超聲波模具設(shè)計是一門專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)，需要根據(jù)模具材料密度、紋路、加工頻率、波長，振幅，聲學(xué)原理等因素綜合考慮。 超聲波模具中間開槽的目的是破壞超聲波傳輸過程中產(chǎn)生的剪切波。
開槽一般在1/2橫波波長位置，主要根據(jù)聲學(xué)原理考慮。 至于模具上下寬度不同的原因，主要考慮的是增加產(chǎn)量。原理類似于放大聲波的輸出。 良好的模具是穩(wěn)定焊接的最重要的先決條件。如果模具設(shè)計不好，會導(dǎo)致一系列焊接問題，如焊接不均勻、模具發(fā)熱、噪音、甚至開裂等。
超聲波模具的縱向諧振頻率也是其工作頻率，必須與換能器振動系統(tǒng)的諧振頻率一致，否則會導(dǎo)致振動系統(tǒng)縱向工作效率的降低。 必須盡可能抑制工具的橫向共振。
超聲波模具的橫向尺寸比縱向尺寸小得多，一般需要2倍以上，即l，≥2lx，l，≥21y，橫向共振頻率比縱向共振頻率高得多。因此，橫向振動對縱向振動的影響很小。為什么超聲波模具需要開槽工具振動類似于細(xì)長桿沿z方向的一維縱向振動？此時，可以利用一維理論來設(shè)計超聲波模具，以滿足實際的精度要求
模具的兩個橫向尺寸中的一個比模具的縱向尺寸小得多，即12)21，(或1)，但是模具的另一個橫向尺寸更大，接近或超過模具的縱向尺寸。此時，聲波的輻射表面是狹長的矩形表面，并且對應(yīng)于較小維度方向的橫向振動可以忽略不計，但是對應(yīng)于較大維度方向的橫向共振頻率接近于縱向共振頻率，并且兩者將相互作用 因此，該方向的橫向振動對縱向有較大影響。 此時，一維理論已不再適用，必須用快速振動理論來分析、研究和設(shè)計這類系統(tǒng)，并抑制橫向振動。
工具的兩個橫向尺寸與其縱向尺寸相當(dāng)。在這種情況下，工具的聲輻射表面是長度和寬度相差很小的大尺寸短表面。工具的縱向共振頻率相對接近其兩個橫向共振頻率。 在這種情況下，由于泊松效應(yīng)的影響，工具在縱向共振，并且在其兩個橫向產(chǎn)生強(qiáng)烈振動。
縱向振動和橫向振動的相互結(jié)合改變了工具的縱向振動狀態(tài)。此時，如果該工具仍采用一維理論進(jìn)行計算和設(shè)計，理論與實驗之間將存在較大誤差。因此，必須用上述精細(xì)振動理論來研究刀具的三維兼容振動。 為了保證刀具的工作效率和輻射面上位移分布的均勻性，必須分別有效地抑制兩個方向的橫向振動 。
大型超聲模具橫向振動的開槽抑制如上所述，大型超聲模具的祝福振動有三個軸向共振頻率，實際上只需要其中一個 為了抑制橫向振動，開槽振動體的方法近年來得到廣泛應(yīng)用。
開槽位置的確定
提供了一種超聲波焊接模具。換能器的激勵方向是沿著芯片的Z軸。因此，開槽必須能夠抑制模具在X和Y方向的振動。 如果模具的幾何尺寸l z≥21。、和ly相當(dāng)于1 2 相應(yīng)的諧振頻率為fr、fy和f: m。實際上，需要f 2，這相當(dāng)于f傳感器的工作頻率。 如前所述，模具在X方向上的橫向振動對縱向振動的影響可以忽略不計。
然而，在Y方向的振動將對Z方向有很大的影響。 根據(jù)上述分析，圖1是大型超聲波塑料焊接模具的相干振動的位移分布，其中實線1表示工具縱向振動的基頻的位移分布，其振動頻率為fz。 虛線1和2分別表示工具橫向振動的基頻和二次諧波頻率振動模式在y方向上的位移分布，它們相應(yīng)的頻率分別為ff和fy2。從位移分布圖中可以清楚地看出，f與f相同，接近開槽的超聲波模具的振動模式可以分別得到抑制。
一種比教學(xué)更簡單有效的方法是沿著工具的y方向打開一些平行于z方向的小長糖。槽必須位于模具y方向橫向振動模式的節(jié)點(diǎn)處，因為節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力相對集中，可能產(chǎn)生橫向振動，對縱向振動的影響最小。 對于頻率為f的橫向振動模式，
Yn:=和+(n-')和(n = '，2...j)
(15)，輸入的是相應(yīng)的波長。此外，為了減少開槽對模具縱向振動的影響，開槽位置還必須位于超聲波模具縱向振動的節(jié)點(diǎn)處，并且與超聲波模具的縱向振動節(jié)點(diǎn)對稱
開槽寬度的確定
在超聲波模具中確定開槽的位置后，也必須合理選擇開槽寬度。當(dāng)槽寬太小時，不能產(chǎn)生有效的抑制效果。然而，如果寬度太大，超聲波模具的縱向振動狀態(tài)將由于工具質(zhì)量的大變化而容易改變，從而影響超聲波模具的縱向共振頻率。 經(jīng)過反復(fù)試驗，開口晶粒的理想寬度約為1/25~ 1 /20 由此可見，為了抑制不同振動結(jié)構(gòu)的橫向振動，有必要在超聲波模具上開不同寬度的凹槽。
開槽長度的確定
開槽長度對超聲波模具的振動有很大影響。當(dāng)開槽長度太短時，超聲波模具的橫向振動分布在模具的整個側(cè)面，因此不能有效消除橫向振動，同時也不能有效改善模具振動輻射面的位移分布。 然而，當(dāng)槽的長度太長時，工具的聲輻射表面上的不均勻位移分布將由于模具的輻射表面與高開口相位非常接近而發(fā)生，這將影響模具的輻射效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
因此，結(jié)合上述兩種情況和實際工作經(jīng)驗，不影響刀具振動分布的和不明顯的切削長度約為l/4~1/3 in，即模具縱向振動基頻模式的波長 上面，我們討論了超聲波模具的輻射表面是狹長的矩形表面。如果超聲波模具沿x和y方向的尺寸較大，則超聲波模具的兩個橫向振動必須分別被精細(xì)地抑制。 可以預(yù)測，在這種情況下，這項工作正在進(jìn)行中。
為了有效地抑制工具的橫向振動，必須利用頻率方程獲得超聲波模具的縱向和橫向共振頻率，并且必須開槽以抑制超聲波模具縱向振動基頻的橫向振動模式。 開槽必須位于超聲波模具橫向振動模式的節(jié)點(diǎn)處，并合理選擇開槽的尺寸。為了實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和效率，應(yīng)抑制的橫向振動。只有這樣，才能有效抑制大型工具的橫向振動，提高超聲模具聲輻射面的位移分布均勻性，提高超聲振動系統(tǒng)的縱向工作效率，獲得理想的超聲焊接效果。
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