用有限元分析软件模拟分析超声波模具的振态、阻抗

用有限元分析软件模拟分析超声波模具的振态、阻抗，超声波模具生产厂家必备的利器，大大提高了超声波模具的性能和寿命。

塑料行业使用 3D 有限元分析 (FEA) 计算机建模，因为它可以识别应力、预测性能并分析传统 2D 建模方法通常会遗漏的零件故障。简单来说，FEA 3D 建模创建了一个虚拟对象，并将其分解为非常小的单元，可以单独检查和分析这些单元以生成有关整个零件的信息。

FEA 计算机模拟也被证明是诊断顽固的超声波焊接问题的宝贵工具。具体来说，FEA 正被在组装中成功焊接时遇到问题的加工商所使用。FEA 图像提供 3D 计算机模拟来分析喇叭性能。FEA 仿真可预测超声波振动频率、振幅和应力。这些数据可以帮助识别其他检查方法不明显的问题。

分析超声波模具焊头的结构

如果您遇到焊接问题或超声波模具故障，FEA 可用于分析超声波模头完整性和装配性能。例如，一个制造商在尝试焊接冰箱滤水器的更换零件时反复遇到困难。这种玻璃填充的聚碳酸酯部件有一个强力剪切接头，它是用自动超声波压力机和带有高增益放大器的喇叭以 20 kHz 的频率焊接的。

问题包括焊接质量不足和频繁的裂纹。在检查并调整了所有“常见嫌疑人”（焊头和固定装置的对准，压力水平，助力器选择以及助力器/喇叭接口）后，生产经理没有联系我们，寻求帮助。

为了使用FEA 软件分析故障超声波焊头并诊断问题，我们首先测量焊头并创建相应的 CAD 文件，就像我们第一次设计喇叭一样。这些数据与性能参数一起输入到 FEA 软件中，以创建焊头及其在焊接过程中的动作的虚拟 3D 复制品。计算机化的 FEA 模拟生成一个数字视频文件，通常包含 50 到 60 帧。

可以对FEA 模拟进行编程，以显示焊头上不同位置的相对应力，以及显示这些位置相对运动幅度的位移模拟。模拟通过使用视觉指示器（如颜色和线条图案以及数值）以“实时”动画显示焊接过程中超声波焊头的振幅和应力。对于训练有素的技术人员来说，这些图像提供了丰富的关键信息。在随附的插图中，这些仍然是取自 FEA 模拟的帧，即使是未经训练的眼睛也能发现某些较高应力和振幅位移的区域。

图 A 显示了在没有压力的情况下重新创建的故障焊头静止模型。可以预期，一致的“冷”蓝色表示活动（振幅）非常小，活动中的变异也很小。图 B 和 C 分别显示了焊头在焊接过程中被压缩和伸展的情况。查看这些帧中的线条、颜色和颜色模式（最小值 = 蓝色，最大值 = 红色）会发现明显的问题点。

颜色图案或变化可能会查明高应力和性能不一致的区域。通常，高应力出现在号角上的两个位置 - 中间（“节点”区域）和开槽号角的情况（如我们的示例），在槽的底部。在喇叭表面，不均匀的振幅通常更明显。

图的检查。B 和 C 表明超声波焊头表面有很多“热”振幅，而且这个振幅在整个表面是不均匀的。有很多不同颜色的区域，所有区域都在“热”（橙橙色黄色）光谱中。这种不均匀的图案表示有问题，因为在喇叭表面上均匀的振幅是产生均匀焊接所必需的。

此外，每种颜色的条纹图案都遵循非常不均匀的线条，并显示出剧烈的曲率和运动。将压缩和伸展过程中超声波模具表面的线条与静止状态下的超声波模具线条进行比较，也显示出大量的变形和应力。

根据FEA 动画序列，更明显的是，除了振动之外，喇叭还受到相当严重的扭曲、类似开瓶器的运动，这会在喇叭中产生大量内应力，从而导致开裂和故障.

新建一个超声波模具程序

到目前为止，FEA 已经帮助我们确定了这个焊头的问题。FEA 的真正美妙之处在于，它现在可以通过创建和测试在实际应用参数下表现更好的新模具虚拟模型来解决这些问题。由于这种新型改进的号角是在计算机上“构建”并经过测试的，因此不会浪费昂贵的材料，例如飞机级的钛或铝，也不会浪费宝贵的加工时间。超声波模具尺寸、形状和结构的各种变化可以通过模拟进行测试，直到达到预期的结果。这些虚拟测试结果已被证明是真实世界性能的非常准确的预测指标。

在我们失败的超声波焊头的情况下，无花果。D、E 和 F 显示了最终的新模具设计和相应的 FEA 结果。号角经过多次重大修改，包括增加杆面表面积、增加底切以及改变槽的大小和位置。

对“之前”和“之后”图纸的检查揭示了一些性能改进。虽然喇叭表面仍然有很多活动，但整个面部的振幅更加均匀（由更一致的颜色分布表明）。不同颜色的线条及其各自的图案更加均匀和成比例，表明活动差异较小。这会产生较小的应力，并且应力分布更均匀。同样，对结构线的审查表明，所有区域的扭曲和拉伸都显着减少。

这种改进的号角是物理制造的，并且在自动化生产中无故障运行。此外，它现在使用低增益助推器运行，减少了号角上的压力并提供更舒适的设置。

遇到喇叭故障或顽固的超声波焊接问题的制造商应考虑 3D FEA 分析。它不再是“火箭科学”，该软件已被许多工程师和号角制造商普遍使用。