Como projetar uma faca de corte ultra-sônica perfeita

Como projetar uma faca de corte ultra-sônica perfeita

Projeto estrutural de cortador ultrassônico para bolos

Resumo: Um cortador ultrassônico de 20 KHz é projetado para alimentar a demanda por grandes segmentos de alimentos viscosos. Ao analisar seu modelo usando o método dos elementos finitos, as freqüências naturais são obtidas para todas as aplicações e a distribuição de bordas da aresta de corte é distribuída. O efeito do tamanho do chassi é analisado na uniformidade do deslocamento na porta de saída, na frequência de latitude normal da vibração e na frequência adjacente. Os parâmetros estruturais de alta sensibilidade são reprojetados para tornar a fresa dominada pela vibração longitudinal próxima a 20 kHz. O intervalo entre a frequência de ressonância e as frequências naturais é suficientemente grande e a distribuição da capacidade de deslocamento na superfície da aresta de corte foi grandemente melhorada.

Na confecção de bolos, peças de apoio ultra-sônicas são usadas em larga escala porque não requerem bordas afiadas e grande pressão, e o material a ser cortado não é facilmente causado por ruptura, quebra, deformação e adesão

Nós estudamos a tecnologia de processamento adicional para ligas de alto desempenho, materiais compostos e materiais frágeis. Nós estudamos facas de corte ultra-sônicas, projetamos facas de corte e criamos um modelo dinâmico e um programa de melhoria estrutural. Realizamos um tratamento de vibração combinado na peça de trabalho do material NdFeB, que é coberto pelo método de processamento rotativo ultrassônico, prolongando assim a vida útil. No entanto, a maioria dos objetos processados ​​por aparelhos de vibração por ultrassom são materiais de engenharia e pouco estudo sobre ferramentas auxiliares para vibração ultra-sônica de materiais macios, como bolos.

Os componentes básicos do dispositivo de corte ultrassônico são o gerador ultrassônico, o transformador, a buzina e a lâmina de corte (cabeça da ferramenta). Ao cortar material, o cortador aplica a energia mecânica enviada da corneta ao material a ser processado para obter um efeito de corte de alta qualidade. A teoria do design clássico começa com a teoria clássica do cálculo do tamanho estrutural. Na produção real, devido ao tamanho relativamente grande do corpo de corte, a lâmina de corte é necessária com espessura e largura adequadas, o cálculo é complexo. Nesta pesquisa, o programa de elementos finitos ANSYS é usado para projetar a ferramenta de corte com modo de vibração pura, distribuição de amplitude uniforme para a aresta de corte e freqüência de ressonância precisa.

Estrutura básica do projeto da faca de 1 PCes

Este artigo usa um bolo cilíndrico de 250 mm como um objeto de corte. O objetivo do design de frequência (FREQ1) é de 20 kHz, modo de vibração longitudinal.

O tamanho da lâmina de corte é W = 260 mm, H1 = 30 mm, H2 = 5 mm, L1 = 50 mm, L2 = 69 mm, L3 = 50 mm. Conforme mostrado na Figura 1, o material é feito de aço inoxidável 316L.

Figura 1. Esquemática do cortador ultrassônico

1.1 Determinação da vibração

A forma do cortador de biscoitos é como um prato plano. Esse tipo de estrutura tem uma propriedade de frequência densa. Através do programa Elementos Limitados, muitos cientistas analisaram a forma de vibração bidimensional de estruturas semelhantes e completaram a melhoria estrutural [8-10]. Nesta pesquisa, a análise condicional do código de corte mostra que existem muitas condições na lâmina de corte, e que os diferentes padrões correspondem a diferentes condições e diferentes frequências naturais. Quando as dimensões estruturais de um bloco mudam, a ordem da mídia e a forma da situação podem mudar, e isso não é propício para a análise do ANSYS. Portanto, o projeto ideal da lâmina de corte primeiro precisa identificar os diferentes padrões e extrair as correspondentes frequências naturais.

