超声波模具（HORN）有限元分析

超声波模具（HORN）有限元分析
      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。本文从超声波塑料焊接的原理入手，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。

前言
      随着超声波技术的发展，其应用越来越广泛，可以用来清洗微小脏污颗粒，也可以用于金属或塑料的焊接。尤其是现在的塑料制品，大多采用超声波焊接，因为省去了螺钉结构，可以使得外观更完美，而且还有防水防尘的功能。其中塑料焊接工装（Horn）的设计对最终焊接质量和生产能力有着重要的影响。在新型电表的生产中也是使用超声波将上下两个面壳融合到一起，但是在使用过程中发现，有的工装安装到机器上使用很短一段时间就发生开裂等失效，有的工装焊接产品的缺陷率较高。各种故障应商对工装的设计能力有限，往往是通过反复修模来达到设计指标。因此我们有必要利用自身
      的技术优势开发耐用的工装以及一套合理的设计方法。
      超声波塑料焊接原理
      超声波塑料焊接是利用了热塑性塑料在高频受迫振动时，焊接面相互摩擦产生局部高温融化结合的一种加工方法。为了达到良好的超声波焊接效果，需要设备、物料和工艺参数等几方面的配合。以下简单介绍其原理。
      1.超声波塑料焊接系统
      焊接系统的解释。电能通过信号发生器和功放，产生超声频率（> 20 kHz）的交变电信号，加到换能器上（压电陶瓷）。经过换能器，电能变为机械振动的能量，机械振动的振幅由变幅器调整至合适的工作振幅，然后通过工具头（焊接工装），均匀地传递到与之接触的物料上。两个焊接物料的接触面做高频受迫振动，摩擦生热导致局部高温融化，冷却后物料结合到一起，实现焊接。在焊接系统中，信号源是电路部分，包含功放电路，其频率稳定性和驱动能力会影响到机器的性能。物料是热塑性塑料，结合面的设计需要考虑如何快速产生热能和对接良好。换能器、变幅器和工具头都可看作机械结构，便于分析其振动的耦合。在塑料焊接中，机械振动是以纵波的形式传递的，如何有效传递能量和调整振幅是设计的要点。
     工具头（焊接工装）

     工具头作为超声波焊接机和物料的接触界面，其主要功能是将由变幅器输出的纵向机械振动均匀有效地传递到物料上，所用的材料通常是优质铝合金甚至钛合金。因为塑料物料的设计变化多，外型千差万别，工具头也要随之而变化。工作面的形状要与物料配合良好，在振动时才不至于损伤塑料表明；同时其一阶纵向振动固由频率要与焊接机的输出频率协调，否则振动能量会被内耗掉。工具头在振动时，局部会产生应力集中，如何优化这些局部结构也是设计时需要考虑的问题。本文就如何应用ANSYS设计工具头，优化设计参数和制造公差进行探讨。