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Como projetar uma faca de corte ultra-sônica perfeita

Número Browse:109     Autor:editor do site     Publicar Time: 2019-06-17      Origem:alimentado

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.

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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.

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

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


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

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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.

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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.

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

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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.

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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.

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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).

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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.

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



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