超声波模具的重要知识

　　超声波技术已经广泛应用于金属、塑料焊接工艺中。超声波焊接模具（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。从超声波焊接原理入手，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，避免了反复修整超声波模具工装所带来的时间和成本上的浪费。

　　超声波模具的设计相当重要。国内有不少超声波设备供应商自行生产超声波模具，但是他们中有相当一部分是仿制已有，然后不断的修整工装、测试，通过这种反复调整的方法达到工装与设备频率协调的目的。我司通过有限元方法，在设计工装时就能把频率确定，制造出来的工装测试结果与设计频率误差不过1％。同时，引入DFSS（DesignForSixSigma）的理念，对模具进行优化和健壮设计。设计的理念是在设计过程中充分收集客户心声进行针对性的设计；并且预先考虑生产过程可能出现的偏差，保证最终产品的质量分布在合理的水平内。

　　设计流程从制定设计指标开始，首先根据已有经验初步设计超声波模具的结构和外型尺寸，在ANSYS中建立参数化模型，然后通过仿真实验设计（DOE）方法确定模型中的重要参数，根据要求，确定数值，接着对其他参数用子问题法进行寻优。考虑到工装在制造和使用过程中材料、环境参数的影响，还对其进行了公差设计，满足制造成本的要求。最后是制造、测试检验理论设计和实际的误差，满足设计指标即交付使用。

　　每颗超声波焊头3D设计都经过有限元分析,保证产品焊接部位超声波焊头振幅的一致性，以达到最均匀、最稳定的塑件焊接效果。红色部分代表超声波焊头振幅的分布情况，以及最大振幅输出点。