超音波熔接聚四氟乙烯及其加工機之研發

The Research and Development of Ultrasonic Machine for PTFE Welding

顏豪伸(Hao-Shen Yen)

指導教授 ： 許坤明

國立虎尾科技大學/工程學院/機械與電腦輔助工程系碩士班/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6827/NFU.2013.00129

摘要

在機械設備中，透過密封件例如O型環可以增加設備的密封性，讓設備在運作中能維持穩定。密封件的材質通常是使用橡膠材料，橡膠本身具有化學穩定性佳、回彈性優良、尺寸安定性好等特點，但在特殊環境下，例如處於高溫、接觸溶劑的環境下，橡膠會老化變質，為了解決這個問題，將化學安定性好的鐵氟龍系列材料包覆在橡膠外層，是業界逐漸推廣的一種方法，目前國內並無此製造設備，而此類產品必須自國外進口，因此價格昂貴，增加業界的設備耗材成本。
本論文主要研究以超音波加工方法在O型環之橡膠圈外披覆聚四氟乙烯，除了進行加工機之研發外，並對專用之聲波焊頭進行設計及分析，利用有限元素法分析及製作最佳形狀焊頭(Horn)外，亦進行相關加工參數如焊頭形狀、焊頭材質等加工參數研究外環對所使用的模具進行設計製作。
論文使用ANSYS有限元素分析軟體，模擬焊頭振幅與應力分佈情形，利用田口望目特性，求得符合設計之自然頻率值，找出聲波焊頭最佳尺寸參數，並進行模擬比對；其結果顯示，模擬值與實際量測值頻率相似，得以證明尺寸設計及模擬數值無誤，所設計製作的原型機台亦可以有效加工製作該產品。

關鍵字

超音波 ； 有限元素分析 ； 聲波焊頭 ； 田口方法 ； 聚四氟乙烯

並列摘要

Sealing elements, such as O-rings, enhance the tightness of machinery and equipment, maintaining stable operation. Seals are typically made of rubber material, which offers several advantages, including strong chemical stability, excellent elasticity, and superior dimensional stability; however, rubber is susceptible to aging and deterioration under certain environments such as high temperatures and exposure to solvents. To resolve this problem, coating chemically stable Teflon series materials on the outer layer of rubber is a method widely promoted by various industries. The equipment for this process is currently unavailable in Taiwan, and related products must be imported from other countries. These products are expensive, thereby raising the equipment and consumable costs of industries.
This study investigates polytetrafluoroethylene coatings on O-ring rubbers by using an ultrasonic processing method. In addition, research and development of processing machinery were conducted; an ultrasonic horn was designed and analyzed; and the optimal shape of the horn was analyzed and produced using the finite elemental method. Furthermore, this study examines the relevant processing parameters, such as horn shape and materials, and explores the design and production of molds.
The study employed ANSYS finite element analysis software to simulate the horn amplitude and stress distribution. By adopting Taguchi’s nominal-the-best characteristics, natural frequency values corresponding to the design were obtained and optimal dimension parameters for the ultrasonic horn were identified. Subsequently, simulations and comparisons were performed. The results show that the simulation values are similar to the measured frequency values, confirming that the dimension design and simulation values are accurate. The designed and produced prototype machine can be effectively used for processing and manufacturing products.

並列關鍵字

Ultrasonic ； Ansys ； Horns ； Taguchi method ； PTFE

參考文獻

[11]陳聖平，2009，“複雜外型超音波放大器之有限元素分析與最佳化設計”，國立交通大學機械工程學系研究所碩士論文。

[29]黃姍諭，2012，“超音波輔助切割機焊頭分析與研究”，國立虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系研究所碩士論文。

[24]李青鴻，2012，“太陽能板之超音波金屬連續熔接機研發及其加工參數研究”，國立虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系研究所碩士論文。

[15]陳晟源，2007，“超音波輔助銑削加工之研究”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。

[6]李昱廣，2011，“超音波連續滾焊之變幅桿振動特性模擬與最佳化設計”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。