超聲波模具設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的工作，需要根據(jù)模具材料，尺寸以及機(jī)器頻率，聲學(xué)原理等因素綜合考慮。簡(jiǎn)單的說(shuō)，超聲波模具開(kāi)槽目的是破壞超聲波傳輸中產(chǎn)生的橫波，一般開(kāi)槽是在1/2橫波波長(zhǎng)位置，這主要是根據(jù)聲學(xué)原理來(lái)考量。至于模具為什么要做成上下寬度不一樣，主要是考慮增加出力，原理類似于將聲波出力放大。一個(gè)好的模具是焊接穩(wěn)定的最重要前提，如果模具設(shè)計(jì)不好會(huì)導(dǎo)致一些列焊接問(wèn)題，如焊接不均勻，模具發(fā)熱，噪音，甚至開(kāi)裂等等！

超聲波模具中間為什么要開(kāi)槽
  超聲波模具的縱向共振頻率也就是其工作頻率,它必須與換能器振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率保持一致, 否則將導(dǎo)致振動(dòng)系統(tǒng)縱向工作效率下降 。 而工具的橫向共振則必須盡量抑制。模具的振動(dòng)可分以下三種狀態(tài):
 (1)超聲波模具的橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸, 一般要求2倍以上, 即l,≥2lx, l,≥21y,橫向諧振頻率遠(yuǎn)高于其縱向共振頻率, 因此, 橫向振動(dòng)對(duì)縱向振動(dòng)影響不大, 超聲波模具為什么要開(kāi)槽工具振動(dòng)類似于沿Z 方向的細(xì)長(zhǎng)棒的一維縱振動(dòng),此時(shí),可以利用一維理論設(shè)計(jì)超聲波模具能夠滿足實(shí)用上的精度要求。
 (2)在模具的兩個(gè)橫向尺寸中,其中之一遠(yuǎn)小于模具的縱向尺寸, 即滿足12)21,(或l,)但模具的另一個(gè)橫向尺寸較大, 接近或超過(guò)模具的縱向尺寸, 此時(shí)聲波的輻射面為一狹長(zhǎng)的矩形面, 對(duì)應(yīng)于較小尺寸方向上的橫向振動(dòng)可以忽略不計(jì), 但是對(duì)應(yīng)于較大尺寸方向上的橫向共振頻率與縱向共振頻率比較接近,兩者將相互作用。因此,該方向上的橫向振動(dòng)對(duì)縱向產(chǎn)生較大的影響。此時(shí), 一維理論不再適用, 必須利用揺合振動(dòng)理論來(lái)分析、 研究及設(shè)計(jì)此類系統(tǒng), 且此橫向振動(dòng)應(yīng)加以抑制。超聲波模具
 ( 3 )工具的兩個(gè)橫向尺寸皆與其縱向尺寸可相比擬, 此時(shí)工具的聲波輻射面為一長(zhǎng)與寬相差不大的大尺寸短形面,工具的縱向共振頻率與其兩個(gè)橫向共振頻率比較接近。在這種情況下,由于泊松效應(yīng)的影響,工具在縱向共振的同時(shí), 在其兩個(gè)橫向也產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)?？v振動(dòng)與橫振動(dòng)之問(wèn)的相互編合使工具的縱向振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,此時(shí),如果仍采用一維理論來(lái)計(jì)算及設(shè)計(jì)工具, 理論與實(shí)驗(yàn)將出現(xiàn)較大的誤差,因此,必須利用上述細(xì)合振動(dòng)理論對(duì)工具的三維相合振動(dòng)進(jìn)行研究。并且為了保證工具的工作效率及其輻射面上位移分布的均勻性, 必須對(duì)其兩個(gè)方向的橫向振動(dòng)分別加以有效的抑制。超聲波模具為什么要開(kāi)槽
3.  大尺寸超聲波模具中橫向振動(dòng)的開(kāi)槽抑制
如上分析, 大尺寸超聲波模具的福合振動(dòng)存在三個(gè)軸向的諧振頻率, 其中只有一個(gè)是實(shí)際所需要的。為抑制橫向振動(dòng),日前,普遍采用在振動(dòng)體上開(kāi)槽的方法。
超聲波模具中間為什么要開(kāi)槽
3.1  開(kāi)槽位置的確定
