超聲波模具與超聲波換能器與匹配

階梯式超聲波模具

　　　用PRO- E 軟件對變幅杆的頻率分析，首先根據變幅杆的尺寸用PRO- E 三維軟件繪出變幅杆的三維模型。其次用頻率分析工具對變幅杆作頻率分析，輸入 低頻率值為(wei) 20000 Hz，材料為(wei) 2A01 以及材料的彈性模量為(wei) 0.7×105 MPa, 為(wei) 0.3。 後得出分析結果如圖4 所示，變幅杆輸出端振動頻率為(wei) 20544 Hz，和 初給出的頻率值20 kHz 相差不大，因此可以符合設計的要求。

超聲波換能器的選型：

　　超聲波換能器是一種能量轉換器件，它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳(chuan) 遞出去，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小於(yu) 10%）。所以，使用超聲波換能器 應考慮的問題就是與(yu) 輸入輸出端的匹配，其次是機械安裝和配合尺寸。市麵上超聲波機械種類繁多，客戶必須提供準確可靠的指標，才能保證公司提供的超聲波換能器產(chan) 品能與(yu) 貴公司的超聲波機器良好匹配，發揮 佳性能。

超聲波換能器，超聲波振動子

超聲波換能器、超聲波振動子選型需要注意以下幾個(ge) 參數問題：

① 諧振頻率： f, 單位： KHz

　　該頻率是指用頻率發生器，毫伏表等通過傳(chuan) 輸線路法測得的頻率，或用阻抗特性分析儀(yi) 等類似儀(yi) 器測得的頻率。一般通稱小信號頻率。與(yu) 它相對的是上機頻率，即客戶將換能器通過電纜連到驅動電源上，通電後空載或有載時測得的實際工作頻率。因客戶的匹配電路各不相同，同樣的換能器配不同的驅動電源表現出來的頻率是不同的，這樣的頻率不能作為(wei) 訂貨依據。

② 換能器電容量： CT ，單位：PF

　　即換能器自由電容，一般可用電容電橋在400Hz-1000Hz的頻率下測得，也可用阻抗特性分析儀(yi) 類似儀(yi) 器。再簡單點，用一般的便攜式電容表測量也可滿足要求。

③ 換能器工作方式

　　因加工方式和要求不同，換能器的工作方式大致可分為(wei) 連續工作（花邊機，CD套機，拉鏈機，金屬焊接等）和脈衝(chong) 式工作（如塑焊機），不同的工作方式對換能器的要求是不同的。一般而言，連續式工作幾乎沒有停頓時間，但工作電流不是很大，脈衝(chong) 工作是間歇式的，有停頓，但瞬間電流很大。平均而言，兩(liang) 種狀態的功率都很大的。

④ 換能器型式和 大功率

　　整機廠家可能對於(yu) 不同用途和目的的機器的標稱功率有不同的規定，換句話說，同樣的換能器用在不同的機器上標稱功率可能是不同的。為(wei) 避免產(chan) 生岐義(yi) ，客戶應詳細說明換能器的結構型式，如柱型、倒喇叭型等，及壓電陶瓷晶片的直徑和片數。

⑤ 安裝和配合尺寸

　　主要有超聲波變幅杆材質，表麵處理方式，形狀。超聲波換能器與(yu) 超聲波變幅杆連接螺紋，超聲波變幅杆與(yu) 超聲波模具連接螺紋，超聲波變幅杆法蘭(lan) 盤處直徑、厚度、缺口或螺孔數量和位置。

