超声波塑料焊接机振动系统设计 (1) - 副本 - 副本

机械工程学院2010届本科毕业设计PAGE2010届分类号：TQ320.52单位代码：10452毕业设计标准超声波塑料焊接机振动系统设计姓名布小天学号201003111022年级2010专业机械设计制造及其自动化系（院）机械工程学院指导教师年月日摘要超声波塑料焊接指在超声振动作用下将塑料焊件局部熔化并粘连在一起的一种工艺方法。其振动系统是超声波焊接机的重要组成部分，它把由超声波发生器产生的高频电信号通过换能系统，转化为高频机械振动，加于塑料制品工件上，使工件接口迅速熔化，当振动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接效果。因此振动系统的设计好坏对焊接机的设计起着举足轻重的作用。超声波塑料焊接机中把联接在一起的换能器、变幅杆和工具头组成的系统叫做振动系统，整个振动系统是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。振动系统是将发生器产生的高压电波转换成机械振动，经过传递、放大、从而达到加工表面。本课题研究的主要内容是标准超声波塑料焊接机振动系统的设计，主要包括超声换能器，变幅杆和工具头三个部分。超声换能器主要是由前、后盖板和夹在前后盖板中间的陶瓷晶堆组成，换能器的三部分是由螺钉把它们联接在一起的。换能器和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在一起的。关键词：超声波；焊接机；振动系统；工具头

AbstractTheultrasonicplasticsweldstovibrateafunctionintheultrasonicunderplasticsweldworkpiecethepartmeltandglueconnecttogetherofakindofcraftmethod.Thevibratingsystemisanimportantconstitutepartofultrasonictoweldmachine,itchangetheultrasonicoccurrencemachinecreationofhighfrequencyelectricsignaltohighfrequencymechanicalvibrationbyenergychangingsystem,andaddontheplasticsproductworkpieceandmaketheworkpiececonnectedtomeltquickly,andwhenthevibrationstoping,theworkpiececoolsofffixedunderacertainpressureinthemeantime,andthenreachestoaperfectlyweldeffect.Thedesignqualityofthevibratessystemhasprominentfunctiontothedesignofweldsmachine.Intheultratnicplasticsweldsmachinewecalltheenergychangingmachine,therangechangingmachineandthetoolwhichconnecttogethervibrationsystem,thewholevibrationsystemisintheareaofchangingsectionoftherangechangingmachinebyflangeuniteonthemachine.Thevibratingsystemisoccurrencemachinecreationofthehighpressureelectricwaveconvertintoamechanicalvibrationandhasbeendeliver,enlargedandattainedtoprocesssurfacethus.Whiletheultratnicplasticsweldsmachineweldingaplasticsproduct,sincenotneedtoaddtoanyglue,wadandsolventtoconnect,alsodon'tconsumeagreatquantitiesofhotsource,ithastheexcellenceofoperatesimple,weldingspeedquick,weldstrengthlyandsoon.Themaincontentsofthistopicresearchisthedesignofthestandardultratnicplasticsweldsmachinevibrationsystem,andmainlyincludethreeparts:energychangingmachine,therangechangingmachineandthetool.Theenergychangingmachineincludethefrontcoveringplank,thebackcoveringplankandthepotsherdthatinthemiddleofthefomers,thethreepartsofthemachineareconnecttogetherwiththebolt.Theenergychangingmachineandtherangechangingmachineandtherangechangingmachineandthetoolarebothconnecttogetherwiththedoubleheadbolt.Keywords：Ultrasonic；Weldmachining；VibratingSystem；ToolPAGE34PAGE34目录TOC\o"1-2"\h\z\u1绪论 