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 軟件對變幅桿的頻率分析，首先根據變幅桿的尺寸用PRO- E 三維軟件繪出變幅桿的三維模型。其次用頻率分析工具對變幅桿作頻率分析，輸入 低頻率值為20000 Hz，材料為2A01 以及材料的彈性模量為0.7×105 MPa, 為0.3。 后得出分析結果如圖4 所示，變幅桿輸出端振動頻率為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）再傳遞出去，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小于10%）。所以，使用超聲波換能器 應考慮的問題就是與輸入輸出端的匹配，其次是機械安裝和配合尺寸。市面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品能與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，毫伏表等通過傳輸線路法測得的頻率，或用阻抗特性分析儀等類似儀器測得的頻率。一般通稱小信號頻率。與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，通電后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類似儀器。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連續工作（花邊機，CD套機，拉鏈機，金屬焊接等）和脈沖式工作（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，脈沖工作是間歇式的，有停頓，但瞬間電流很大。平均而言，兩種狀態的功率都很大的。

④ 換能器型式和 大功率

　　整機廠家可能對于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。為避免產生岐義，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

　　主要有超聲波變幅桿材質，表面處理方式，形狀。超聲波換能器與超聲波變幅桿連接螺紋，超聲波變幅桿與超聲波模具連接螺紋，超聲波變幅桿法蘭盤處直徑、厚度、缺口或螺孔數量和位置。

超聲波換能器原理與設計（超聲波振動系統）匹配

　　摘要：就塑料焊接機的超聲波換能器系統進行設計和計算，并用PRO- E 三維軟件繪出三維模型， 后進行頻率分析，為超聲波換能系統提供了有用的設計方法。

關鍵詞：超聲波換能器，超聲波振子，超音波振動子，超聲波振動系統

　　當代社會，塑料的各種制品已滲透到人們日常生活的各個領域。傳統的加工工藝，已不能適應現代塑料工業的發展需要。超聲波塑料焊接機在焊接塑料制品時，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、生產效率高等優點。因此，超聲波焊接技術越來越廣泛地獲得應用。超聲換能系統通常包括超聲波換能器和超聲波變幅桿，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，是縱向復合式換能器，結構簡單，示意圖如圖2 所示。首尾兩塊是金屬蓋板；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；一根應力螺桿將這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30～50 N，因此作用力并不大，屬于中等強度受力的工作情況，從而可以選擇型號為2A01 的硬鋁作為制造材料。要使工具頭能正常工作，則工具頭和變幅桿輸出端相聯的部分就要匹配。匹配指的是變幅桿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的接合面上，變幅桿的輸出阻抗等于工具頭的輸入阻抗。根據前面涉及到的知識，兩者阻抗相等只需要它們的橫截面積相等。

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20 kHz，材料為2A01 以及材料的彈性模量為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，焊頭頭小端面部分也就是圖中上部區域的共振頻率為20021 Hz，與 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桿傳到焊頭頭輸入端的振動產生共振。

超聲波焊頭頻率分析

　　　根據任意變截面的振動方程，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， 后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，結合作為壓電效應陶瓷材料的特性等一系列知識，設計出超聲換能器。根據超聲塑料焊接機的工作情況，選擇變幅桿類型；按照振幅放大系數，波的功率和振幅大小的關系，得出變幅桿截面面積的大小；根據振速方程的通解和變幅桿的便捷條件，算出變幅桿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

　　通過一系列知識設計和計算， 后確定超聲換能器、變幅桿和工具頭的各部分尺寸，并通過PRO- E 軟件對其進行頻譜分析，驗證其滿足設計要求。從而完成了超聲波塑料焊接機的振動系統設計，為超聲振動系統提供了有用的設計步驟和方法。