師能夠根據(jù)客戶的要求將焊頭的聲學(xué)要求和機(jī)械特性完美的結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出最符合客戶需求的產(chǎn)品。

一．超聲波模具材料的選擇

　　超聲波?模具要求金屬材料柔順性好，較低的阻抗，使聲波傳遞過程中能量損耗??；同時(shí)必須具有較好的抗疲勞強(qiáng)度。 常用的超聲波模具材料為鋁合金、鈦合金、鉬合金、不銹鋼或合金鋼。鈦合金模具耐磨且強(qiáng)度高，在多方面比鋁合金模具有優(yōu)勢(shì)，不管是模具的壽命還是產(chǎn)品焊接出來的效果，但鈦合金的價(jià)格昂貴，適合用于焊接要求高振幅或高耐磨性的產(chǎn)品。鋁合金模具耐磨損和抗疲勞強(qiáng)度都不如鈦合金，適合用來制作低振幅下的大塑件的焊接模具。不銹鋼和合金鋼的自身頻率損耗較大，會(huì)降低焊接模具的振幅，不常用來制作超聲波模具。但常用來作為塑件的金屬嵌件，用超聲波壓入塑件等等。

　　對(duì)于高振幅和高磨損場(chǎng)合，超聲波模具的工作段適宜使用金屬碳化物，如碳化鈦或鑲嵌碳化鎢。

　　材料本身的質(zhì)量對(duì)超聲波的傳播效率和耐磨程度具有至關(guān)重要的影響。 材料當(dāng)中極小的孔隙，都會(huì)對(duì)模具質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響。

二．超聲波模具的構(gòu)造

　　超聲波焊頭通常設(shè)計(jì)成半波長(zhǎng)的共振原件，以便使塑件接觸面獲得最大的振幅，從而把震動(dòng)最大限度地傳遞到塑件的熔接線上，產(chǎn)生有效的熔接。半波長(zhǎng)的超聲波模具的長(zhǎng)度計(jì)算應(yīng)根據(jù)該頻段的超聲波在該種模具材料中的傳遞速度以及超聲波頻率，計(jì)算出模具的大概長(zhǎng)度。精確的長(zhǎng)度還應(yīng)該考慮模具的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)傳播速度的影響。設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)盡可能利用并放大超聲波的縱向震動(dòng)波，即模具的頂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與波的推進(jìn)方向一致的波。振幅與振動(dòng)方向垂直的橫向波，指點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不能有效傳播到塑件間的連接面，會(huì)分散降低有效縱波的能量，并使模具產(chǎn)生橫向抖動(dòng)，從而產(chǎn)生不均勻的焊縫，大大影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量以及模具的使用壽命。另有一種曲線波，是縱向波與橫向波合成的，也是對(duì)焊接十分有害的。

　　正確的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要根據(jù)產(chǎn)品的外形做出準(zhǔn)確的仿形，更要根據(jù)超聲波傳播的規(guī)律，盡可能利用并擴(kuò)大縱向波的振幅，同時(shí)最大限度地抑制或消滅橫向波和曲波的存在。高明的設(shè)計(jì)師可以有效判斷超聲波的傳播規(guī)律，并找出最好的解決辦法。設(shè)計(jì)超聲波模具時(shí)，應(yīng)該保持對(duì)稱的設(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)，不均衡振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致焊頭發(fā)熱及斷裂。

　　除了產(chǎn)品的外形和超聲波傳播的規(guī)律之外，產(chǎn)品的熔接線形狀、被焊接產(chǎn)品的材質(zhì)、結(jié)合面的位置、焊頭的距離以及產(chǎn)品焊接完成后的水氣密要求、強(qiáng)度要求等因素，也是超聲波模具設(shè)計(jì)需要考慮的重要問題。大的粗的熔接線，必須匹配高振幅的超聲波模具；彈性模量較大的剛性熱塑性塑料具有良好的可焊接性，比如PC、ABS、PS、SAN等等。彈性模量較小的柔軟塑料，自身會(huì)較多地?fù)p耗震動(dòng)能量，焊接較困難，比如PP、pvc等等。難以熔接的被焊接產(chǎn)品，需要匹配大功率的機(jī)器和高振幅的超聲波模具；結(jié)晶性聚合物具有明顯的熔點(diǎn)，焊接時(shí)比無(wú)定形聚合物容易控制。結(jié)晶性聚合物傳遞超聲波能量較為困難，故無(wú)定形聚合物需要更多的焊接能量。模塑制品在成型中使用的填料、脫模劑、硬脂酸鋅和硅油等等也會(huì)影響焊接質(zhì)量，回收料（水口料）、降解塑料等也會(huì)影響焊接質(zhì)量。以上這些都是設(shè)計(jì)超聲波模具時(shí)需要考慮的因素。任何地方出錯(cuò)，都有可能使焊接出來的產(chǎn)品不符合要求。有經(jīng)驗(yàn)的超聲波模具設(shè)計(jì)師總會(huì)問清楚客戶這些方面的具體內(nèi)容，才著手設(shè)計(jì)，做到有的放矢，事半功倍。

　　采用合適的超聲波模具形狀和合理的振幅設(shè)計(jì)，可使焊接的產(chǎn)品達(dá)到水、氣密，實(shí)現(xiàn)高效清潔的熔接。

　　結(jié)合面的位置必須和焊頭那條中心軸垂直且平行于焊頭的前結(jié)合面。這些結(jié)合面必須處于同一水平線上。如果無(wú)法做到這些，那就是制造這臺(tái)機(jī)器的制造商的技術(shù)水平問題了?；旧虾割^與結(jié)合面的距離則越小越好。越遠(yuǎn)則需要越大的振幅?；旧夏＞呱纤械倪吅徒嵌急仨毜菇恰＝ㄗh至少倒角0.2到0.5毫米，這一點(diǎn)對(duì)于一些比較硬的塑料特別重要。

三．超聲波模具的振幅參數(shù)

　　振幅對(duì)于需要焊接的材料來說是一個(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。由于各個(gè)公司的超聲波線路及換能器性能不同，所輸出的震動(dòng)幅度也各異。從而必須經(jīng)過適配不同變比的變幅桿及超聲波模具，才能夠校正超聲波模具的工作振幅，以符合需要產(chǎn)品的焊接要求。經(jīng)常用的換能器的輸出振幅約10—20μm，而超聲波模具工作振幅一般30μm左右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀、前后面積比等因素密切相關(guān)。指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等形狀，分別對(duì)變比產(chǎn)生不同的影響，前后面積比與總變比成正比。設(shè)計(jì)超聲波模具時(shí)，需要綜合考慮電箱的線路、變幅桿的形狀、變比等因素，以選擇合理的模具放大比。

四．超聲波模具頻率參數(shù)

　　每一臺(tái)超聲波焊接機(jī)都有一個(gè)中心頻率，焊接機(jī)的工作頻率主要由換能器、變幅桿、和焊頭的機(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19.80—20.00 KHz，控制誤差在5‰的范圍內(nèi)。

　　總體來說，不管是超聲波模具制造還是產(chǎn)品焊接，我們都必須根據(jù)客戶的原材料的特性及各種實(shí)際情況來操作，只有這樣，才能達(dá)到最令人滿意的焊接效果。