11.1超声波塑料焊接机概述 11.2超声波塑料焊接国内外研究状况 11.3超声波塑料焊接机的应用 32超声波塑料焊接机及其振动系统简介 42.1超声加工原理与超声塑料焊接原理对比 42.2超声波塑料焊接机的焊接方法 62.3超声波塑料焊接机的加工特点 82.4超声波塑料焊接机的设备及其组成 82.5超声波塑料焊接机振动系统设计 103超声波换能器的设计 123.1超声换能器的类型及作用 123.2压电换能器的结构 123.3压电换能器的优点 133.4换能器设计的基本原理 133.5换能器的结构设计 154变幅杆的设计 244.1变幅杆的类型及作用 244.2变幅杆材料和类型的选择 244.3变幅杆各部分振速分布和应力分布 254.4变幅杆大截面和小截面长度的计算 264.5变幅杆变截面处圆角半径的计算 275工具头的设计 285.1工具头类型、材料的选择和横截面直径的确定 285.2工具头前后两部分长度的计算 286法兰和壳体的设计 296.1法兰的设计 296.2壳体的设计 29结论 31致谢 32参考文献 331绪论1.1超声波塑料焊接机概述超声波焊接（英文注释Ultrasonicplasticweldingmachine，是超声波塑料焊接设备在塑料焊接领域研发设计的焊接设备，业内简称为超声波塑焊机)是利用超声波发生器输出高频超声电能给超生振动系统，其振动系统中的换能器将超声频电能转换成纵向振动的机械能，并通过变幅杆将振动位移振幅放大并传给焊头（工具头或上声极），在静压力共同作用下，将被焊的热塑性塑料件、化纤织物、高导电金属件、导线等连接起来。超生焊接的焊接原理可分为超声塑料焊接和超声金属焊接两类，前者为声阻抗焊接，其焊头静压力与焊头振动方向平行并与焊件垂直，而后者焊头静压力与焊头振动方向垂直，与焊件也垂直。它通过高频摩擦，使被焊件温升、变形、塑性流动，它是一种特殊的固相连接。超声波焊接机在焊接塑料制品时，即不要填加任何粘接剂、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。1.2超声波塑料焊接国内外研究状况超声波塑料焊接是从超声波金属焊接发展起来的。50年代发现的超声金属焊接，己广泛用于集成电路引线焊接，近年来用于塑料一金属复合管的焊接很有发展前途。由于工艺上的突出优点，更为广泛应用的是热塑性塑料的焊接。焊接设备除传统的切向和纵向振动外，还发展了扭转和多系统的复合振动。焊接方式由层叠焊(搭接焊接)发展到端面对接焊，功率容量达50KW。我国于50年代开始大功率超声的研究。以研究超声加工、清洗、焊接、粉碎和乳化等应用为先导，进而研究磁致伸缩换能器，压电换能器和簧片哨。60年代以后集中研究夹心式压电换能器，用等效网络建立一维理论。我国在变幅杆方面的研究处于世界前列。对于超声焊接，50年代开始进行超声金属材料焊接应用研究，包括点焊，缝焊和集成电路引线焊接。近十年来主要生产超声塑料焊接设备，己得到广泛应用。目前对超声波塑料焊接的研究主要集中在对功率超声、高分子材料、焊接机及其组件、焊接过程控制模式、焊接工艺参数、焊接过程中塑料分子运动等方面。如国内的哈尔滨工业大学，针对超声波焊接大批量生产中，由于焊接工艺参数波动，接头质量的一致性差的问题，提出了超声能量模式控制技术，对保证产品质量的稳定性具有重要意义。因为目前的超声波焊接机都采用时间控制模式，这种模式首先设定超一声时间，超声时间结束，无论焊接好坏均停止超声，即以焊接时间作为质量控制的关键参数。时间控制模式的焊接质量很不稳定。实际上超声波塑料焊接的质量与输入到焊接件中的能量有直接关系。如果对焊接过程输入到焊接件中的能量直接控制，形成良好接头的能量达到后停机，则可大大提高焊接质量的稳定性。随之，超声波焊接过程的电参数测量和超声波焊接机的控制技术就成为研究内容。哈尔滨工业大学还提出了焊接过程的变压力控制技术，实现整个焊接过程中压力的最佳控制，在焊接熔化过程及保压凝固的不同阶段给出合适的焊接压力，从而提高了接头的组织性能和外观质量。在塑料超声焊接机理方面建立了描述焊接过程的接头熔化状态的物理模型，为焊接过程的自适应控制奠定了基础。在超声波塑料焊接的机理方面，哈尔滨工业大学也进行了比较多的研究。从塑料分子的角度分析研究了焊接接头的熔化状态、熔化膜的厚度计算模型以及影响接头超声波塑料焊接机埋和工艺试验研究质量的因素。并对焊接聚乙烯塑料的温度场进行了模拟和检测，为超声波塑料焊接的机理做了大量的基础工作。国内的上海交通大学进行了塑料超声波焊机声学系统设计及质量检测方法研究，还有科研人员进行了变幅杆振动能量传输性能的研究，推动了超声波塑料焊接技术的发展。国外对超声波塑料焊接主要集中在日本和美国。日本提出在超声波塑料焊接中采用高频振动系统和扭转振动系统和双频振动系统，这样能够提高焊接质量;美国研究人员通过检测散射在空气的超声波信息来判断焊接质量，通过观察焊接过程中塑料分子的运动来研究超声波塑料焊接机理:还在超声波焊接的控制方面进行了不少的研究;美国和瑞士在超声波焊接设备的技术上领先其它国家。对超声波塑料焊接应用方面的研究主要在医药、汽车、建筑和包装行业。除了一般的两塑料件的焊接外，还研究采用超声波塑料焊接进行铆接、埋植、切割、成型、封口等。在塑料模具设计制造过程中使用焊接工艺更能体现出该工艺的优越性，将大件的产品分成几个零件，然后通过焊接工艺组合。这样既简化了模具制造工艺，又降低了模具制造费用和周期，又利于高效率的自动化生产。还研究把超声波塑料焊接应用在复合材料的焊接上。在超声波焊接工艺方面的研究，主要集中于塑料件焊口设计、焊头设计及焊接工艺参数的研究。对于一般塑料零件的对接焊接，对接面要有一能量导向部分以使焊接质量达到最佳状态，但对能量导向部分的机理和作用还不是很清楚。超声波塑料焊接时，焊接质量主要受到超声时间、超声压力、保持压力时间的影响，同时还受到环境温度、振幅、材料、焊件形状等因素的影响。