超声塑料焊接工具横向振动及开槽的研究（可编辑）.doc

工 振超 声 塑 料 焊 接 具 横 向 动 及开槽 的 研 究玉 张 福 成书林, 。 。西 安 陕 西 师 范 大 学 应 用 声 学 研 究 所,了 超 工 的 振 了本 文 利 用 祸 合 振 动 理 论 研 究 大 尺 寸 声 塑 料 焊 接 具 三 维 动 推 出 决 定 工 具 谐 振 频。,的 程 了 的 之 的率 与 其 材 料 及 尺 寸 之 间 关 系 频 率 方 还 研 究 工 具 横 向 振 动 与 开 槽 间 关 系 从 理 论 上。, ,了 的 达 式 了 的 题 明得 出 决 定 工 具 开 槽 位 置 数 学 表 在 某 种 程 度 上 解 决 大 尺 寸 工 具 开 槽 问 实 验 表,的 了 工 上大 尺 寸 工 具 设 计 频 率 与 测 量 值 基 本 符 合 开 槽 大 大 地 改 善 具 辐 射 面 的 位 移 分 布 的 均 匀 程。度, 。, ,词关 键 超 声 塑 料 焊 接 藕 合 振 动 谐 振 频 率 横 向 开 槽百, , ! , ! !, ! % ! #& &a n s o n r o v e s e u n o r o s a e e e n s r u o n o n e r a a n s u r a e et g p t p t t t t t gi i m t h i f m i y f d i l m i i b i h i id l d d fo a r e e n s o n v r a n s s e sg t td i m i i b i g y mf l,: , ,e o r s u r a s o n e a s e e n e o u e v r a o n r e s o n a n r e u e n e r a -t g p t t tk y w l t i p l i w l d i l d i b i q yd fn s v e r s e s o nt gil。 ,必 工须 使 用 相 应 的 焊 接 具 对 于 较 大 的 部 件, ,为 提 高 生 产 率 保 证 产 品 质 量 需 要 大 尺 寸1引 言,的 超 声 焊 接 工 具 其 辐 射 面 是 一 个 狭 长 的 条, ,比形 面 或 者 一 个 长 与 宽 可 相 拟 的 大 尺 寸 矩在 不 同 的 应 用 场 合 由 于 焊 接 对 象 不 同1 1 4 1 9 9 2卷 期24。 、, 3v n n :一 +1 5E E 1际 工 形 面 在 实 工 作 中 要 求 具 的 谐 振 频 率 / /、Zv n : n一 +xE E 1 6 必 于 系 共 振 须 等 激 发 换 能 器 及 变 幅 杆 统 的 频 / /、 : 。, 、 n n一 +l l 7E E 否 生 器 下 具 / /率 则 将 产 换 能 效 率 降 工 的 振。, ,多 问 为 必 利 用 系动 模 式 发 生 变 化 等 许 题 此 须 从 弹 性 体 的 表 观 弹 性 数 概 念 根 据 表 观。,”于 可 振理 论 上 准 确 地 决 定 工 具 的 谐 振 频 率 对 横 弹 性 法 原 理 把 大 尺 寸 动 工 具 的 振 动互 相 垂 直 一于 于 看 成 是 沿 振 动 工 具 轴 向 的 三 个 的向 尺 寸 远 小 纵 向 尺 寸 例 如 横 向 尺 寸 大,4一维 纵 振 动 的 祸 合 振 动 而 沿 各 轴 的 维 纵 振1/ 纵 波 波 长 的 振 动 工 具 横 向 振 动 对 纵 向。 : 、 :, ,E E E可 以 一 以 系振 动 的 影 响 不 大 忽 略 不 计 此 时 用 动 可 看 成 是 弹 性 数 分 别 为 及。, ,以 空 况 下 即维 振 动 理 论 便 可 得 出 与 实 验 符 合 的 结 果 的 细 长 棒 的 纵 向 振 动 在 载 情 工, ,于 系 于 况 工但 是 对 大 尺 寸 振 动 统 由 工 具 的 横 向 具 的 边 界 自 由 情 下 可 得 大 尺 寸 振 动 具,近 于 应尺 寸 接 或 大 振 动 系 统 工 作 频 率 所 对 的的 频 率 方 程。, x x 、 、?i 1 2 3 8了 k l i纵 波 波 长 工 具 产 生 严 重 的 横 向 振 动 并? , , , 、 、, ,?2 3互 k l i 1 9且 横 向 振 动 与 纵 向 振 动 相 影 响 此 时 j ? , : 2 、 、北1 2 3 1 0一 理 必 k 1 m m 维 振 动 论 将 产 生 较 大 的 误 差 须 发 展 ? 