QDFM-125型超声波软管封尾机变幅杆的改进设计

　　超声波软管封尾机工作时,可以将电能通过压电陶瓷换能器转变为20 kHz的高频机械振动能,该能量通过变幅杆放大到工具头,并传导到软管上,以每秒上万次的超声频率及一定的振幅使塑料工件的接合面剧烈磨擦后熔化。振动停止后在工件上维持短暂的压力,使两焊件以分子链接方式凝固为一体。一般热封焊接时间小于1 s,所得到的焊接强度可以与本体相媲美。由于其工作稳定性好,效率高,封口效果美观,对封装的产品没有电磁伤害,所以超声波现在广泛使用于牙膏、化妆品、药品、食品、工业用品等各类PVC,PETG,PET材料软管尾部的封口。

　　QDFM-125型超声波封尾机,是市场上应用较广的一款利用超声波原理进行软管封尾的机器。在使用中发现,该设备在超声能量传递过程中损失较大,经研究发现主要是由于变幅杆的设计存在一定程度的缺陷。

　　1 超声变幅杆

　　超声变幅杆,又称超声变速杆、超声聚能器,在超声技术中,特别在高声强超声设备的振动系统中是很重要的。它的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大,或者将超声能量集中在较小的面积上,即聚能作用。超声换能器辐射面的振动幅度在20 kHz范围内只有几微米,在超声封口焊接中,辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米,因此必须在换能器的端面连接超声变幅杆,将机械振动振幅放大,才能进行超声加工[1]。变幅杆之所以能放大振幅,是由于通过其任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计),截面小的地方能量密度大,振动振幅也就越大,即能量密度与截面面积成反比。变幅杆的基本形式有指数型、圆锥型、锥型、阶梯型等,还有由两种以上单一形状组成的组合型。在面积系数相同的情况下,指数型变幅杆的振幅放大比中等,使用性能稳定。现在由于数控机床的广泛使用,指数型变幅杆制造容易,克服了手工制造的瓶颈。故本设计采用指数型变幅杆,并与原机器一样把变幅杆与工具头设计成一体。

　　2 变幅杆改进设计

　　实际中因封口形式的需要,QDFM-125型超声波软管封尾机的变幅杆与工具头设计制成一个整体,并且横截面为矩形,见图1。

　　为了提高超声加工的生产效率,必须使弹性杆处于最大振幅的共振状态,其设计长度为半波长或1/4波长的整数倍[2],本设计采用半波长变幅杆。

　　通过对QDFM-125型超声波软管封尾机研究发现,超声波在该机器的铝合金变幅杆内以纵波形式传播时,能量损失较大,有以下两方面的原因:一是纵波传递方向该变幅杆有3条尖楞,没有圆弧过渡,使得一部分能量在尖楞处向外辐射造成损失;二是该变幅杆宽度较大,在纵向振动的同时,由于泊松效应能引起该变幅杆横向振动,也会造成能量的损失。基于以上情况,本研究主要针对QDFM-125型超声波软管封尾机的变幅杆进行改进设计。