超聲波模具設(shè)計(jì)是一個(gè)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)，超聲波模具開槽目的是破壞超聲波傳輸中產(chǎn)生的橫波，一般開槽是在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。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)定的重要前提是，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，開裂等等！
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)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。
(3)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。
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)接近超聲波模具縱向振動(dòng)基頻的橫向振動(dòng)模式進(jìn)行開槽抑制。開槽必須位于超聲波模具橫向振動(dòng)模式的節(jié)點(diǎn)處, 并且合理選擇開糟尺寸, 為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效, 應(yīng)該對(duì)比較高的橫向振動(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。