以新 的 理 论 满 足 此 类 大 尺 寸 系 统 的 设 计 需,8 01工 和 工 三 三要 有 效 地 抑 制 具 的 横 向 振 动 改 善 具 式 分 别 为 工 具 个 轴 向 的 频 率、 : :。 , , , , , ,e e。 cok k K面 方 程 其 中 / /辐 射 位 移 分 布 的 均 匀 程 度: x 、, , , , 2 ,e e / “ e /。 p pE E/ / /: :2 ,cpE “工 具 三2 / 分 别 称 为 振 动 维 藕大尺 寸 塑 工 具 的超 声 抖 焊 接, ,p为 度合 振 动 的 轴 向 波 数 及 声 速 材 料 密频 方率 程、 、,f i m为 正 j 分 应谐 振 频 率 整 数 别 对 振 动。8不 同 上 述 最 代 入 一休 的 振 动 模 式 把 各塑 工 一常 用 的 超 声 料 焊 接 具 般 为 长 方, , :1示 为 的 可体 用 直 角 坐 标 表 三 个 方 向 的 尺 寸 分 别 三 式 得、: : “ “、 , , v n 3 n ,一 + 1 1 11 i A l 1 1 1 Z 和 面 为 / /设 与 轴 垂 直 的 上 下 底 分 别Z “ y “v n ; n, 一 + z 21 A l 1/ j /面 量 工声 波 的 激 发 及 辐 射 声 波 能 沿 着 具 的:3v n : n “ “, 一 +1 1 2 3m A lZ X Y / /属纵 向 即 轴 方 向 传 播 而 与 两 个 方 向 则。 , Z 2 “ , , 二 c 二 c “ c。 pA E为 细于 原 式 中 / / 长 棒工 具 横 向 振 动 的 方 向 根 据 弹 性 力 学 理: , , ,a a a一 速 述 三一 应 力 和 中 维 纵 振 动 的 传 播 度 由 上 式 结 合振 动 体 内 任 点 的 轴 向 轴: : , Z, , , , n ; n n 3e 。 e4系之 式 消 去 祸 合 数 及 可 得 决 定向 应 变 间 的 关 系 为: :y ”a 一 a + a1 塑E 大 尺 寸 超 声 料 焊 接 工 具 谐 振 频 率 的 频 率 方 /、 :, , :。a 一 、 a + a2E / 程 式: 、z , v.a 一 a + a , , 少 竺3 2 竺 2 三 2E 工 2 / _3-一 厄了 A。,、E氏 量 系 节 篆式 中 和 为 材 料 的 杨 模 及 泊 松 数 令 贵拼 牛希债二:n ;二 a之 应 比 为振 动 体 各 轴 向 间 的 力 分 别Z+ +A ,: : : 一y , , , ,n : n : a a a a a 场 卜义 喜/ / / 定 为 振姿 兴 杀。 : 二 :,“aE之动 体 轴 向 间 的 藕 合 系 数 令 /: : :, , , , ,2。 二 。 + + + 一 a a 2 3 ” AE E “ ,/ / 称 为 振 动 体 的 表, , 谷 系 1 3 可观 弹 性 数 由 式 得,n I n : n : 可 出给 定 工 具 的 材 料 及 尺 寸 就 得 工 具 藕 合1 4声 学 技 术,于 14 了 工振 动 的 谐 振 频 率 由 式 中 考 虑 具 用 一 维 及 设 工果 仍 采 理 论 来 计 算 计 具 理 论, ,响 因 出 同 于横 向 振 动 的 影 此 它 得 的 结 果 不验 出 的 差 因 必 利 用与 实 将 现 较 大 误 此 须。,1一 理 论 4 以 出维 的 数 值 由 式 可 看 大 尺述 动 论 对 工 三 进上 藕 合 振 理 具 的 藕 振 动维 合,。A为 于 三 次寸 工 具 的 频 率 方 程 一 关 的 方 程为 了 及行 研 究 并 且 保 证 工 具 的 工 作 效 率 其, ,三 以由 此 可 解 得 个 频 率 结 合 上 文 分 析 可 面 必 对 两辐 射 上 位 移 分 布 的 均 匀 性 须 其 个,。出 应 纵看 这 三 个 谐 振 频 率 分 别 对 工 具 的 向以方 向 的 横 向 振 动 分 别 加 有 效 的 抑 制。共及 横 向 振 频 率 工 具 的 纵 向 共 振 频 率 也 就,必 系是 其 工 作 频 率 它 须 与 换 能 器 振 动 统 的3大尺 寸 动 工 具超 声 中 横 向振,共 振 频 率 保 持 一 致 否 则 将 导 致 振 动 系 统 纵动 的 开 制。 