超音波與旋轉複合熔接機之研發

Research of Ultrasonic Rotary Compound Melting Machine

李易峻(Yi-Jiun Li)

指導教授 ： 蘇親儒

共同指導教授 ： 許坤明

國立虎尾科技大學/工程學院/創意工程與精密科技研究所/碩士(2010年)

摘要

本論文為改良陳所設計新型超音波輔助旋轉熔接機，使其具有分度功能，可進行半自動的超音波與旋轉複合熔接機(Research of Ultrasonic Rotary Compound Melting Machine)。此加工機為結合超音波熔接及旋轉熔接兩種加工方法所研發而成。此整合型加工機，主要原理係以高速馬達旋轉兩工件，使導能角頂部摩擦產生高溫，當熱塑性材料達到熱變形溫度時，施加適當壓力於另一種材料上，表面會在半融熔狀態下達到熔接，同時再以超音波振盪子激振，以及聲波焊頭的放大位移，使接觸摩擦面可達到溫度上升的效果。此外，使用有限元素法模擬階梯型聲波焊頭的振動模態與最佳化設計，作為機台主要系統開發之參考。並藉由實驗得到接合處表面上微結構之情況，及使用田口方法，求得此機種的控制因子。
使用ANSYS有限元素分析軟體針對廠商所提供的資料進行聲波焊頭的分析與設計，先對階梯形聲波焊頭進行收斂性分析，找出最佳的網格數目後，再以廠商所提供聲波焊頭，使用ANSYS最佳化聲波焊頭，進行模態分析，證明使用ANSYS最佳化設計出的聲波焊頭熔接效果較佳。最後測量最佳化後聲波焊頭在20 kHz激振時，其共振頻率是否符合設計。結果顯示，使用ANSYS最佳化後的聲波焊頭，在進行實際模態量測時，其結果與使用ANSYS進行模態分析所得的結果相近。
本研究結論為使用ANSYS最佳化設計出來聲波焊頭，其焊頭振動幅度與提供的能量，都比廠商所提供的聲波焊頭佳。且對於PVC與PE的異種材料熔接實驗，可發現影響熔接成果主要的因素為超音波的熔接時間以及旋轉速度兩種因素。

關鍵字

超音波與旋轉熔接 ； 聲波焊頭 ； 模態分析

並列摘要

This study develops a machine tool with indexing function which can carry out semiautomatic ultrasonic rotary melting. This machine tool is developed by using the ultrasonic welding and the rotary melting methods. In addition, the finite element method was used in this study to simulate the vibration mode and optimal design of cascade-form ultrasonic head as the reference for developing the main system of the machine. The microstructure of the joint surface was obtained from experiment, and the control factors of this type of machine were obtained by using Taguchi Method.
The ANSYS finite element analysis software was used for analyzing and designing the ultrasonic head welding head based on the data provided by manufacturer. Convergence analysis was carried out for the cascade sonic welding head to find out the optimal lattice number, and ANSYS was used for optimizing the ultrasonic head welding head provided by the manufacturer for modal analysis. The results proved that the welding effect of the ultrasonic head designed by using ANSYS is better. Finally, the optimized ultrasonic welding head head was measured to check whether its resonance frequency meets the design under 20 kHz shock excitation. The result of practical modal measurement of ANSYS optimized ultrasonic head was similar to that of modal analysis using ANSYS.
The welding materials tested in this experiment were PE and PVC, the sonic welding head was cascade sonic welding head, the frequency was 20 kHz, and the output power of welding machine was set as 2200 W, the microstructure and welding effect were observed after welding.

並列關鍵字

ultrasonic head ； ultrasonic and rotary melting ； modal analysis

參考文獻

1.陳建智，新型超音波輔助旋轉熔接機之開發，碩士論文，國立虎尾科技大學研究所，雲林，2008。

2.張博堅，超音波熔接熱塑性塑膠之探討，塑膠資訊，pp.29-38，1998年3月。

3.張忠信，摩擦焊技術综述，機械工業出版社，北京，1997。

4.陳睜、周飛、王國凡、材料的連接原理(上) ，哈爾濱工業大學出版社，2001。

5.G.Amin, M.H.M. Ahmed, H.A Youssef, "Computer-aided design of ultrasonic machining using finite-element analysis, " Journal of Material Processing Technology 55, pp.254-260 ,1995