因此要研究各种影响因素对焊接质量的影响程度，以及提高焊接质量所要采取的措施。这方面的研究主要由工厂和生产超声波设备的公司进行，如上海必能信超声有限公司等。本文主要针对目前在焊接基础理论和工艺规范上的欠缺以及在超声波精密焊接研究上的空白，通过试验和数值模拟的方法来对超声波塑料焊接的机理做一定的探讨，研究提高焊接质量实现精密焊接的措施和方法。1.3超声波塑料焊接机的应用(1)家电设备行业：随着家电行业的快速发展，对于常规塑料焊接的要求不断的提升，在家用电器方面可焊材料越来越多，如蒸气熨斗、饮水机塑料板、电视机外壳、收录音机透明面板、摇控器、手提日光灯罩、榨汁机塑料框架、吸尘器部件、剃须刀外壳、电视机壳螺丝固定座、减蚊灯壳、洗衣机脱水槽等需要牢固、密封和美观的塑焊技术。(2)电子电器行业：电子电器产品更新换代强，对塑料部件的熔接要求越来越高。而超声波焊接技术具有环保、节能、安全、不需辅助剂等优点，适应了电子电器行业的高需求。应用超声波焊接技术的电子设备及配件有：电池壳、充电器、阀控式密封维护铅酸蓄电池、3寸软盘、U盘、SD卡、CF卡、ＵＳＢ接插件、录影带盘、计算机、电子表、手机、MP3、磁碟片、手机电池、充电器、手机外壳、设定器、开关插座、预付费水表电表、通讯设备、无绳电话、手机配件、手机壳蓝牙等。(3)文具玩具行业：社会上越来越注重商品的环保、安全、由于采用了超声波技术使产品清洁、高效、牢固、免除使用胶水、螺丝、粘合剂或其他辅助品等适应了社会需求。不仅降低了生产成本，还广泛应用于钥匙链、手机挂件、玩具眼振落、玩具奶嘴、闪光球、墨盒、文件夹、名片夹、相册、半圆仪等的有效焊接熔接。使企业在市场的竞争力大大增强。(4)包装加工行业：在包装加工行业中很多都用到超声波熔接技术如：软管的封口特殊打包带的熔接，空气过滤袋，水处理丙纶滤袋的焊接，无纺布手提袋，瓦楞容器的密封焊接等。超声波焊接在包装行业是不折不扣的好帮手。防伪酒瓶盖、冷冻精液软管包装、指甲剪盒、自封袋、购物手提袋、牙签盒、纸杯、方便面纸碗、乳品包装盒等。(5)金属行业：超声波焊接技术应用于金属加工行业集中体现在超声波金属焊接机也还有各种金属专用焊接机如铜铝焊接机。超声波焊接有着时间短、耗能低、无损工件、效率高等优点。因此超声波金属焊接广泛应用于铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接，可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。(6)纺织行业：超声波焊接技术在纺织行业主要应用于无纺布上，无纺布具有防潮、透气、不助燃、容易分解、可循环再用是一种环保材料使用范围广泛。适合超声波焊接的无纺布产品有：衣服花边、背包、手提袋、窗帘、雨衣、床套、枕头套、汽车套、口罩、包装带、手术衣、椅套、被套、防护服、饰品、洋伞、灯罩、玩具、手套、桌巾等。(7)饰品日用行业：在日用品中有许多产品的制造加工都需要用到塑料焊接技术而超声波塑料焊接技术具有独特的优点被广泛应用。日用品使用超声波焊接技术的有相框、锁匙扣、塑料打火机、牙签盒、行李箱、座密封式容器、中空板箱、饰品盒、化妆品盒、圣诞材的需求量和高质量要求不断提升。器材塑料部件的焊接是产品质量的关键。能够很好应用到超声波焊接技术的产品就有墨盒、电话机、手机充电器、电源适配器、通讯器材螺母埋入、耗材塑料件、磁带、硒鼓、打印机、传真机、手机壳等。(9)汽配行业汽车工业行业：焊接是汽车制造中的关键环节，汽车中塑料部件越来越多，塑焊相关汽车最终质量。而超声波可通过计算机程序控制来实施对大件和不规则工件的焊接如：安全气囊、仪表盘、遮阳板、车载饮水机、尾灯、膨胀水箱、车窗马达、内置音响、脚垫、门板、离合拔叉、备胎箱、保险杠、滤清器、前挡板、刹车油杯、制造车身塑料零件，汽车车门、汽车汽车仪表、车灯车镜、、内饰件、反光材料、反光道钉、拉索、摩托车用塑料滤清器、散热器、制动液罐、油杯、水箱、油箱、风管、尾气净化器、托盘滤板等焊接。超声波塑料焊接的优点主要有：①焊接时间短。大约为1秒到几秒，加上机械作业时间在内不超10秒。这样特别适合自动化程度高、大批量生产的场合;②无表面损坏，不会产生外观异常现象;③熔接部分以外的区域不发热;④焊接前不需要任何前处理;⑤焊接后能保证密封性; ⑥无需另行加工，能保证产品的一致性;⑦操作简单，既能手工操作也能自动操作，是任何人都能做的简单作业;⑧耗电省，工作场所基本无异味，对环境基本上无污染。这些优点使得超声波塑料焊接工艺操作简单、安全可靠，焊接速度快，降低了产品成本，提高了经济效益。同时还可以选用铆接、埋植、切割、成型、封口等方式进行焊接汇，焊接形式多样，能满足不同场合的要求。超声波塑料焊接的突出优点正好克服了传统塑料连接的致命缺点，并且能够实现产品的大规模大批量生产，自动化控制。饰品、发饰品、餐盒、内松盒等。(8)耗材通讯行业：耗材通讯就是耗材和通讯器材，众所周知，当代社会对于通讯器。2超声波塑料焊接机及其振动系统简介2.1超声加工原理与超声塑料焊接原理对比超声波塑料焊接原理是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40千赫兹电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的调幅器装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料熔化。在加压的情况下，使两个塑料件或其它件与塑料件接触部位的分子相互撞击产生融化，使接触位塑料熔合，达到加工目的。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。超声波焊接机工作原理补充：振动能量待焊接工件传送到工件结合面时，由于工件结合面的声阻比较大，振动能量在此处积累，在塑料结合面由于收到振动影响，加上外力的作用，结合面通过摩擦方式转换成热能，将塑料熔化。