接上一篇（大尺寸長(zhǎng)條超聲波模具手把手教會(huì)您）

上一稿提出了一種大尺寸長(zhǎng)條形超聲塑焊開(kāi)槽焊頭的設(shè)計(jì)方法, 并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先將 長(zhǎng)條形焊頭合理劃分為若干單元 ,從而把結(jié)構(gòu)復(fù)雜的開(kāi)槽焊頭的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的焊頭單元 設(shè)計(jì);然后將焊頭單元和考慮了耦合振動(dòng)的等截面半波振子比較, 利用等效機(jī)械阻抗的概念得出了 焊頭的頻率方程 ;

利用該方程研究了開(kāi)槽數(shù) 、槽寬度以及槽長(zhǎng)度等因素對(duì)焊頭振動(dòng)特性的影 響 。按此方法設(shè)計(jì)加工了幾組大尺寸長(zhǎng)條形開(kāi)槽焊頭 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焊頭共振頻率的實(shí)測(cè)值和理 論值符合很好。

   如圖 1 所示。焊頭的長(zhǎng)、寬、厚分別為 L、B、T。設(shè) z 軸為換能器激勵(lì)方向, 在工作頻率下, 長(zhǎng)方形焊頭 將在 z 方向產(chǎn)生一階縱向振動(dòng)。對(duì)于長(zhǎng)條形焊頭, 有 L≥2T, B 與 L 可比擬, 則焊頭在 x 方向的橫向振動(dòng) 對(duì)縱向振動(dòng)的影響可忽略。

由于 y 方向的橫向振動(dòng) 對(duì)縱向振動(dòng)影響較大, 通常利用開(kāi)槽對(duì)其加以擬制。 設(shè)在 y 方向均勻開(kāi) n 個(gè)槽將焊頭分為 ( n+1) 個(gè)單 元, 每個(gè)槽的寬度和長(zhǎng)度分別為 w、l2, 槽分別距離 焊頭輸入及輸出端面 l1、l3。為保證每個(gè)單元完全相 等, 還需在焊頭橫向的兩端分別開(kāi)寬度為 w/2 的 槽。這樣每個(gè)焊頭單元為一具有矩形截面的復(fù)合階 梯形變幅桿, 假設(shè)每個(gè)單元兩端和中間分別寬 d1、 d2, 由上可知: L=l1+l2+l3

由于各個(gè)單元間的模式一致, 焊頭的輸出振幅也會(huì)振動(dòng)模式, 當(dāng)結(jié)合在一起時(shí), 焊頭也將具有此模 式, 這樣焊頭的設(shè)計(jì)將簡(jiǎn)化為任一單元的設(shè)計(jì)。此外 比較均勻。 為了既能有效抑制橫向振動(dòng)又保證焊頭具有一 定剛度, 被槽分成的焊頭單元寬度一般在 !/8~!/4 ( ! 為焊頭一階縱振模式的波長(zhǎng)) , 而開(kāi)槽的較理想 寬度約為 !/25~!/20[7], 按照以上準(zhǔn)則可確定焊頭的 開(kāi)槽數(shù)。由于焊頭單元寬度一般不超過(guò) !/4, 所以對(duì) 其可近似用一維理論分析。圖 1 中的任一焊頭單元 可看成由三段矩形等截面桿組成

焊頭選用鋁合金7075（楊氏模量E=7.17*1010N/M2 密度 ρ=2820kg/m3, 泊松比 v=0.34) , 利用式( 1)～( 3) 及( 6) 分別計(jì)算了槽的數(shù)量 n、長(zhǎng)度 l2、寬度 w 不同 時(shí), 長(zhǎng)條形焊頭的諧振長(zhǎng)度 L 隨焊頭寬度 B 的變化 

  時(shí)，長(zhǎng)條形焊頭的諧振長(zhǎng)度L隨焊頭的寬度B的變化曲線(xiàn)。計(jì)算的諧振頻率 f=20kHz, 為簡(jiǎn)便取 L1=L3。 槽長(zhǎng)度和寬度一定的情況下, 開(kāi)槽數(shù)不 同時(shí)焊頭諧振長(zhǎng)度隨焊頭寬度的變化情況。計(jì)算中 l2=60mm, w=10mm。由圖 2 可見(jiàn), 對(duì)于如圖 1 所示 的開(kāi)槽焊頭, 其一階諧振長(zhǎng)度均小于按一維理論計(jì) 算的未開(kāi)槽焊頭的諧振長(zhǎng)度( 此處為 126mm) , 而且 焊頭諧振長(zhǎng)度隨焊頭寬度的增加而增加, 但增幅逐 漸減小。此外, 當(dāng)諧振頻率和焊頭寬度一定時(shí), 焊頭 的諧振長(zhǎng)度隨著開(kāi)槽數(shù)的增加而減小。 

   另外用鋁合金 7075( 材料同上) 加工了三個(gè)不同厚度的焊頭, 給出了這三個(gè)焊頭的厚度 T 及實(shí)際測(cè)量的諧 振頻率 fm。當(dāng)焊頭厚度不超過(guò)四分之一 波長(zhǎng)( 此處為 63mm) 時(shí), 實(shí)測(cè)頻率和設(shè)計(jì)頻率的偏 差小于 2%, 能較好地滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求。 

將長(zhǎng)條形超聲塑焊焊頭合理劃分為若干相等 單元, 利用傳遞矩陣法推導(dǎo)出了焊頭單元的頻率方 程。若已知焊頭寬度和開(kāi)槽的數(shù)量及尺寸, 利用該 方程可方便地設(shè)計(jì)長(zhǎng)條形焊頭, 從而為長(zhǎng)條形開(kāi)槽 焊頭的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。本文也通過(guò)實(shí)例分析 了開(kāi)槽數(shù)、槽寬度及槽長(zhǎng)度等因素對(duì)焊頭尺寸的影 響, 可見(jiàn)該方法對(duì)焊頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)也具有一定的影響

 對(duì)開(kāi)槽后的長(zhǎng)條形焊頭進(jìn)行了振動(dòng)分析, 將焊頭分 為端部單元體和中間單元體, 利用表觀(guān)彈性法和等 效傳輸線(xiàn)法, 分別給出了四個(gè)不同單元體長(zhǎng)度和高 度方向的頻率方程, 利用這些頻率方程可以設(shè)計(jì)長(zhǎng) 條形焊頭, 但是設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜, 一些參數(shù)的選取 要靠經(jīng)驗(yàn), 不便于工程應(yīng)用。本文將長(zhǎng)條形焊頭通 過(guò)合理開(kāi)槽分成若干相等的單元, 利用傳遞矩陣法 得出了焊頭單元的頻率方程, 為長(zhǎng)條形焊頭的設(shè)計(jì) 提供了理論基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)理論計(jì)算簡(jiǎn)單, 物理意義 明顯, 為長(zhǎng)條形焊頭的工程設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單易 行的方法。

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