超声波塑料焊接机的振动系统设计

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1、EquipmentManufactringTechnologyNo．4，2010超声波塑料焊接机的振动系统设计陆晓燕(上海海事大学，上海200135)摘要：就超声波塑料焊接机的振动系统进行设计和计算，并用PRO-E三维软件绘出三维模型，最后进行频率分析，为超声振动系统提供了有用的设计方法。关键词：超声波；塑料焊接机；超声换能器；变幅杆中图分类号：TG439．9文献标识码：A文章编号：1672—545X(2010)04—0058—03当代社会，塑料的各种制品已渗透到人们日常生活的各在一起的。超声塑料焊接机中把这样联接在一起的换能器、变个领域。传统的加

2、工工艺，已不能适应现代塑料工业的发展需幅杆和工具头组成的系统，叫做振动系统。整个振动系统，是要。超声波塑料焊接机在焊接塑料制品时，既不要填加任何粘在变幅杆的变截面处通过法兰的嵌合作用固联在机架上的。接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点。因此，超声波焊接技术越来越广泛地获得应用。超声振动系统是进行超声焊接加工的基础组件，而良好的超声振动系统是保证超声焊接加工的前提条件。1．后盖板2．陶瓷片3．铜电极4．绝缘圈5．前益板6．螺钉7．双头螺柱8．变幅杆9．双头螺柱lO．1T具头图1超声塑料焊接机振动系

3、统的示意图1超声振动系统工作原理2．1换能器的设计超声振动系统是将电能转化为机械振动并放大振幅的部超声波塑料焊接机工作时，加工塑料工件需要的是高频件，主要包括超声换能器，变幅杆和工具头。超声波塑料焊接率的纵向振动，使得工件的上下模上下高频振动熔化焊接层，机上的超声换能器的工作原理，就是利用压电陶瓷材料的逆得到焊接效果。因此选择换能器的种类，是纵向复合式换能压电效应产生振动工作的。将一压电晶体置于外电场中，在电器，结构简单，示意图如图2所示。首尾两块是金属盖板；中问场的作用下，引起晶体内部正负电荷重心的移动，这一极化位是压电陶瓷晶堆，一般是纵向极化的

4、带圆孔片或圆管，也可以移又导致晶体发生形变，这就叫做逆压电效应。是径向极化的圆管；一根应力螺杆将这3部分紧紧压牢。超声变幅杆是超声加工处理设备中超声振动系统的重要组成部分之一。在超声振动系统工作过程中，由于超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，当工作频率在20kHz范围内，超声换能器的辐射面的振幅只有数微米，而在超声焊接中所需要的振幅大约为数十至数百微米。所以必须借助变幅杆的作用，将机械振动质点的位移量和运动速度进行放大，并将1l高强度应力杆2．绝缘圈3．陶瓷片4．后盖板5．7I线6．前盏板超声能量聚集在较小的面积上，产生聚能作用。超声变幅杆还图2

5、纵向复合式换能器结构示意图可以作为机械阻抗变换器，在换能器和负载之间架起桥梁，进行阻抗匹配，使超声能量更有效地从换能器向负载传输。设计压电陶瓷体，算得陶瓷片中超声波传播速度C=2418m／s，陶瓷片直径取D=60mm，陶瓷片数n=2。2超声振动系统的设计计算前后盖板长度和直径。利用振动方程的通解条件，不难获得频率方程和前后振速比。前盖板的尺寸，总是等于对应超声波塑料焊接机振动系统的设计，主要包括超声换能频率上声波在该盖板中传播波长的1／4，因此取前盖板的长度器、变幅杆和工具头3个部分，如图1所示。超声换能器主要为64mm。选择软钢做后盖板，型号为4

6、5号钢，为了使换能器是由前、后盖板和夹在前后盖板中间的陶瓷晶堆组成，从图1中后盖板和陶瓷晶堆能有更好的联接弹性，可以在等效特性可以看出，换能器的3部分是由螺钉联接在一起的。换能器和声阻抗的原理下把后盖板和陶瓷晶堆相连的一部分换成硬铝。取硬铝为做前盖板，型号为2A01，直径和陶瓷晶片相同。变幅杆之间以及变幅杆与工具头之间，都是靠双头螺柱联接收稿日期：2010一O1—13作者简介：陆晓燕(1986__．，女，上海人，硕士学位，研究方向为机械学。58《装备制造技术)2010年第4期且取前后盖板的形状为圆柱形，直径和陶瓷晶片相同。可以算部分为圆锥体(如图5

7、所示)。出后盖板的总长度为48mm。2．2变幅杆的设计根据超声波塑料焊接机的工作情况，选择变幅杆类型；按照振幅放大系数、波的功率和振幅大小的关系，得出变幅杆截面面积的大小，最后设计出变幅杆。图5工具头的示意图算出换能器输出端振幅A=0．0022m，变幅杆输出端振幅取为O．02mm，因此振幅放大系数为用PRO—E软件对工具头的频率分析，首先根据工具头的尺寸用PRO—E三维软件绘出工具头的三维模型。其次对工具l=00022=9．09r【．头作频率分析，输入最低频率值为20kHz，材料为2A01以及其中，．变幅杆输出端振幅，，为换能器输出端振幅。材料的弹

8、性模量为0．7x10MP8，泊松比为0．3。得出的频率因此放大系数不会很大，选择阶梯型变幅杆，如图3所分析图如图6所示。从