熔化后，机器停止振动，压力继续保持，待塑料结合处熔化，移开焊头。超生塑料焊接原理图如图2-1所示。当超声波作用于热塑性塑料的接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区（即两焊件的交界面处）声阻大，因此会产生局部高温，又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其熔合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固定型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。-图2-1超声塑料焊接装置1-焊接程序控制2-超声发生器3-换能器4-变幅杆5-上声极（工具头）6-焊件7-下声极（底模）超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅Um、所加压力P及焊接时间T等三因素。焊接时间T和焊头压力P是可以调节的，振幅Um由换能器和变幅杆的变幅比。其焊接所需的能量：E=UmPT,这三个量相互应有个适宜值。能量E超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形。若E小，则不易焊牢。P也不能过大。超声波加工是利用超声频振动工具，冲击磨料悬浮液进而撞击和抛磨脆性材料的一种成型方法，其焊接装置及加工原理如图2-2所示[2]：图2-2超声加工原理示意图1-工具2-工件3-磨料悬浮液4、5-变幅杆6-换能器加工时，在工具1和工件2之间入液体（水或煤油）和磨料混合的悬浮液3，并使工具1以很小的力P轻轻压在工件上。超声波换能器6产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助变幅杆4，5把振幅放大到0.05~0.1mm左右，驱动工具端面做超声振动，迫使工作液中悬浮的磨料以很大的速度和加速度不断的撞击，抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，虽然打击次数多达16000次以上，所以仍有一定的加速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频，交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微孔腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，这一过程时间极短，空腔闭合压力可达几千个大气压，爆炸时可产生水压冲击，引起加工表面破碎，强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的磨粒及时得到更新，及工作液在超声振动下形成的冲击液，使钝化的磨粒崩碎新的刃口，进一步提高了加工效率。2.2超声波塑料焊接机的焊接方法(1)熔接法如图2-3所示，在适度压力下，以超声波高频率振速振动的焊头在两块塑胶的接合面处由于声阻抗的影响产生热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，实现高效清洁的熔接。超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化。在一定压力下，使两焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。(2)铆焊法如图2-4所示，将超声波高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成铆钉形状，使不同材质的材料铆合在一起。螺母或其它金属欲插入塑料工件。首先将超声波传至金属，经高速振动，使金属物直接埋入成型塑胶内，同时将塑胶熔化，其固化后完成埋插。图2-3熔接法图2-4铆焊法(3)埋植如图2-5所示，凭借焊头振动及适当的压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留的塑胶孔内，并固定在一定的深度。(4)成型如图2-6所示，本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压着塑料品外圈，然后焊头发出超声波振动，将塑胶熔融成形面包覆于金属物件使其固定。此方法多使用在电子类、喇叭的固定成形及化妆品类的镜片固定。图2-5埋植图2-6成型(5)点焊如图2-7所示。a)将两片塑胶分点熔接，达到熔接目的。b)对大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果。(6)切割如图2-8所示，运用超声波振动工作原理，并使工具头成刀口状对化纤织物进行切割，其优点是切口光洁不开裂、不拉丝。图2-7点焊图2-8切割(7)缝焊与拷花如图2-9所示，由于化纤具有热塑性材料性质，因此在超声波工具头作用下，可以进行缝合、拷花。(8)封尾如图2-10所示，对包装用的塑胶管（牙膏管、药胶管、化妆品软管等）进行尾部封口，速度快，焊接密封性好，不渗漏。图2-9缝焊与拷花图2-10封尾(9)双纵向振动系统的焊接如图2-11所示，它分上部振动系统和下部振动系统。被焊件夹在两系统中间，其上下震动系统可以相同频率，也可不同频率，以调节上下震动系统的相位值来满足振动的要求。这种焊接功率在同样焊接条件下为单向熔接所需功率的四分之一。图2-11双纵向振动系统的焊接2.3超声波塑料焊接机的加工特点(1)超声加工适合加工硬，脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃，陶瓷（氧化铝，氧化硅等），石英，锗，硅，石墨，宝石，金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢，硬质合金等也能加工，但加工效率较低。