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(jù)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(chǎn)品能與貴公司的超聲波機器良好匹配,發(fā)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(shù)問題:
① 諧振頻率: f, 單位: KHz
該頻率是指用頻率發(fā)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(xiàn)出來的頻率是不同的,這樣的頻率不能作為訂貨依據(jù)。
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(xù)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(xù)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(tài)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(guī)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(chǎn)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(shù)。
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(shù)量和位置。
超聲波換能器原理與設計(超聲波振動系統(tǒng))匹配
摘要:就塑料焊接機的超聲波換能器系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)
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(tǒng)的加工工藝,已不能適應現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)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(chǎn)效率高等優(yōu)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(tǒng)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(lián)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(jù)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(jù)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(qū)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(jīng)過變幅桿傳到焊頭頭輸入端的振動產(chǎn)生共振。
超聲波焊頭頻率分析
根據(jù)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(jù)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(shù),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(jù)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(jù)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(shù)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(tǒng)設計,為超聲振動系統(tǒng)提供了有用的設計步驟和方法。
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