用有限元分析軟件模擬分析超聲波模具的振態(tài)、阻抗

用有限元分析軟件模擬分析超聲波模具的振態(tài)、阻抗，超聲波模具生產(chǎn)廠家必備的利器，大大提高了超聲波模具的性能和壽命。

塑料行業(yè)使用 3D 有限元分析 (FEA) 計(jì)算機(jī)建模，因?yàn)樗梢宰R別應(yīng)力、預(yù)測性能并分析傳統(tǒng) 2D 建模方法通常會遺漏的零件故障。簡單來說，F(xiàn)EA 3D 建模創(chuàng)建了一個虛擬對象，并將其分解為非常小的單元，可以單獨(dú)檢查和分析這些單元以生成有關(guān)整個零件的信息。

FEA 計(jì)算機(jī)模擬也被證明是診斷頑固的超聲波焊接問題的寶貴工具。具體來說，F(xiàn)EA 正被在組裝中成功焊接時(shí)遇到問題的加工商所使用。FEA 圖像提供 3D 計(jì)算機(jī)模擬來分析喇叭性能。FEA 仿真可預(yù)測超聲波振動頻率、振幅和應(yīng)力。這些數(shù)據(jù)可以幫助識別其他檢查方法不明顯的問題。

分析超聲波模具焊頭的結(jié)構(gòu)

如果您遇到焊接問題或超聲波模具故障，F(xiàn)EA 可用于分析超聲波模頭完整性和裝配性能。例如，一個制造商在嘗試焊接冰箱濾水器的更換零件時(shí)反復(fù)遇到困難。這種玻璃填充的聚碳酸酯部件有一個強(qiáng)力剪切接頭，它是用自動超聲波壓力機(jī)和帶有高增益放大器的喇叭以 20 kHz 的頻率焊接的。

問題包括焊接質(zhì)量不足和頻繁的裂紋。在檢查并調(diào)整了所有“常見嫌疑人”（焊頭和固定裝置的對準(zhǔn)，壓力水平，助力器選擇以及助力器/喇叭接口）后，生產(chǎn)經(jīng)理沒有聯(lián)系我們，尋求幫助。

為了使用FEA 軟件分析故障超聲波焊頭并診斷問題，我們首先測量焊頭并創(chuàng)建相應(yīng)的 CAD 文件，就像我們第一次設(shè)計(jì)喇叭一樣。這些數(shù)據(jù)與性能參數(shù)一起輸入到 FEA 軟件中，以創(chuàng)建焊頭及其在焊接過程中的動作的虛擬 3D 復(fù)制品。計(jì)算機(jī)化的 FEA 模擬生成一個數(shù)字視頻文件，通常包含 50 到 60 幀。

可以對FEA 模擬進(jìn)行編程，以顯示焊頭上不同位置的相對應(yīng)力，以及顯示這些位置相對運(yùn)動幅度的位移模擬。模擬通過使用視覺指示器（如顏色和線條圖案以及數(shù)值）以“實(shí)時(shí)”動畫顯示焊接過程中超聲波焊頭的振幅和應(yīng)力。對于訓(xùn)練有素的技術(shù)人員來說，這些圖像提供了豐富的關(guān)鍵信息。在隨附的插圖中，這些仍然是取自 FEA 模擬的幀，即使是未經(jīng)訓(xùn)練的眼睛也能發(fā)現(xiàn)某些較高應(yīng)力和振幅位移的區(qū)域。

圖 A 顯示了在沒有壓力的情況下重新創(chuàng)建的故障焊頭靜止模型。可以預(yù)期，一致的“冷”藍(lán)色表示活動（振幅）非常小，活動中的變異也很小。圖 B 和 C 分別顯示了焊頭在焊接過程中被壓縮和伸展的情況。查看這些幀中的線條、顏色和顏色模式（最小值 = 藍(lán)色，最大值 = 紅色）會發(fā)現(xiàn)明顯的問題點(diǎn)。

顏色圖案或變化可能會查明高應(yīng)力和性能不一致的區(qū)域。通常，高應(yīng)力出現(xiàn)在號角上的兩個位置 - 中間（“節(jié)點(diǎn)”區(qū)域）和開槽號角的情況（如我們的示例），在槽的底部。在喇叭表面，不均勻的振幅通常更明顯。

圖的檢查。B 和 C 表明超聲波焊頭表面有很多“熱”振幅，而且這個振幅在整個表面是不均勻的。有很多不同顏色的區(qū)域，所有區(qū)域都在“熱”（橙橙色黃色）光譜中。這種不均勻的圖案表示有問題，因?yàn)樵诶缺砻嫔暇鶆虻恼穹钱a(chǎn)生均勻焊接所必需的。

此外，每種顏色的條紋圖案都遵循非常不均勻的線條，并顯示出劇烈的曲率和運(yùn)動。將壓縮和伸展過程中超聲波模具表面的線條與靜止?fàn)顟B(tài)下的超聲波模具線條進(jìn)行比較，也顯示出大量的變形和應(yīng)力。

根據(jù)FEA 動畫序列，更明顯的是，除了振動之外，喇叭還受到相當(dāng)嚴(yán)重的扭曲、類似開瓶器的運(yùn)動，這會在喇叭中產(chǎn)生大量內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致開裂和故障.

新建一個超聲波模具程序

到目前為止，F(xiàn)EA 已經(jīng)幫助我們確定了這個焊頭的問題。FEA 的真正美妙之處在于，它現(xiàn)在可以通過創(chuàng)建和測試在實(shí)際應(yīng)用參數(shù)下表現(xiàn)更好的新模具虛擬模型來解決這些問題。由于這種新型改進(jìn)的號角是在計(jì)算機(jī)上“構(gòu)建”并經(jīng)過測試的，因此不會浪費(fèi)昂貴的材料，例如飛機(jī)級的鈦或鋁，也不會浪費(fèi)寶貴的加工時(shí)間。超聲波模具尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)的各種變化可以通過模擬進(jìn)行測試，直到達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。這些虛擬測試結(jié)果已被證明是真實(shí)世界性能的非常準(zhǔn)確的預(yù)測指標(biāo)。

在我們失敗的超聲波焊頭的情況下，無花果。D、E 和 F 顯示了最終的新模具設(shè)計(jì)和相應(yīng)的 FEA 結(jié)果。號角經(jīng)過多次重大修改，包括增加桿面表面積、增加底切以及改變槽的大小和位置。

對“之前”和“之后”圖紙的檢查揭示了一些性能改進(jìn)。雖然喇叭表面仍然有很多活動，但整個面部的振幅更加均勻（由更一致的顏色分布表明）。不同顏色的線條及其各自的圖案更加均勻和成比例，表明活動差異較小。這會產(chǎn)生較小的應(yīng)力，并且應(yīng)力分布更均勻。同樣，對結(jié)構(gòu)線的審查表明，所有區(qū)域的扭曲和拉伸都顯著減少。

這種改進(jìn)的號角是物理制造的，并且在自動化生產(chǎn)中無故障運(yùn)行。此外，它現(xiàn)在使用低增益助推器運(yùn)行，減少了號角上的壓力并提供更舒適的設(shè)置。

遇到喇叭故障或頑固的超聲波焊接問題的制造商應(yīng)考慮 3D FEA 分析。它不再是“火箭科學(xué)”，該軟件已被許多工程師和號角制造商普遍使用。