(2)由于可用较软的材料，做成较复杂的形状，故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，操作，维修方便。(3)由于去除加工材料是靠极小磨料顺瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度Ra为3.2~0.8μm，加工精度可达0.01～0.02mm，且可以加工薄壁，窄缝，低刚度零。2.4超声波塑料焊接机的设备及其组成超声加工设备又称超声加工装置。它们的功率大小和结构形状有所不同，但其组成部分基本相同，一般包括超声波振动系统4、工作头5、工作台2、立柱6、磨料工作液循环系统1等部分，如图2-12所示：工件放置在工作台上，随工作台可纵横调节，工作台带有盛放磨料悬浮液的工作槽。磨料悬浮液在悬浮装置的带动下能使加工区域得到良好的循环。立柱可带动工作头作上下运动，工作头则可用来调节工具的进给压力及进给速度，并定期地上升，以便更换加工区的磨料。图2-12超声波塑料焊接机结构图超声波塑料焊接机的机电原理如图2-13所示：图2-13超声波塑料焊接机电原理框图超声波振动系统包括超声波发生器，换能器与振幅扩大棒等几部分，如图2-14所示：图2-14超声波塑料焊接机振动系统结构图超声波发生器是超声波加工的动力源，它将50Hz的交流电能变为15～30Hz的高频振荡（超声波）电源，供给超声波换能器。其功率约为20～4000W。换能器4的作用是将高频电振荡变为机械振动。换能器是利用铁，钴，镍等合金磁性材料，在交变磁场作用下使其尺寸伸长和缩短这一特性，从而引起振动，这种现象称之为磁致伸缩效应。振幅扩大棒3用以扩大振幅，因为磁致伸缩的振幅一般只能达到0.005～0.01mm，不能满足一般工件的加工需要。振幅扩大棒之所以能扩大振幅是由于通过它每一截面的振动能量是不变的，故截面小时能量密度大，振幅也增大。振幅棒可以做成锥形，曲线形，阶梯型等。超声波加工工具头5可以和振幅扩大棒做成一体，也可直接焊在一起。工具头较重时，可制空心的，以免降低共振频率。磨料悬浮液一般是水和煤油和磨料的混合液。磨料常用碳化硼，碳化硅，氧化铝等材料，其颗粒的大小可根据加工生产率和精度要求选定。颗粒大的，生产率高，但加工精度低；生产率低，但加工精度高。2.5超声波塑料焊接机振动系统设计2.5.1超声波塑料焊接机振动系统的设计目的振动系统是超声波焊接机的重要组成部分，它把由超声波发生器产生的高频电信号通过换能系统，转化为高频机械振动，加于塑料制品工件上，使工件接口迅速熔化，当振动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接效果。因此振动系统的设计好坏对焊接机的设计起着举足轻重的作用。通过本课题的设计，培养学生严谨的治学态度和训练学生综合运用所学基本理论、基本知识、和基本技能，发现、分析和解决本专业相关的具有理论意义和工程价值的问题，以及从事科学研究或承担专门技术的能力。2.5.2超声波塑料焊接机振动系统的设计内容本课题研究的主要内容是标准超声波塑料焊接机振动系统的设计，主要包括超声换能器，变幅杆和工具头三个部分。超声换能器主要是由前、后盖板和夹在前后盖板中间的陶瓷晶堆组成，换能器的三部分是由螺钉把它们联接在一起的。换能器和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、变幅杆和工具头组成的系统叫做振动系统。整个振动系统是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。振动系统的结构如图2-15所示：图2-15超声塑料焊接机振动系统示意图1-后盖板2-陶瓷片3-铜电极4-绝缘圈5-前盖板6-螺钉7-双头螺柱8-变幅杆9-双头螺柱10-工具头在换能器中陶瓷晶堆的正负两极加上由超声波发生器提供的一定电压的电信号，陶瓷晶堆在螺钉提供一定预紧力的前提下利用陶瓷材料本身固有的逆压电效应，陶瓷晶堆便会发生纵向的高频振动，通过前后盖板向两端传播出去。不过在换能器的输出端输出的纵向振动机械波的振幅小，振动速度也小，变幅杆的作用就是把振动的幅度和速度放大到一定程度之后把机械振动传到工具头上，通过引起工具头的共振作用进行焊接工作。2.5.3超声波塑料焊接机振动系统的设计方法本课题的研究方法：1.根据胡克定律和牛顿第二运动定律推理得出任意变截面的振速方程，在振子各部分的坐标，边界条件已知的情况下解出振速方程的通解，最后围绕通解和换能器各部分边界条件得出频率方程，振速和应力分布方程，结合作为压电效应陶瓷材料的特性等一系列知识设计出超声换能器。2.根据超声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。3.结合塑料焊接机工作情况设计出工具头的结构形状，根据频率方程和共振条件计算出工具头的长度，根据标准超声波焊接机实际工作情况和强度条件选择工具头的材料，最终设计出塑料焊接机合理的工具头。

