超声波换能器如何设计？

超声波换能器的设计

超音波塑料焊接机工作时，加工塑料工件需要的是高频率的纵向振动，使得工件的上下模上下高频振动熔化焊接层，得到焊接效果。因此选择换能器的种类，是纵向复合式换能器，结构简单，超声波换能器首尾两块是金属盖板；中间是压电陶瓷晶堆，一般是纵向极化的带圆孔片或圆管，也可以是径向极化的圆管；一根应力螺杆将这3 部分紧紧压牢。

超声波换能器结构示意图

1.高强度应力杆2.绝缘圈3.陶瓷片4.后盖板5.引线6.前盖板

设计压电陶瓷体，算得陶瓷片中超声波传播速度c = 2 418 m/s，陶瓷片直径取D = 60 mm，陶瓷片数n = 2。计算前后盖板长度和直径，利用振动方程的通解条件，不难获得频率方程和前后振速比。前盖板的尺寸，总是等于对应频率上声波在该盖板中传播波长的1/4，因此取前盖板的长度为64 mm。选择软钢做后盖板，型号为45 号钢，为了使换能器中后盖板和陶瓷晶堆能有更好的联接弹性，可以在等效特性声阻抗的原理下把后盖板和陶瓷晶堆相连的一部分换成硬铝。取硬铝为做前盖板，型号为2A01，直径和陶瓷晶片相同。

且取前后盖板的形状为圆柱形，直径和陶瓷晶片相同。可以算出后盖板的总长度为48 mm。

超声波变幅杆的设计

根据超声波塑料焊接机的工作情况，选择变幅杆类型；按照振幅放大系数、波的功率和振幅大小的关系，得出变幅杆截面面积的大小，最后设计出变幅杆。

算出换能器输出端振幅A = 0.002 2 m，变幅杆输出端振幅取为0.02 mm，因此振幅放大系数为= 9.09其中，ve变幅杆输出端振幅，vf为换能器输出端振幅。因此放大系数不会很大，选择阶梯型变幅杆，如图3 所示。选择硬铝作为制作变幅杆的材料，硬铝型号为2A01，算得变幅杆小端直径d6 = 20 mm。为了使变幅杆输出端得到最大的振幅和振速，取l5 = l6 = 64 mm，所以变幅杆长度L = l5 + l6 =128 mm。

阶梯式超声波模具

用PRO- E 软件对变幅杆的频率分析，首先根据变幅杆的尺寸用PRO- E 三维软件绘出变幅杆的三维模型。其次用频率分析工具对变幅杆作频率分析，输入最低频率值为20 000 Hz，材料为2A01 以及材料的弹性模量为0.7×105 MPa, 泊松比为0.3。变幅杆输出端振动频率为20 544 Hz，和最初给出的频率值20 kHz 相差不大，因此可以符合设计的要求。

超声波焊接头的设计

超声波塑料焊接机工作时，工具头作用在工件上的力大概为30～50 N，因此作用力并不大，属于中等强度受力的工作情况，从而可以选择型号为2A01 的硬铝作为制造材料。要使工具头能正常工作，则工具头和变幅杆输出端相联的部分就要匹配。匹配指的是变幅杆输出端和工具头输入端之间的阻抗匹配。因此要求在谐振频率上在他们的接合面上，变幅杆的输出阻抗等于工具头的输入阻抗。根据前面涉及到的知识，两者阻抗相等只需要它们的横截面积相等。因此选择工具头前半部分为直径D = 20 mm的圆柱体，选择输出端直径D = 16 mm，后半部分为圆锥体。

超声波焊头图纸

用PRO- E 软件对超声波焊头头的频率分析，首先根据焊头头的尺寸用PRO- E 三维软件绘出工具头的三维模型。其次对工具头作频率分析，输入最低频率值为20 kHz，材料为2A01 以及材料的弹性模量为0.7×105 MPa，泊松比为0.3。

焊头头小端面部分也就是图中上部区域的共振频率为20 021 Hz，与最初给出的超声波的频率20 kHz 相差不大，因此工具头的设计可以满足设计要求，工作时能够和换能器经过变幅杆传到焊头头输入端的振动产生共振。