超聲波換能器原理與(yu) 設計（超聲波振動係統）匹配

　　摘要：就塑料焊接機的超聲波換能器係統進行設計和計算，並用PRO- E 三維軟件繪出三維模型， 後進行頻率分析，為(wei) 超聲波換能係統提供了有用的設計方法。

關(guan) 鍵詞：超聲波換能器，超聲波振子，超音波振動子，超聲波振動係統

　　當代社會(hui) ，塑料的各種製品已滲透到人們(men) 日常生活的各個(ge) 領域。傳(chuan) 統的加工工藝，已不能適應現代塑料工業(ye) 的發展需要。超聲波塑料焊接機在焊接塑料製品時，既不要填加任何粘接劑、填料或溶劑，也不消耗大量熱源，具有操作簡便、焊接速度快、焊接強度高、生產(chan) 效率高等優(you) 點。因此，超聲波焊接技術越來越廣泛地獲得應用。超聲換能係統通常包括超聲波換能器和超聲波變幅杆，是進行超聲焊接加工的基礎組件，而良好的超聲換能器是保證超聲焊接加工的前提條件。

超聲波換能器的設計

　　超音波塑料焊接機工作時，加工塑料工件需要的是高頻率的縱向振動，使得工件的上下模上下高頻振動熔化焊接層，得到焊接效果。因此選擇換能器的種類，是縱向複合式換能器，結構簡單，示意圖如圖2 所示。首尾兩(liang) 塊是金屬蓋板；中間是壓電陶瓷晶堆，一般是縱向極化的帶圓孔片或圓管，也可以是徑向極化的圓管；一根應力螺杆將這3 部分緊緊壓牢。

超聲波焊接頭的設計

　　超聲波塑料焊接機工作時，工具頭作用在工件上的力大概為(wei) 30～50 N，因此作用力並不大，屬於(yu) 中等強度受力的工作情況，從(cong) 而可以選擇型號為(wei) 2A01 的硬鋁作為(wei) 製造材料。要使工具頭能正常工作，則工具頭和變幅杆輸出端相聯的部分就要匹配。匹配指的是變幅杆輸出端和工具頭輸入端之間的阻抗匹配。因此要求在諧振頻率上在他們(men) 的接合麵上，變幅杆的輸出阻抗等於(yu) 工具頭的輸入阻抗。根據前麵涉及到的知識，兩(liang) 者阻抗相等隻需要它們(men) 的橫截麵積相等。

超聲波焊頭圖紙

　　　用PRO- E 軟件對超聲波焊頭頭的頻率分析，首先根據焊頭頭的尺寸用PRO- E 三維軟件繪出工具頭的三維模型。其次對工具頭作頻率分析，輸入 低頻率值為(wei) 20 kHz，材料為(wei) 2A01 以及材料的彈性模量為(wei) 0.7×105 MPa，0.3。得出的頻率分析圖

超聲波焊頭檢測

　　　可以看出，焊頭頭小端麵部分也就是圖中上部區域的共振頻率為(wei) 20021 Hz，與(yu) 初給出的超聲波的頻率20 kHz 相差不大，因此工具頭的設計可以滿足設計要求，工作時能夠和換能器經過變幅杆傳(chuan) 到焊頭頭輸入端的振動產(chan) 生共振。

超聲波焊頭頻率分析

　　　根據任意變截麵的振動方程，在振子各部分的坐標和邊界條件已知的情況下，解出振動方程的通解， 後圍繞通解和超聲波換能器各部分邊界條件，得出頻率方程、振速和應力分布方程，結合作為(wei) 壓電效應陶瓷材料的特性等一係列知識，設計出超聲換能器。根據超聲塑料焊接機的工作情況，選擇變幅杆類型；按照振幅放大係數，波的功率和振幅大小的關(guan) 係，得出變幅杆截麵麵積的大小；根據振速方程的通解和變幅杆的便捷條件，算出變幅杆各部分的應力和振速分布。根據頻率方程和強度條件，設計出了超聲塑料焊接機的焊頭。

超聲波換能器參數測試

　　通過一係列知識設計和計算， 後確定超聲換能器、變幅杆和工具頭的各部分尺寸，並通過PRO- E 軟件對其進行頻譜分析，驗證其滿足設計要求。從(cong) 而完成了超聲波塑料焊接機的振動係統設計，為(wei) 超聲振動係統提供了有用的設計步驟和方法。