3超声波换能器的设计3.1超声换能器的类型及作用超声波换能器是超声焊接机的高频机械振动源，其作用就是将超声波发生器输出的电能（或磁能）转换成相同频率的机械振动能。超生焊机用的换能器目前有两种，一种是磁致伸缩式换能器，另一种是压电式换能器。磁致伸缩式换能器由于效率低，性价比低，还需外加直流极化磁场，因此目前超声焊机已很少使用。压电换能器的基本原理是是建立在晶体材料的压电效应基础上的。这种材料为压电晶体材料，在超声焊机中主要用的是压电陶瓷材料。这些材料在承受外力发生形变时，在压电陶瓷晶体表面会出现电荷，晶体内部产生了电场，反之当晶体承受外电场作用时，晶片就会发生形变。这种现象称之为压电效应，前者称正压电效应，后者称逆压电效应。超生换能器是超生振动系统的核心部件。超声换能器设计的好坏关系到焊接机工作的效率，稳定性以及寿命等。现在市场上采用的大部分是压电超声换能器，按照振动形式区别种类繁多，如径向振动模式、纵向复合式振动模式、剪切振动模式、厚度振动模式等。超声塑料焊接机工作时加工塑料工件需要的是高频率的纵向振动，使得工件的上下模上下高频振动熔化焊接层得到焊接效果。3.2压电换能器的结构压电换能器的结构由压电陶瓷晶片、电极片和前后盖板等组成。后盖板一般用质量较大的钢制成，前盖板由质量轻的高强度铝合金或钛合金制造而成。它是利用了压电陶瓷的纵向效应，即陶瓷元件的极化方向、电场方向、机械振动方向三者一致。这种换能器称纵向复合振动换能器。它们的长度方向尺寸远大于它们的宽度。图3-1为国内外焊接机常用的振子实物图与结构图。图中两端是两块金属盖板，中间是压电陶瓷元件堆，压电陶瓷一般是纵向极化的带孔圆片。一根应力螺杆将这三部分紧固在一起，这称为预应力螺杆。它使陶瓷元件具有较大的抗压强度，同时在大功率驱动下，陶瓷元件处于压缩状态，从而避免膨胀所造成的破裂。这种换能器通过改变前后盖板材料、尺寸，来控制换能器的频率、带宽、前后振速比和有效机电耦合系数等性能参数[3]。对超声焊机来说，其谐振频率（串并联），串、并联阻抗、静态电容、前后振速比等参数是十分重要的。超声焊接常用的纵向振动换能器是半波长换能器，四分之一波长换能器用的较少。图3-1纵向复合式换能器结构示意图1—高强度应力杆2—绝缘圈3—陶瓷片4—后盖板5—引线6—前盖板3.3压电换能器的优点(1)陶瓷元件大都是具有较大的抗压强度，中心螺杆给予预应力，一方面能在环境强度发生变化时增强换能器的稳定性；另一方面确保原件在大功率驱动的条件下处于压缩状态，从而避免陶瓷膨胀而造成的破裂，因为陶瓷材料的缺点是可允许的张应力小。(2)因为中间的激活部分是由一组电极接在两端面的轴向极化圆环上组成，从而能应用最大的有效耦合系数K33。(3)圆环的数目及连接方式都有选择余地，从而能较宽的阻抗及频率范围设计换能器。(4)改变首、尾金属盖板的材料、尺寸，能够控制换能器的带宽、前后振速比和有效机电耦合系数等性能参数。3.4换能器设计的基本原理根据胡克定律[4]，得出（3-1）式中T——应力；F——弹性力；S(x)——轴上任意位置x处的截面积；Y——杨氏弹性模量；——应变。如图3-2所示，所以dx元段上弹性力的增量，可表示为：（3-2）图3-2变截面体的一元段根据牛顿第二定律（3-3）式中ρ为材料的密度。如果作简谐振动，且是等截面积，即=常数,可得到方程：对上式两端进行求导得出换能器各部分的振动方程为：（3-4）由于纵向复合式振子，通常在换能器之间存在节面，所以可把它看作有四部分组成，本课题设计的换能器节面设置在陶瓷片和前盖板之间，因而只有三部分组成。为了简单起见，用足标表示各个部分，即。如图3-3所示，上式中——振子各部分的振速；——振子每部分最左端开始偏移右边的距离；——振子每部分的波数，w为圆频率。图3-3振子各部分标注振动方程（3-4）的通解为（3-5）（3-6）式中——振子各部分的振速；，——为待定系数；——振子每部分各点的弹性力；——振子各部分的特声性阻抗；分别为振子各部分的密度，声传播速度和横截面积。3.5换能器的结构设计3.5.1压电陶瓷的设计本课题选择P-5A2型材料作为设计标准超声塑料焊接机振动系统换能器里面的陶瓷材料。(1)弹性柔顺系数的计算查得这种材料的相对介电常数,真空介电常数，因此可以算出：又查得P-5A2这种材料的压电应变常数，机电耦合系数，则根据公式:（3-7）可以算出这种材料的弹性柔顺系数。(2)陶瓷晶堆中超声波传播速度的计算轴向极化压电陶瓷晶堆中的纵向等效声速为：（3-8）当,也就是说，即压电陶瓷晶堆中每一片中的厚度远小于声波的波长时，等效声速可近似为：（3-9）P-5A2型陶瓷材料的密度为，则可以算出超声波在这种陶瓷材料中的传播速度为：=2418m/s。(3)陶瓷片直径的确定陶瓷晶片的直径通常要求小于对应谐振频率在该介质材料中的声波波长的四分之一，从后面的变幅杆设计计算知道，变幅杆的振幅放大系数与变幅杆的大端面积和小端面积之比成正比变化，所以如果圆柱形纵向复合式振子作为带变幅杆的超声换能器的推动级，在允许范围内尽可能把振子的晶片直径取大点。根据昆山日盛公司提供的陶瓷材料的参数可知，超声波在P-5A2型陶瓷材料中的传播速度为5100m/s,计算出给定频率为20KHZ条件下超声波在这种陶瓷材料中传播的波长为：=63.75mm（3-10取陶瓷片的直径D=60mm。根据机械设计手册可以选择用来联接换能器前后盖板和陶瓷晶堆的螺栓外径为20mm,选陶瓷片内孔的直径为22mm,则可以算出陶瓷片的面积为：24.46。（3-11）(4)陶瓷片数的确定确定陶瓷晶堆的总体积与陶瓷材料的功率容量有关。根据外国相关资料报道，铬钛酸铅发射材料的功率容量为每立方厘米每千赫6瓦。可见对于高频换能器，其陶瓷体积可以比较小。但对于大功率换能器要充分进行估计，一般在设计时留有充分的余量，比如以每立方厘米每千赫2—3瓦计算。粗算超声功率1500瓦和陶瓷晶片的关系，参照昆山日盛公司提供的陶瓷晶片的尺寸数据，选择厚度为6mm型号为P-5A2的陶瓷片。据此原理可以算出每片陶瓷材料的功率容量范围（3-12）设计条件给出超声波的总功率为1500瓦，则可以算出陶瓷晶片的片数=，取n=2。（3-13）综上所得，算的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。3.5.2前盖板长度和直径的计算图3-3为换能器各部分标注关系图，所谓的节面，是指换能器内部存在振动位移为零的截面。振子的谐振条件和前后振速比与各部分的材料、尺寸有关，显然还与节面位置的设置有关。