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超声波焊头设计

作者:许晶 时间:2016-04-18

超声波技术已经广泛应用于金属、塑料焊接工艺中。焊接工装(Horn),因其对结构动力学方面的高性能要求,传统的仿造、修模设计方法已不能适应塑料产品多变的要求。超声波焊接的原理入手,通过有限元法进行固有频率和模态分析,设计新型工装,满足有效传递和均匀分配振动能量的功能要求。在设计过程中结合ANSYS的参数化建模、全因子实验设计优化(DOE)和概率设计系统(PDS)模块,进行参数设计和健壮性设计,调整几何尺寸,使得工装的固有频率和超声波频率匹配,对应的模态在工作面振幅均匀,减少了局部结构应力集中的问题,同时对材料和环境的参数变化有较好的适应性。所设计的工装一次加工完成投入使用,避免了反复修整工装所带来的时间和成本上的浪费。
 
焊接工装的设计相当重要。国内有不少超声波设备供应商自行生产焊接工装,但是他们中有相当一部分是仿制已有,然后不断的修整工装、测试,通过这种反复调整的方法达到工装与设备频率协调的目的。我司通过有限元方法,在设计工装时就能把频率确定,制造出来的工装测试结果与设计频率误差不过1%。同时,引入DFSS(Design For Six Sigma)的理念,对工装进行优化和健壮设计。设计的理念是在设计过程中充分收集客户心声进行针对性的设计;并且预先考虑生产过程可能出现的偏差,保证最终产品的质量分布在合理的水平内。设计流程如图二所示,从制定设计指标开始,首先根据已有经验初步设计工装的结构和外型尺寸,在ANSYS中建立参数化模型,然后通过仿真实验设计(DOE)方法确定模型中的重要参数,根据健壮要求,确定数值,接着对其他参数用子问题法进行寻优。考虑到工装在制造和使用过程中材料、环境参数的影响,还对其进行了公差设计,满足制造成本的要求。最后是制造、测试检验理论设计和实际的误差,满足设计指标即交付使用。
超声波模具ansys分析金属点焊机焊头频率分析
 
塑焊机模具模具分析
每颗焊头3D设计都经过有限元分析,保证产品焊接部位超声波焊头振幅的一致性,以达到最均匀、最稳定的塑件焊接效果。
红色部分代表超声波焊头振幅的分布情况,以及最大振幅输出点。
一只焊头的使用寿命关键决定于两个方面:一、材料,二、工艺
材料方面:超声波焊接要求金属材料有柔顺性好(声波传递过程中机械损耗小)好的特点,所以最常用的材料为铝合金及钛合金,但超声波金属焊接要求焊头耐磨损(要求较高的硬度),使材料的选择变得比较困难,因为硬度和韧性似乎是天生对立的,这就要求我们选择非常高要求的材料,我们选择的优质钢村料能够比较好地解决这个矛盾,使焊头的有效寿命尽量地提高。
工艺方面:包括有加工工艺及后续处理工艺,加工工艺在前面已详细描述过,后续处理包括热处理及参数的修整,基于我公司选择的材料,我们有独创的热处理工艺去保证;在每一个焊头制作完成后,单独都要进行参数的测定及调整,以保证出品。


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