槽 抑振下 必向 工 作 效 率 降 而 工 具 的 横 向 共 振 则 须。,1 4,尽 量 抑 制 对 应 式 的 解 工 具 的 振 动 可尺 工如 上 分 析 大 寸 振 动 具 的 藕 合 振 动:,以 三分 下 种 状 态只存 在 三 个 轴 向 的 谐 振 频 率 其 中 有 一 个是,1 。, ,于 尺工 具 的 横 向 尺 寸 远 小 纵 向 寸际 为 目实 所 需 要 的 抑 制 横 向 振 动 前 普: x :, , , ,2 Z 21 l l 1 。以 异一 般 要 求 倍 上 即横遍 采 用 在 振 动 体 上 开 槽 的 方 法, ,于 因向 谐 振 频 率 远 高 其 纵 向 共 振 频 率 此3 1开描 位 里 的 确 定,动横 向 振 对 纵 向 振 动 影 响 不 大 工 具 振 动 类, ,Z于 一似 沿 方 向 的 细 长 棒 的 维 纵 振 动 此 时利 用 一 可 以 工维 理 论 计 算 及 设 计 工 具 满 足 程。上 的 精 度 要 求,2尺 之在 工 具 的 两 个 横 向 寸 中 其 中, 二,21 1于 纵 即 一 远 小 工 具 的 向 尺 寸 满 足,._ , /、 , 1丈 二 袭 气,. 户1 一 近或 但 工 具 的 另 个 横 向 尺 寸 较 大 接 二,面或 超 过 工 具 的 纵 向 尺 寸 此 时 声 波 的 辐 射1工 动 的图 具 藕 合 振 位 移 分 布 图,为 一 面 于狭 长 的 矩 形 对 应 较 小 尺 寸 方 向 上,塑 工以 于 设 有 一 超 声 料 焊 接 具 换 能 器 的 激的 横 向 振 动 可 忽 略 不 计 但 是 对 应 较 大, ,Z工 因 开 必尺 上 共 共 励 方 向 沿 着 具 的 轴 此 槽 须 能寸 方 向 的 横 向 振 频 率 与 纵 向 振 频 率。 。, ,X Y比 互 因 够 抑 制 工 具 在 与 这 两 个 方 向 的 振 动 若较 接 近 两 者 将 相 作 用 此 该 方 向: 、 :, ,。,1 l l几 21 而 比工 具 的 何 尺 寸 为 与 相响 可上 的 横 向 振 动 对 纵 向 产 生 较 大 的 影 此 时、 、 。 、 :。 , m ,f f f应 谐 为拟 相 的 振 频 率 实一 论 不 再 适 必 利维 理 用 须 用 藕 合 振 动 理 论、 :, ; 。f际 于来 分 析 研 究 及 设 计 此 类 系 统 且 此 横 向 中 要 求 等 换 能 器 的 工 作 频 率 如 前振。 ,X以 所 述 工 具 在 方 向 的 横 向 振 动 对 纵 向 振 动动 应 加 抑 制。3Z以 Y工 具 的 两 个 横 向 尺 寸 皆 与 其 纵 向 尺 的 影 响 可 忽 略 而 方 向 的 振 动 将 对 方。 ,1图向 产 生 大 的 影 响 根 据 上 文 分 析 为 大比 工 面 为 一寸 可 相 拟 此 时 具 的 声 波 辐 射 长,塑尺 寸 超 声 料 焊 接 工 具 藕 合 振 动 的 位 移 分与 宽 相 差 不 大 的 大 尺 寸 矩 形 面 工 具 的 纵 向。 ,1振 比 布 其 中 实 线 代 表 工 具 纵 向 振 动 基 频 的 位共 频 率 与 其 两 个 横 向 共 振 频 率 较 接 近:, 。, , ;2f l于 移 分 布 其 振 动 频 率 为 虚 线 和 分 别在 这 种 情 况 下 由 泊 松 效 应 的 影 响 工 具,Y在 纵 向 共 振 的 同 时 在 其 两 个 横 向 也 产 生 较 表 示 工 具 在 方 向 上 横 向 振 动 的 基 频 及 二 次。 ,强 之 互 谐 频 振 动 模 式 的 位 移 分 布 它 们 对 应 的 频 率的 振 动 纵 振 动 与 横 振 动 间 的 相 藕 合, ; , , : :f f为 图 以分 别 及 由 位 移 分 布 可 清 楚 地使 工 具 的 纵 向 振 动 状 态 发 生 变 化 此 时 如1 4 9 9 21 1 期2 6 卷一一。子度 的 槽3 3开 的 确擂 长 度 定,长 度 工开 槽 对 具 的 振 动 有 较 大 的 影 响处,长 度 由 于当 开 槽 太 短 时 工 具 的 横 向 振 动 是汁于 l.:.:, 于, ,于 因分 布 工 具 整 个 侧 面 上 的 此 不 能 有 效,不地 消 除 横 向 振 动 同 时 也 能 有 效 地 改 善 工2 。