节面可以设置在陶瓷元件堆的任一横截面上，通常设置在陶瓷晶堆的中间位置，或者设置在陶瓷元件与前盖板的交界面上，或者设置在陶瓷元件与后盖板的某一横截面上，即偏离了陶瓷元件。本课题选择节面在陶瓷晶堆和前盖板的交界处，这时节面右侧仅有一个前盖板。整个换能器由三部分组成，节面左侧还包括两部分，即陶瓷晶堆与后盖板。如此得出节面右侧的边界条件为：（3-14）利用振动方程的通解条件(3-5)和(3-6)式，不难获得频率方程和前后振速比，得出结果为，所以在这种情况下，前盖板的尺寸总是等于对应频率上声波在该盖板中传播波长的四分之一。因此取前盖板的长度为。3.5.3后盖板长度和直径的计算以及前后盖板材料的选择利用（3-15）则前后振速比变为：（3-16）从（3-16）式可知，为了提高前后振速比，前后盖板的材料应这样选取：前盖板材料的声特性阻抗愈小愈好，而后盖板的特性声阻抗应取得尽可能大。总之要满足。因此本课题选择软钢做后盖板，型号为45号钢，取硬铝为做前盖板，型号为2A01，直径和陶瓷晶片相同。且取前后盖板的形状为圆柱形，直径和陶瓷晶片相同。因此根据频率方程：（3-17）而特性声阻抗，其中、、分别是换能器中各部分材料的密度、声速和横截面积。45钢的密度为，超声波在45钢中传播的速度为，2A01型硬铝的密度为，在这种铝中声速为。利用公式（3-17）：算出后盖板长度,取后盖板的长度为28mm。当换能器工作时陶瓷片发生逆压电效应因而产生纵向振动，如果用钢做成的后盖板与陶瓷晶堆直接用螺栓紧密的联接，陶瓷片脆性比较强，因而有可能是陶瓷片发生断裂而损坏换能器。因此为了使换能器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，等效特性声阻抗变换关系为[1]：（3-18）其中（3-19）（3-20）式(3-16)中Zi——后盖板全部用45号钢做成的时候的特性声阻抗；Z0——先选定后盖板后面那节用45号钢做成的特性声阻抗；Zl——用硬铝做成后盖板与陶瓷相连那部分的特性声阻抗，公式中的l取12mm。根据公式（3-18），其中（3-21）（3-22）（3-23）把式子（3-21），（3-22），（3-23）式代入（3-18）式便可以算出用铝替代的那部分的长度，结果算出=0.036m，因此后盖板的总长度为12+36=48mm。3.5.4换能器性能参数的计算(1)换能器振速比的计算不管是节面处于哪个位置的换能器，其前后振动比公式为：（3-24）若节面位于压电陶瓷晶堆和前盖板的交界处，即V3(O)=0，可得。由于节面处的位移振速等于零，因此四分之一波长振子等效电路的右边可以看成是开路的，如下图3-4所示，频率方程可以由回路中总阻抗为零的条件来推出，即：图3-4节面右侧开路时的等效电路图（3-25）其中，是压电陶瓷晶堆左侧部分的负载阻抗，也就是换能器后盖板的输入阻抗。作为一种简化情况，如果换能器的前后盖板都是由等截面圆柱组成，而且不考虑换能器前后盖板的负载阻抗及压电换能器各部分的材料损耗，此时，换能器中压电陶瓷元件的前后端面的负载阻抗，也就是换能器前后盖板的输入阻抗可以简化为下面的形式[5]：，（3-26）（3-27）由此可以得出换能器位移节面左侧四分之一波长振子的频率方程为：（3-28）将（3-28）式代入（3-24）式可得:（3-29）根据3-29式即可以求出当节面位于陶瓷晶堆和前盖板之间时振子的振速比为。(2)换能器有效机电耦合系数的计算振子的有效机电耦合系数，以Keff表示，它表示振子机械能和电能之间耦合程度的一个重要参数，其定义为Keff等于振动系统的机电耦合能的平方除以整个系统的电能与弹性机械能的乘积，即[5]：（3-30）式中——耦合能；——弹性机械能；——总电能。Keff与所使用的的压电陶瓷晶片的耦合系数K33,整个陶瓷晶堆的长度参量有关，还与振子的前后盖板的尺寸和它们的声阻抗率、节面位置的设置有关。当节面在陶瓷晶堆和前盖板之间的时候，此时频率方程为，（3-31）这时可以得出式子:（3-32）其中（3-33）（3-34）把式子(3-33)和(3-34)代入公式(3-32)则可以算出有效机电耦合系数Keff=0.47。(3)陶瓷晶堆两端电压的确定加在陶瓷晶堆两端的电压值一般都是根据设计人员的经验和试验的方式确定的，研究表明，陶瓷材料中以发射型钴钛酸铅最好，这种材料的外场激励电压可达到每厘米四千伏。在实际设计中，有些设计人员取值较高，比如每厘米陶瓷片厚度的激励电压加至8千伏特，比标称的每厘米4千伏还要高一倍，有些设计人员取值较低，比如使用每厘米2千伏，只有标称值的一半，两者相差达到12分贝。这主要是换能器设计人员对材料的工艺质量、非线老化特性不清楚，所以估计的值与实际有差距。不过多数设计人员要求换能器设计牢靠，性能稳定，在目前一般工艺水平条件下，通常设计在每厘米2千伏左右，甚至更低。因此本课题所设计的这个换能器加在陶瓷片两端的电压值为2.4千伏。(4)换能器各部分的振速和应力分布的计算①前盖板的振速和应力分布的计算根据通解方程（3-5）和（3-6）以及前后盖板的边界条件，当节面在陶瓷片和前盖板之间时，可以算出振子前、后盖板在任意输入阻抗下的振速分布和应力分布。其中前盖板的振速分布为[6]：（3-35）应力分布为：（3-36）其中—振子表面输入阻抗，在空气中时，=0，在水中时即为声辐射阻抗，这里代表任意的阻抗；—前表面振速。(3-35)和(3-36)两式可简化如下： （3-37）（3-38）因此根据(3-35)式可以算出前盖板振速分布为：根据(3-38)可以算出前盖板应力分布为：。②陶瓷片、后盖板应力和振速分布的计算节面的左侧部分，对于超声换能器，尾部后盖板一般是暴露在空气中的。根据图3-3，边界条件为（3-39）式中为振子尾端振速，表示振子尾端暴露在空气中，可以运用与计算前盖板应力分布一样的方法得到振子左半部分振速的分布和应力分布。