設(shè)有一超聲波焊接模具, 換能器的激勵(lì)方向沿著模具的Z軸,因此,開(kāi)槽必須能夠抑制模具在X與Y這兩個(gè)方向的振動(dòng)。若模具的幾何尺寸為l z≥21.、, 而ly與1 2可相比擬。相應(yīng)的諧振頻率為fr,、 fy,、 f:m,實(shí)際中要求f二,等一f換能器的工作頻率。 如前所述, 模具在X方向的橫向振動(dòng)對(duì)縱向振動(dòng)的影響可以忽略。而Y方向的振動(dòng)將對(duì)Z方向產(chǎn)生大的影響。根據(jù)上文分析,圖1為大尺寸超聲塑料焊接模具相合振動(dòng)的位移分布, 其中實(shí)線1代表工具縱向振動(dòng)基頻的位移分布, 其振動(dòng)頻率為fz,。虛線1和2分別表示工具在Y方向上 橫向振動(dòng)的基頻及二次諧頻振動(dòng)模式的位移分布, 它們對(duì)應(yīng)的頻率分別為ff,及fy2, 由位移分布圖可以清楚地看出和f, ,超聲波模具為什么要開(kāi)槽接近的振動(dòng)模式,則可對(duì)其分別進(jìn)行抑制。比教簡(jiǎn)單且行之有效的方法是沿著工具的 Y方向開(kāi)一些平行于 Z方向的小長(zhǎng)糖, 圖2所示為一帶有開(kāi)槽的超聲波模具的 Y-Z平面示意圖, 槽的位置必須位于模具Y方向橫向振動(dòng)模式的節(jié)點(diǎn)處, 這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處應(yīng)力較集中,最易產(chǎn)生橫向振動(dòng),且對(duì)縱向振動(dòng)影響最小 。對(duì)于頻率為 f, ,的橫向振動(dòng)模式, 其振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置可由下式?jīng)Q定,
Yn:=與 +(n-')與(n=', 2……j)
(15)式中,入,為對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),另外,為了減少開(kāi)槽對(duì)模具縱向振動(dòng)的影響,槽的位置也必須位于超聲波模具縱向振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處, 并且對(duì)稱于超聲波模具縱向震動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
超聲波模具開(kāi)槽及橫波分布
3.2 開(kāi)槽寬度的確定超聲波模具為什么要開(kāi)槽
槽的位置決定以后, 還必須合理選擇槽的寬度,當(dāng)開(kāi)糟寬度太小時(shí),不能產(chǎn)生有效的抑制作用;而寬度太大時(shí),由于工具質(zhì)量改變較大, 容易使超聲波模具的縱向振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,因而也影響超聲波模具的縱向共振頻率。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),開(kāi)糟的較理想寬度約為入1/25~ 入,/20。由此可以看出,為了抑制不同振動(dòng)構(gòu)式的橫向振動(dòng),需要在超聲波模具上開(kāi)設(shè)不同寬度的槽子。
3.3  開(kāi)槽長(zhǎng)度的確定
開(kāi)槽長(zhǎng)度對(duì)超聲波模具的振動(dòng)有較大的影響, 當(dāng)開(kāi)槽長(zhǎng)度太短時(shí), 由于超聲波模具的橫向振動(dòng)是分布于模具整個(gè)側(cè)面上的,因此,不能有效地消除橫向振動(dòng), 同時(shí)也不能有效地改善模具振動(dòng)輻射面的位移分布。但是,當(dāng)開(kāi)糟長(zhǎng)度太長(zhǎng)時(shí),由于開(kāi)相高模具輻射面太近,使工具的聲波輻射面上出現(xiàn)位移分布不均勻現(xiàn)象,影響模具輻射效率及產(chǎn)品質(zhì)量,因此, 綜合上述兩種情況,結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),最有效且不明顯影響工具振動(dòng)分布的開(kāi)精長(zhǎng)度約為l/4~1/3入 , ,入,為模具縱向振動(dòng)基頻模式的波長(zhǎng)。
超聲波模具頻率測(cè)試
上面, 我們討論了超聲波模具輻射面為一狹長(zhǎng)矩形面情況, 如果超聲波模具沿X及Y方向的尺寸都較大,則必須對(duì)超聲波模具的兩個(gè)橫向振動(dòng)分別加以開(kāi)精抑制。 可以預(yù)見(jiàn), 在這種情況下,工作正在進(jìn)行。
 為了有效地抑制工具的橫向振動(dòng), 必須首先利用頻率方程求出超聲波模具的縱向及橫向諧振頻率, 對(duì)最接近超聲波模具縱向振動(dòng)基頻的橫向振動(dòng)模式進(jìn)行開(kāi)槽抑制。開(kāi)槽必須位于超聲波模具橫向振動(dòng)模式的節(jié)點(diǎn)處, 并且合理選擇開(kāi)糟尺寸, 為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效, 應(yīng)該對(duì)最強(qiáng)的橫向振動(dòng)加以抑制,只有這樣, 才能有效地抑制大尺寸工具的橫向振動(dòng), 并且改善超聲波模具聲波輻射面的位移分布均勻程度,提高超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的縱向工作效率,取得理想的超聲波焊接效果。