,图带 有 开 槽 的 焊 接 工 具 及 其 横 向 振 动 位 移 分 布开具 振 动 辐 射 面 的 位 移 分 布 但 是 当 槽 长, ,:,:于 面 近f 度 太 长 时 由 开 槽 离 工 具 辐 射 太 使和 近 可看 出 接 的 振 动 模 式 则 对 其 分 别 进。比 之 工 具 的 声 波 辐 射 面 上 出 现 位 移 分 布 不 均 匀 现行 抑 制 简 且 行 有 效 的 方 法 是 沿较 单 着, , ,品 因Y Z 象 影 响 工 具 辐 射 效 率 及 产 质 量 此于工 具 的 方 向 开 一 些 平 行 方 向 的 小 长, ,2况 际 工 经图 示 综 合 上 述 两 种 情 结 合 实 作 验 最所 为 一 带 有 开 槽 的 声 焊 接 工 具槽 超,一明 开 度Y Z 有 效 且 不 显 影 响 工 具 振 动 分 布 的 槽 长面 示 意 图 必 于的 平 槽 的 位 置 须 位 工 具, ,:,4 1 3入 入纵 基Y 约 为 1/ / 为 工 具 向 振 动 频 模因方 向 横 向 振 动 模 式 的 节 点 处 这 是 为 节。, ,点 处 应 力 较 集 中 最 易 产 生 横 向 振 动 且 对 纵 式 的 波 长,。, ,论 了 面 为 一f 上 面 我 们 讨 工 具 辐 射 狭 长于向 振 动 影 响 最 小 对 频 率 为 的 横 向 振 动, ,X Y况矩 形 面 情 如 果 工 具 沿 及 方 向 的 尺 寸模 式 其 振 动 节 点 的 位 置 可 由 下 式 决 定,必都 较 大 则 须 对 工 具 的 两 个 横 向 振 动 分 别_; , 、 ,:。, ,入 入。 - 以 开 可 以 预 这 况 下二 , 加 槽 抑 制 见 在 种 情n n 1 乙 二 ,Y 二 十 L 一 1 少 气 J4 艺,?更 困 关 这 面横 向 振 动 的 抑 制 将 加 难 有 方 的1 5。, 正, , , 工 作 在 进 行入为 对 应 波 长 另 为 了式 中 的 外 减 少 开,工 的 影 响 也 必槽 对 具 纵 向 振 动 槽 的 位 置 须4, 实 及 结验 论于 工 对 于 工位 具 纵 向 振 动 的 节 点 处 并 且 称。4 1大 尺 动 主 振 测寸 振 具 谐 频 率 的 且具 面的 纵 向 振 动 节3 2 为 文 出 于 尺 工开 定 验 证 中 得 的 关 大 寸 具 的 设抽 宽 度 的 确, ,以 必 选 工 了 一 于 塑槽 的 位 置 决 定 后 还 须 合 理 择 计 公 式 笔 者 加 些 用 超 声 料 焊 接槽, , , ,c二开 时 工的 宽 度 当 槽 宽 度 太 小 不 能 产 生 有 效 中 的 振 动 具 其 材 料 为 硬 铝 声 速, , ,、; 5 1 00 0 m用 于 工 34 了的 抑 制 作 而 宽 度 太 大 时 由 具 质 量 /s 泊 松 系 数 测 量 工 具 的。,工 尺纵 向 谐 振 频 率 具 的 几 何 寸 及 测 试 数 据改 变 较 大 容 易 使 工 具 的 纵 向 振 动 状 态 发 生, , C , 。1f f m为因 见 表 表 中 为 工 具 的 计 算 频 率变 化 而 也 影 响 工 具 的 纵 向 共 振 频 率 经,。,i入 比 同 时 列 了测 量 值 为 进 较 表 中 出 不 考反 复 实 验 开 槽 的 较 理 想 宽 度 约 为 / 25 行。 ,;入 共以 出 了 虑 工 具 的 向 振 动 时 工 具 一 维 振 动 理 论 的/ 20 由 此 可 看 为 抑 制 不 同 振 动 横: 。, L L , , :e2f f 1模 式 的 横 向 振 动 需 要 在 工 具 上 开 设 不 同 宽 振 频 率 其 计 算 式 为 /1工 的 洲 果表 具 谐 振 孩 率 试 结月夕tr.,. I, .几1lJ,、.11 工一JLm Cm L L 一一f ff fx L L ! y z e z m z ! f f f l m m l m m H H Hm m !; m ml工 具f f.8 1 2 1 3 83 1 22 1 2 2 2 8 0 8 2 7 % %5 0.3 6 69 8 22 5 5 0 0 2 2 4 1 2 8 2 %7 7 7 %4 6 25 2 9 5 5 2 8 5 4 3 4 9 7 7 3吕 0 6 3 % %12 7声 学 技 术一 一