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超聲波模具的設計與制作

2019-05-16  來自: 寧波清大超聲科技有限公司 瀏覽次數:254

  超聲波模具的設計與制作

  你可能經常會有這樣的想法:超聲波模具的設計和生產是非常的簡單。千萬不要被誤導,當使用一個加工不當或是未經過調諧的焊頭,將給你的生產帶來昂貴的損失——它會破壞焊接效果,甚至更嚴重的會直接導致換能器或發生器的損壞。

  因此,超聲波模具的設計,絕不像它的外形那樣簡單,相反,需要很多的專業知識和技能,那么,如何保證焊頭能夠經濟地工作?如何保證焊頭能夠將換能器轉換的機械振動能有效地傳遞到工件上,形成持續穩定的焊接?

  超聲波模具,是超聲波技術中有技術深度的一個方面。即使已經擁有幾年的設計和開發經驗,我們還是堅信,只有通過嚴格的測試和質量控制,才能生產出好焊頭。我們的工程師將焊頭的聲學特性和機械特性地結合起來,設計出符合客戶需要的產品。

  我們生產的每一套焊頭和模具,不管是標準產品,還是根據客戶要求定制的,都是用好的材料制成的,同時經過反復的測試。焊頭的外形、強度以及音頻等各種參數經過多次試驗,能符合為嚴格的標準,焊頭和模具達到的匹配。

  一.模具的振幅參數

  振幅,對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數,相當于鉻鐵的溫度,溫度達不到,就會熔接不上;溫度過高,就會使原材料燒焦或導致結構破壞而強度變差。

  因為每一間公司選擇的換能器不同,換能器輸出的振幅都有所不同,經過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。以形狀來說,如指數型變幅、函數型變幅、階梯型變幅等,對變比影響很大,前后面積比與總變比成正比。若貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機,簡單的方法是,按已工作的焊頭的比例尺寸制作,能保證振幅參數的穩定。

  二.模具頻率參數

  任何公司的超聲波焊接機都有一個中心頻率,例如20KHz、40KHz等,焊接機的工作頻率主要由換能器(Transducer)、變幅桿(Booster)和焊頭(Horn)的機械共振頻率所決定。

  發生器的頻率根據機械共振頻率調整,以達到一致,使焊頭工作在諧振狀態,每一個部分都設計成一個半波長的諧振體。發生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍,如一般設定為±0.5KHz,在此范圍內,焊接機基本都能正常工作。我們制作每一個焊頭時,都會對諧振頻率作調整,要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小于0.1KHZ,如,20KHz焊頭,我們焊頭的頻率會控制在19.90-20.10KHz,誤差為5‰。

  三.振動節點

  焊頭、變幅桿,均被設計為一個工作頻率的半波長諧振體。在工作狀態下,兩個端面的振幅大,應力小,而相當于中間位置的節點振幅為零,應力大。節點位置一般設計為固定位,但通常的固定位設計時厚度要大于3mm,或者是凹槽固定,所以,固定位并不是為零振幅,這樣就會引致一些叫聲和一部分的能量損失,對于叫聲,通常用橡膠圈同其它部件隔離,或采用隔聲材料進行屏蔽;能量損失在設計振幅參數時予以考慮。

  四.加工精度

  超聲波焊頭,因為工作于高頻振動情況下,應盡量保持一個對稱設計,以避免聲波傳遞的不對稱性導致的不均衡應力及橫向振動(我們所用于焊接的焊頭,利用的是超聲波振動的縱向傳遞,對于整個諧振系統而言),不均衡振動能導致焊頭發熱及斷裂。

  超聲波焊接應用于不同行業,對加工精度要求是不同的。對于特別薄的工件,如鋰離子電池極片與極耳的焊接、金箔等的包覆等,對加工精度的要求非常高,我們所有的加工設備均采用數控設備(如加工中心等),這樣才能保證加工出來的精度符合要求。

  五.模具使用壽命

  一只焊頭的使用壽命,關鍵決定于兩個方面: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(聲波傳遞過程中機械損耗小)好的特點,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與熔接產品效果的主要原因之一。模具完成的過程是復雜的,所以,不僅是模具工程師設計務必慎重選擇材質,亦需了解本身產品要求該使用何種材質,避免因疏忽而影響其時效與品質。

  現將目前各種材料的特性略述如下(某公司均采用世界名牌美國ALCOL公司產品,該公司的7075T651鋁材達到美國鋁業行業協會AAA標準):

  1.鋁鎂合金(7075T651,2024T651,6061T651)

  (1)7075T651:使用于振動系統及焊頭制造,該材料具有極高的機械屈服強度,硬度高,熱傳導性強,是理想的超聲波模具制造材料;

  (2)2024T651:一般使用與焊頭制造,韌性佳,熱傳導性強,硬度適中,用于一般塑膠制品;

  (3)6061T651:使用于較低出力之焊頭制造,韌性佳,質較軟。

  2.鈦合金

  用于連續發振的機種,韌性較高,熱傳導佳,硬度高,而成本昂貴。

  3.國產硬質鋁合金

  國產料,用于普通鋁材加工,熱傳導低,對超音波機械損耗高,成本低。

關鍵詞: 超聲波模具           
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