其中陶瓷片和后盖板上振速分布分别为：（3-40）（3-41）应力分布为：（3-42）（3-43）根据(3-40)式算出陶瓷片上的振速分布为：根据(3-41)式算出后盖板上的振速分布为：根据(3-42)式算出陶瓷片上的应力分布为：根据(3-43)式算出后盖板的应力分布为。(5)换能器中螺栓预紧力的计算换能器里面陶瓷片的工作原理是逆压电效应，逆压电效应需要一种力对处在电场下的陶瓷片产生变形以发生振动作用，这种力就是需加在螺栓上的预紧力。①陶瓷片上最大工作压力换能器工作时，根据1-25式可知，当时，陶瓷片上所受的张应力，此时陶瓷片上的工作压力为:②预紧力值下限的计算查常用压电陶瓷性能参数可得，P-5A2型陶瓷材料的动态抗张强度为4000磅/平方英寸，1磅/平方英寸=7030N/m2，因此当换能器工作时加在螺栓上的预紧力不能小于:预紧力上限的计算和预紧力的确定根据螺栓危险截面拉伸强度条件为[8]：（3-44）其中为作用在螺栓上的总拉力，为危险截面直径，为螺栓材料强度极限，45号钢的强度极限，这样便可以算出:再根据计算预紧力的公式：式中为所求预紧力，F为工作拉力，为螺栓相对刚度。本课题所用垫片为金属垫片，因此，代入数值计算得出综上可得加在螺栓上预紧力的范围为：因此可选择预紧力。

4变幅杆的设计4.1变幅杆的类型及作用变幅杆又叫聚能器，在声学系统中起着放大换能器输出的振幅并耦合传输到工件的作用。各种锥形杆都可以用作为变幅杆，设计各种变幅杆的共同目标是使变幅杆的自振频率能与换能器的推动频率谐振，并在结构上考虑合适的放大倍数、低的传输损耗以及自身具备的足够机械强度。变幅杆可分为纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、扭转振动变幅杆。其中纵向振动变幅杆可分为简单形、复合形。简单形又可分为指数形、圆锥形、悬链形、阶梯形。而复合形是由各种简单形变幅杆根据实际需要组合而成的。由于在超声塑料焊接中负载是固体，在加工过程中需要始终施加一定的静压力，而且负载也不断发生变化，这种情况不但要求变幅杆要有足够大的放大系数，而且要有较高的工作稳定性和足够的弯曲劲度。用指数型变幅杆，悬链线型变幅杆或其他形式的复合形变幅杆比较合适。当不要求很大的放大系数时，最好采用圆锥形变幅杆或者是阶梯形变幅杆，因为它们的弯曲劲度较大，工作稳定性高，而且便于外形加工。变幅杆作用在疲劳条件下，设计时应重点考虑结构的强度，特别是声学系统各个组元的连接部位，更是需要特别注意。材料的抗疲劳强度及减少振动时的内耗是选择变幅杆材料的主要依据，目前常用的材料有45#钢、30CrMnSi、超硬铝合金以及钛合金等。4.2变幅杆材料和类型的选择(1)变幅杆放大系数的计算，材料和变幅杆类型的选择物理中机械波的知识，波的能流也称波的功率，垂直通过单位面积的平均能流叫做能流密度I，因此可以得到超声波功率和波振幅A的关系：(4-1)得出即可算出换能器输出端振幅A=0.0022m，变幅杆输出端振幅取为0.02mm,因此振幅放大系数为：因此放大系数不会很大，选择阶梯型变幅杆，如图4-1所示,选择硬铝作为制作变幅杆的材料，硬铝型号为2A01。图4-1阶梯型变幅杆(2)阶梯型变幅杆小端面直径的计算阶梯型变幅杆在谐振条件下的最大振幅放大系数为：（4-2）根据（4-2）得出因，所以，算出直径。4.3变幅杆各部分振速分布和应力分布由公式(4-5)和(4-6)以及变幅杆的边界条件：(4-3)可求得待定系数。其中：(4-4)把这些系数代入公式(4-5),(4-6)式，便可获得变幅杆的振速分布和应力分布：(4-5)（4-6）及（4-7）（4-8）当节面设计在变幅杆节面突变位置时，小截面部分的振速分布和应力分布函数可以得到简化：（4-9）（4-10）根据(4-5)算出变幅杆大截面部分的振速分布：根据(4-6)算出变幅杆大截面部分的应力分布：根据(4-9)算出变幅杆小截面部分的振速分布：根据(4-10)算出变幅杆小截面部分的应力分布：4.4变幅杆大截面和小截面长度的计算由公式（4-20）和边界条件，可以求出振幅放大系数的一般表达式：（4-11）由公式（3-5）和（3-6）以及边界条件可得谐振方程：（4-12）把公式（4-12）代入公式（4-11），可得谐振条件下的振幅放大系数：（4-13）由公式（4-13）可知阶梯型变幅杆在谐振条件下的振幅放大系数不但与变幅杆的大小截面两部分的特性力阻抗之比有关，还与参数和有关，把（4-12）代入（4-13)式，最后可以得出使（4-10）式即振幅放大系数最大的微商值，可以用求导数的方法证明当又因，因此。又由（4-3）式令,得出，因此，这时节面位置正是在阶梯性变幅杆的大小截面积的突变处也就是节面在这个位置上，振幅放大系数最大。因此为了使变幅杆输出端得到最大的振幅和振速，取，变幅杆长度L为。4.5变幅杆变截面处圆角半径的计算阶梯形变幅杆在截面处有很大的应力集中，在细部接近突变处容易发生因疲劳而断裂的现象，而当放大系数大于4时，这一现象显然更为严重。所以一般将突变处做成有过渡圆角的形式，这样可以降低应力集中。不过过度圆角的简单阶梯形变幅杆其实际谐振频率比计算值低。在截面处加适当的圆弧过渡，不仅可以降低应力集中，而且可以使实际谐振频率恢复到其计算值，这一过渡圆弧称为最佳过渡圆弧，其过渡圆弧半径计算过程如下：变幅杆的面积系数：查阶梯形变幅杆最佳过渡圆弧半径R与N的关系图[2]可得所以得出过渡圆弧半径。

5工具头的设计5.1工具头类型、材料的选择和横截面直径的确定关于工具头计算，其工作频率、频率方程、半波长谐振长度、节点位置、放大系数等与变幅杆相同，然而其焊接端面形状与被焊物的被焊部位表面形状要求相吻合。因此为了有效地减小或消除横向振动，必须设法破坏横向振动存在的条件，目前大多在变幅杆的适当部位开槽。实践表明，开槽的部位与尺寸大小对辐射面上振动分布和振动大小具有较明显的影响。超声波塑料焊接机工作时工具头作用在工件上的力大概在30N到50N之间，因此作用力并不大，属于中等强度受力的工作情况，从而可以选择型号为2A01的硬铝作为制造工具