超聲波模具的設(shè)計(jì)與制作

超聲波模具的設(shè)計(jì)與制作

可能有人經(jīng)常會(huì)有這樣的想法：超聲波模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一定是非常的簡(jiǎn)單。千萬(wàn)不要被誤導(dǎo)，當(dāng)使用一個(gè)加工不當(dāng)或是未經(jīng)過(guò)調(diào)諧的焊頭，將給你的生產(chǎn)帶來(lái)昂貴的損失，它會(huì)破壞焊接效果，甚至更嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致?lián)Q能器或發(fā)生器的損壞,因此超聲波模具的設(shè)計(jì)絕不像它的外形那樣簡(jiǎn)單，相反需要很多的專業(yè)知識(shí)和技能。

如何保證焊頭能夠最經(jīng)濟(jì)的工作？為了保證焊頭能夠?qū)Q能器轉(zhuǎn)換的機(jī)械振動(dòng)能有效地傳遞到工件上，形成持續(xù)穩(wěn)定的焊接，我們的工程師將每一個(gè)環(huán)節(jié)都考慮得非常充分。

超聲波模具是超聲波技術(shù)中最具有技術(shù)深度的一個(gè)方面。即使已經(jīng)擁有幾年的設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們還是堅(jiān)信只有通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和質(zhì)量控制才能生產(chǎn)出最好的焊頭。我們的工程師將焊頭的聲學(xué)特性和機(jī)械特性完美的結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出最符合客戶需要的產(chǎn)品。 我們生產(chǎn)的每一套焊頭和模具，不管是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品還是根據(jù)客戶要求定制的，都是用最好的材料制成的同時(shí)經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試。焊頭的外形、強(qiáng)度以及音頻等各種參數(shù)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，能符合最為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，焊頭和模具達(dá)到最完美的匹配。

1、模具的振幅參數(shù)：

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)槊恳患夜具x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)，最簡(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、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，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、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)端面的振幅最大，應(yīng)力最小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力最大。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他部件隔離，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、超聲波焊頭加工精度：

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。

5、影響模具使用壽命因素：

一、焊頭材料；

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)，所以最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)效與質(zhì)量。

將目前各種材料的特性略述如下：

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，超聲波熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，是理想的超聲波模具制造材料；

1. 2024T651：一般使用與HORN制造，軔性佳，熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，硬度適中，用于一般塑料制品。

2. 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。

解析：

我們欲求產(chǎn)品達(dá)到水、氣密的功能時(shí)，定位與超音波導(dǎo)熔線是成敗的重要關(guān)鍵，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的考慮，如：定位、材質(zhì)、肉厚，與超音波導(dǎo)熔線的對(duì)應(yīng)比例有絕對(duì)的關(guān)系。在一般水、氣密的要求，導(dǎo)熔線高度應(yīng)在0.5~0.8m/m 之范圍（視產(chǎn)品肉厚而定），如低于0.5m/m以下，要達(dá)到水氣密的功能，除非定位設(shè)定要非常標(biāo)準(zhǔn)，而且肉厚有5 m/m 以上，否則效果不佳。一般要求水氣密的產(chǎn)品其定位與超音波導(dǎo)熔線的方式如下：

以上三種為水氣密超聲波導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)法。

生產(chǎn)一套超聲波模具，要考慮以下各項(xiàng)因素：

１、 產(chǎn)品的要求： 決定超聲波模具的使用壽命，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)定超聲波模具的大小，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)

成功的熔接，取決于下列因素：

1） 產(chǎn) 品 形 狀：不同的形狀，壁厚，塑膠材料，決定了所需要的超聲波熔接機(jī)功率大小和特質(zhì)。

2） 接口位的設(shè)計(jì)：一般均由超聲波機(jī)供應(yīng)商提供建議。要達(dá)到最佳效果，須依據(jù)不同的熔接要求，壁厚，塑料，而采用專業(yè)的設(shè)計(jì)，尤其是在注塑模開拓階段至為重要。注塑模在多次改動(dòng)后必令注塑模的壽命降低和產(chǎn)生變形和毛刺，損失不菲。優(yōu)秀的供應(yīng)商 可預(yù)見塑件熔接時(shí)出現(xiàn)的困難和解決方法。能提供優(yōu)良的設(shè)計(jì)可助你得到最佳效果，節(jié)省了更改注塑模的時(shí)間和相關(guān)的費(fèi)用。

3）優(yōu)質(zhì)的超聲波熔接機(jī)：（工欲善其事 必先利其器）優(yōu)質(zhì)的機(jī)器 表示該機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)成熟，性能穩(wěn)定和耐用，有標(biāo)準(zhǔn)化的零件和多年后仍可補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)的零件。

4） 能充分發(fā)揮熔接效益的模具：優(yōu)良模具能提升熔接效益，以小機(jī)器做大事情。反之可令設(shè)備損壞引致經(jīng)濟(jì)損失。 我們的工程人員會(huì)將一切問(wèn)題考慮的完美，為你提供優(yōu)質(zhì)高效的產(chǎn)品