超聲波模具設(shè)計是一個復(fù)雜的工作，需要根據(jù)模具材料，尺寸以及機器頻率，聲學(xué)原理等因素綜合考慮。簡單的說，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橫波波長位置，這主要是根據(jù)聲學(xué)原理來考量。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。一個好的模具是焊接穩(wěn)定的重要前提是，如果模具設(shè)計不好會導(dǎo)致一些列焊接問題，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系統(tǒng)的共振頻率保持一致, 否則將導(dǎo)致振動系統(tǒng)縱向工作效率下降 。 而工具的橫向共振則必須盡量抑制。模具的振動可分以下三種狀態(tài):
(1)超聲波模具的橫向尺寸遠小于縱向尺寸, 一般要求2倍以上, 即l,≥2lx, l,≥21y,橫向諧振頻率遠高于其縱向共振頻率, 因此, 橫向振動對縱向振動影響不大, 超聲波模具為什么要開槽工具振動類似于沿Z 方向的細長棒的一維縱振動,此時,可以利用一維理論設(shè)計超聲波模具能夠滿足實用上的精度要求。
(2)工具的兩個橫向尺寸皆與其縱向尺寸可相比擬, 此時工具的聲波輻射面為一長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, 在其兩個橫向也產(chǎn)生較強的振動?？v振動與橫振動之問的相互編合使工具的縱向振動狀態(tài)發(fā)生變化,此時,如果仍采用一維理論來計算及設(shè)計工具, 理論與實驗將出現(xiàn)較大的誤差,因此,必須利用上述細合振動理論對工具的三維相合振動進行研究。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, 必須對其兩個方向的橫向振動分別加以有效的抑制。
(3)在模具的兩個橫向尺寸中,其中之一遠小于模具的縱向尺寸, 即滿足12)21,(或l,)但模具的另一個橫向尺寸較大, 接近或超過模具的縱向尺寸, 此時聲波的輻射面為一狹長的矩形面, 對應(yīng)于較小尺寸方向上的橫向振動可以忽略不計, 但是對應(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對縱向產(chǎn)生較大的影響。此時, 一維理論不再適用, 必須利用揺合振動理論來分析、 研究及設(shè)計此類系統(tǒng), 且此橫向振動應(yīng)加以抑制。
為了有效地抑制工具的橫向振動, 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, 對接近超聲波模具縱向振動基頻的橫向振動模式進行開槽抑制。開槽必須位于超聲波模具橫向振動模式的節(jié)點處, 并且合理選擇開糟尺寸, 為了達到經(jīng)濟有效, 應(yīng)該對比較高的橫向振動加以抑制,只有這樣, 才能有效地抑制大尺寸工具的橫向振動, 并且改善超聲波模具聲波輻射面的位移分布均勻程度,提高超聲波振動系統(tǒng)的縱向工作效率,取得理想的超聲波焊接。
