超聲波模具（HORN）有限元分析

超聲波模具（HORN）有限元分析
      超聲波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬、塑料焊接工藝中。焊接工裝（Horn），因其對結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面的高性能要求，傳統(tǒng)的仿造、修模設(shè)計方法已不能適應(yīng)塑料產(chǎn)品多變的要求。本文從超聲波塑料焊接的原理入手，通過有限元法進(jìn)行固有頻率和模態(tài)分析，設(shè)計新型工裝，滿足有效傳遞和均勻分配振動能量的功能要求。在設(shè)計過程中結(jié)合ANSYS的參數(shù)化建模、全因子實驗設(shè)計優(yōu)化（DOE）和概率設(shè)計系統(tǒng)（PDS）模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計和健壯性設(shè)計，調(diào)整幾何尺寸，使得工裝的固有頻率和超聲波頻率匹配，對應(yīng)的模態(tài)在工作面振幅均勻，減少了局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問題，同時對材料和環(huán)境的參數(shù)變化有較好的適應(yīng)性。所設(shè)計的工裝一次加工完成投入使用，避免了反復(fù)修整工裝所帶來的時間和成本上的浪費。

前言
      隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，可以用來清洗微小臟污顆粒，也可以用于金屬或塑料的焊接。尤其是現(xiàn)在的塑料制品，大多采用超聲波焊接，因為省去了螺釘結(jié)構(gòu)，可以使得外觀更完美，而且還有防水防塵的功能。其中塑料焊接工裝（Horn）的設(shè)計對最終焊接質(zhì)量和生產(chǎn)能力有著重要的影響。在新型電表的生產(chǎn)中也是使用超聲波將上下兩個面殼融合到一起，但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)，有的工裝安裝到機器上使用很短一段時間就發(fā)生開裂等失效，有的工裝焊接產(chǎn)品的缺陷率較高。各種故障應(yīng)商對工裝的設(shè)計能力有限，往往是通過反復(fù)修模來達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。因此我們有必要利用自身
      的技術(shù)優(yōu)勢開發(fā)耐用的工裝以及一套合理的設(shè)計方法。
      超聲波塑料焊接原理
      超聲波塑料焊接是利用了熱塑性塑料在高頻受迫振動時，焊接面相互摩擦產(chǎn)生局部高溫融化結(jié)合的一種加工方法。為了達(dá)到良好的超聲波焊接效果，需要設(shè)備、物料和工藝參數(shù)等幾方面的配合。以下簡單介紹其原理。
      1.超聲波塑料焊接系統(tǒng)
      焊接系統(tǒng)的解釋。電能通過信號發(fā)生器和功放，產(chǎn)生超聲頻率（> 20 kHz）的交變電信號，加到換能器上（壓電陶瓷）。經(jīng)過換能器，電能變?yōu)闄C械振動的能量，機械振動的振幅由變幅器調(diào)整至合適的工作振幅，然后通過工具頭（焊接工裝），均勻地傳遞到與之接觸的物料上。兩個焊接物料的接觸面做高頻受迫振動，摩擦生熱導(dǎo)致局部高溫融化，冷卻后物料結(jié)合到一起，實現(xiàn)焊接。在焊接系統(tǒng)中，信號源是電路部分，包含功放電路，其頻率穩(wěn)定性和驅(qū)動能力會影響到機器的性能。物料是熱塑性塑料，結(jié)合面的設(shè)計需要考慮如何快速產(chǎn)生熱能和對接良好。換能器、變幅器和工具頭都可看作機械結(jié)構(gòu)，便于分析其振動的耦合。在塑料焊接中，機械振動是以縱波的形式傳遞的，如何有效傳遞能量和調(diào)整振幅是設(shè)計的要點。
     工具頭（焊接工裝）

     工具頭作為超聲波焊接機和物料的接觸界面，其主要功能是將由變幅器輸出的縱向機械振動均勻有效地傳遞到物料上，所用的材料通常是優(yōu)質(zhì)鋁合金甚至鈦合金。因為塑料物料的設(shè)計變化多，外型千差萬別，工具頭也要隨之而變化。工作面的形狀要與物料配合良好，在振動時才不至于損傷塑料表明；同時其一階縱向振動固由頻率要與焊接機的輸出頻率協(xié)調(diào)，否則振動能量會被內(nèi)耗掉。工具頭在振動時，局部會產(chǎn)生應(yīng)力集中，如何優(yōu)化這些局部結(jié)構(gòu)也是設(shè)計時需要考慮的問題。本文就如何應(yīng)用ANSYS設(shè)計工具頭，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)和制造公差進(jìn)行探討。