1.2 Determinar o número de slots

A fim de reduzir a vibração lateral, melhorar a uniformidade da distribuição da capacitância e deslocamento da aresta de corte, e evitar a interferência do modo de vibração adjacente, isso é conseguido abrindo alguns dos furos na lâmina de corte e mudando a grande estrutura final. O número de furos pode ser determinado com precisão usando o módulo de projeto otimizado do ANSYS para elementos limitados. Primeiro, selecione o modelo de cortador. O elemento de aço é determinado 186, e as células são quebradas pelo método de ligação livre. Quando a estrutura do cortador muda, a unidade pode ser estendida livremente. A unidade Solid186 é um componente sólido de 20 nós que contém plasticidade, fluência, rigidez de tensão, grande deformação e grande resistência. Características do 316L: Densidade = 9800 kg / m3, coeficiente de elasticidade E = 201 GPa, coeficiente de Poisson = 0,3 m.

(1) melhorar as configurações de mudança

A função objetivo para o modelo matemático dos segmentos é SUB_UX, e as variáveis ​​de estado são MFREQ1, MFREQ2 e MFREQ3. O significado específico é definido da seguinte forma:

Padronização SUB_UX: saída linear mínima / máxima de deslocamento;

Divisor de frequência MFREQ1: frequência de ressonância da vibração longitudinal

Valor absoluto da diferença de 20 kHz;

Intervalo de tempo MFREQ2: valor absoluto da diferença entre a frequência de ressonância da vibração longitudinal e a frequência da seguinte ordem de vibração longitudinal;

Intervalo de frequência MFREQ3: Valor absoluto da diferença entre a frequência de ressonância da vibração longitudinal e a frequência superior da vibração longitudinal

Desenhe variáveis ​​no número de slots, selecione ferramentas de otimização e métodos de otimização, identifique métodos de controle de otimização de loop, melhore

Análise

(2) Análise dos resultados

Após a solução estar completa, o efeito do número de intervalos de tempo na frequência normal do método de vibração para vibração longitudinal é mostrado na Fig. 2. O efeito no intervalo de frequência é mostrado na Fig. 3 e na Figura 4.

Figura 2. Efeito do número de aberturas estreitas na frequência de vibração longitudinal (MFREQ1)

Figura 3. Efeito do número de aberturas estreitas na diferença de frequência (MFREQ2)

Figura 4. Efeito do número de aberturas estreitas na diferença de frequência (MFREQ3)

Figura 5. Efeito do número de aberturas estreitas na uniformidade (SUB_UX)

Dos resultados acima, quando a cultura tem 4 ou 5 slots, tem uma simetria alta e é um valor ideal. Seu efeito no intervalo de freqüência é similar. Como o resultado é mais simples em 4 slots e MFREQ1 menor, 4 é selecionado como o número de slots. Neste momento, como o corte altera a estrutura do cortador, MFREQ2 e MFREQ3 são menores que 500 Hz, o modo de vibração longitudinal está sujeito a interferências próximas à condicional, a frequência de ressonância que gera vibração longitudinal também está longe da frequência alvo. Portanto, com base na determinação do número de aberturas, alterando a distância entre as aberturas, o tamanho da estrutura, o ângulo de rotação e a forma do terminal de entrada do cortador, a estrutura da fresa foi aprimorada para atender aos requisitos de produção. Padronização de porta, espaçamento de frequência e proximidade com a frequência alvo.

2 Análise da sensibilidade da estrutura da lâmina de corte

A forma do cortador após um período de tempo especificado e a mudança da estrutura do membro grande é complicada, e a alteração do tamanho de cada estrutura afeta as características da vibração do cortador. Na otimização secundária, a fim de obter a solução ideal para a lâmina de corte, uma estrutura altamente sensível pode ser escolhida para características de vibração como uma variável de projeto. Ao analisar a sensibilidade do tamanho da lâmina de corte, o grau de efeito de alteração estrutural pode ser obtido em características de vibração, tais como frequência normal, espaçamento de frequência e padronização da lâmina de corte. Fornece a base para a escolha de variáveis ​​de design para melhorar o design. Após a operação mecânica e tratamento térmico, as características de vibração da ferramenta de corte têm erros inevitáveis. Portanto, os resultados da análise também podem fornecer uma base para corrigir a lâmina de corte. A estrutura selecionada para a análise de sensibilidade da lâmina de corte é mostrada na Fig. 6.

