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超声波模具中间开槽的作用和详细尺寸

日期:2019-08-02 23:01
 超声波模具设计是一门专业性很强的技术,需要根据模具材料密度、纹路、加工频率、波长,振幅,声学原理等因素综合考虑。 超声波模具中间开槽的目的是破坏超声波传输过程中产生的剪切波。

开槽一般在1/2横波波长位置,主要根据声学原理考虑。  至于模具上下宽度不同的原因,主要考虑的是增加产量。原理类似于放大声波的输出。  良好的模具是稳定焊接的最重要的先决条件。如果模具设计不好,会导致一系列焊接问题,如焊接不均匀、模具发热、噪音、甚至开裂等。

超声波模具的纵向谐振频率也是其工作频率,必须与换能器振动系统的谐振频率一致,否则会导致振动系统纵向工作效率的降低。  必须尽可能抑制工具的横向共振。 
超声波模具开槽
超声波模具的横向尺寸比纵向尺寸小得多,一般需要2倍以上,即l,≥2lx,l,≥21y,横向共振频率比纵向共振频率高得多。因此,横向振动对纵向振动的影响很小。为什么超声波模具需要开槽工具振动类似于细长杆沿z方向的一维纵向振动?此时,可以利用一维理论来设计超声波模具,以满足实际的精度要求  
 
模具的两个横向尺寸中的一个比模具的纵向尺寸小得多,即12)21,(或1),但是模具的另一个横向尺寸更大,接近或超过模具的纵向尺寸。此时,声波的辐射表面是狭长的矩形表面,并且对应于较小维度方向的横向振动可以忽略不计,但是对应于较大维度方向的横向共振频率接近于纵向共振频率,并且两者将相互作用  因此,该方向的横向振动对纵向有较大影响。  此时,一维理论已不再适用,必须用快速振动理论来分析、研究和设计这类系统,并抑制横向振动。  

工具的两个横向尺寸与其纵向尺寸相当。在这种情况下,工具的声辐射表面是长度和宽度相差很小的大尺寸短表面。工具的纵向共振频率相对接近其两个横向共振频率。  在这种情况下,由于泊松效应的影响,工具在纵向共振,并且在其两个横向产生强烈振动。

  纵向振动和横向振动的相互结合改变了工具的纵向振动状态。此时,如果该工具仍采用一维理论进行计算和设计,理论与实验之间将存在较大误差。因此,必须用上述精细振动理论来研究刀具的三维兼容振动。  为了保证刀具的工作效率和辐射面上位移分布的均匀性,必须分别有效地抑制两个方向的横向振动 。
 
大型超声模具横向振动的开槽抑制如上所述,大型超声模具的祝福振动有三个轴向共振频率,实际上只需要其中一个  为了抑制横向振动,开槽振动体的方法近年来得到广泛应用。  
超声波模具开槽尺寸
开槽位置的确定

提供了一种超声波焊接模具。换能器的激励方向是沿着芯片的Z轴。因此,开槽必须能够抑制模具在X和Y方向的振动。  如果模具的几何尺寸l z≥21。、和ly相当于1 2  相应的谐振频率为fr、fy和f: m。实际上,需要f 2,这相当于f传感器的工作频率。  如前所述,模具在X方向上的横向振动对纵向振动的影响可以忽略不计。 

然而,在Y方向的振动将对Z方向有很大的影响。  根据上述分析,图1是大型超声波塑料焊接模具的相干振动的位移分布,其中实线1表示工具纵向振动的基频的位移分布,其振动频率为fz。  虚线1和2分别表示工具横向振动的基频和二次谐波频率振动模式在y方向上的位移分布,它们相应的频率分别为ff和fy2。从位移分布图中可以清楚地看出,f与f相同,接近开槽的超声波模具的振动模式可以分别得到抑制。 

一种比教学更简单有效的方法是沿着工具的y方向打开一些平行于z方向的小长糖。槽必须位于模具y方向横向振动模式的节点处,因为节点处的应力相对集中,最有可能产生横向振动,对纵向振动的影响最小。  对于频率为f的横向振动模式,
 
Yn:=和+(n-')和(n = ',2...j) 

(15),输入的是相应的波长。此外,为了减少开槽对模具纵向振动的影响,开槽位置还必须位于超声波模具纵向振动的节点处,并且与超声波模具的纵向振动节点对称  

开槽宽度的确定

在超声波模具中确定开槽的位置后,也必须合理选择开槽宽度。当槽宽太小时,不能产生有效的抑制效果。然而,如果宽度太大,超声波模具的纵向振动状态将由于工具质量的大变化而容易改变,从而影响超声波模具的纵向共振频率。  经过反复试验,开口晶粒的理想宽度约为1/25~ 1 /20  由此可见,为了抑制不同振动结构的横向振动,有必要在超声波模具上开不同宽度的凹槽。  
 
开槽长度的确定
开槽长度对超声波模具的振动有很大影响。当开槽长度太短时,超声波模具的横向振动分布在模具的整个侧面,因此不能有效消除横向振动,同时也不能有效改善模具振动辐射面的位移分布。  然而,当槽的长度太长时,工具的声辐射表面上的不均匀位移分布将由于模具的辐射表面与高开口相位非常接近而发生,这将影响模具的辐射效率和产品质量。

因此,结合上述两种情况和实际工作经验,不影响刀具振动分布的最有效和不明显的切削长度约为l/4~1/3 in,即模具纵向振动基频模式的波长 上面,我们讨论了超声波模具的辐射表面是狭长的矩形表面。如果超声波模具沿x和y方向的尺寸较大,则超声波模具的两个横向振动必须分别被精细地抑制。  可以预测,在这种情况下,这项工作正在进行中。  
超声波模具开槽尺寸
为了有效地抑制工具的横向振动,必须利用频率方程获得超声波模具的纵向和横向共振频率,并且必须开槽以抑制最接近超声波模具纵向振动基频的横向振动模式。  开槽必须位于超声波模具横向振动模式的节点处,并合理选择开槽的尺寸。为了实现经济性和效率,应抑制最强的横向振动。只有这样,才能有效抑制大型工具的横向振动,提高超声模具声辐射面的位移分布均匀性,提高超声振动系统的纵向工作效率,获得理想的超声焊接效果。   
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