Figura 6. Estrutura para análise de sensibilidade

Análise da estrutura do cortador por análise de sensibilidade

Sensibilidade SUB_UX, FREQ1, MFREQ2, MFREQ3

Os resultados são exibidos em 7 ~ 10 formatos.

Figura 7. Efeito da estrutura do cortador na frequência de vibração longitudinal (FREQ1)

Figura 8: Efeito da estrutura do cortador no espaçamento de freqüência entre a freqüência de vibração longitudinal e a freqüência de vibração na ordem anterior (MFREQ3)

A estrutura do cortador tem um impacto relativamente grande na frequência do zumbido por vibração, que é L3, L2, L1, H1, A2 e E2. L2, L2, L2, L2 e L3, a freqüência da ressonância vibratória longitudinal diminui, com o aumento do volume H1, a freqüência de ressonância de ressonância longitudinal é aumentada, como mostrado na Figura 7.

Na estrutura de corte, o efeito de ressonância de ressonância longitudinal e a frequência de frequência da disposição anterior são relativamente grandes, nomeadamente H1, L3, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 e ​​B1. Entre eles, H1, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 são aumentados com o tamanho acima, o intervalo de freqüência de L3, B1 diminui com o aumento de tamanho acima, e o intervalo aumenta, como mostrado na Figura 8. Acontece

Na estrutura da ferramenta de corte, o efeito da frequência de ressonância da frequência de vibração longitudinal e duração da última situação é o primeiro D2 e ​​L2 e L3 e E2, D1, H1, L1, B2, E1. Quanto maior o tamanho de H1 e B2, menor o intervalo de frequência, conforme mostrado na Figura 9.

Figura 9: Efeito da estrutura do cortador no espaçamento de freqüência entre a freqüência de vibração longitudinal e a freqüência de vibração na seguinte ordem (MFREQ2)

Na estrutura do cortador, o efeito na consistência do terminal de saída é R1, B1, R2 e A1. Entre eles, quanto maior o tamanho de B1 e A1, maior a uniformidade, quanto maior o tamanho de R1 e R2, menor a simetria, como mostra a Figura 10.

Figura 10: Efeito da estrutura do cortador na unificação de ponta (SUB_UX)

3 design otimizado

De acordo com os resultados do cálculo análise de sensibilidade, o design para a selecção de variáveis ​​de optimização secundárias são: H1, L1, L2, L3, E1, A1, B1, D1, E2, A2, B2, D2, R1, R3. As variáveis ​​de estado são: MFREQ1, MFREQ2 e MFREQ3, obtêm-se os limites superior e inferior das variáveis ​​de estado de restrição e obtêm-se a frequência de ressonância exata e a modalidade de vibração longitudinal individual. Objetivo da Função: SUB_UX. Seleção do método de otimização: Método de aproximação (problema de aproximação).

Fig. 12 forma o modo de vibração longitudinal do cortador a partir do design melhorado

A Figura 12 representa um diagrama esquemático da posição de vibração longitudinal da lâmina de corte após o projeto de otimização. A cor da imagem da nuvem representa diferentes valores de deslocamento, e você pode ver que o deslocamento da aresta de corte para o cortador tem uma alta simetria. A Figura 13 mostra a distribuição da capacidade de deslocamento da aresta desenvolvida na posição de vibração longitudinal e a padronização da lâmina de corte de 0,93.

A vibração longitudinal do cortador tem uma frequência de eco de 20019 Hz, um erro de 0,01% com uma frequência alvo de 20000 Hz e um intervalo de frequência de mais de 500 Hz, isto é, o cortador melhorado tem uma frequência precisa de ressonância e modo de vibração longitudinal puro.

Figura 13. Distribuição da capacidade de deslocamento da aresta de corte