Como projetar uma faca de corte ultra-sônica perfeita

Como projetar uma faca de corte ultra-sônica perfeita

O design estrutural do cortador ultra-sônico para bolos

Resumo: Um cortador ultrassônico de 20 kHz para alimentação é projetado para atender a demanda de corte de grandes alimentos viscoelásticos. Analisando seu modelo com o método dos elementos finitos, obtêm-se as freqüências naturais de todas as ordens e a distribuição da amplitude de deslocamento da borda cortante. A influência do tamanho da estrutura na uniformidade de deslocamento no porto de saída, a freqüência natural longitudinal de vibração e a freqüência adjacente são analisadas. Os parâmetros estruturais com alta sensibilidade são redesenhados 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 amplitude de deslocamento na superfície da aresta de corte é grandemente melhorada.

Na indústria de bolos, o corte assistido por ultra-som é amplamente usado porque não requer bordas afiadas e grande pressão, e o material a ser cortado não é facilmente causado por rasgos, quebra, deformação e colagem.

Nós estudamos a tecnologia auxiliar de processamento de ligas de alto desempenho, materiais compósitos e materiais frágeis. nós estudamos facas de corte ultrassônicas, projetamos facas de corte e estabelecemos um modelo dinâmico e um programa de otimização estrutural. Nosso processamento de vibração combinada técnica realizada na peça de trabalho de material NdFeB sinterizado pelo método de processamento rotativo ultra-sônico, que prolongou a vida útil da ferramenta. No entanto, a maioria dos objetos de processamento de auxiliares de vibração ultra-sônica são materiais de engenharia, e poucos estudam os auxílios de vibração ultra-sônica para materiais macios, como bolos.

Os componentes básicos do dispositivo de corte ultrassônico são um gerador ultrassônico, um transdutor, uma buzina e uma lâmina de corte (cabeça da ferramenta). Ao cortar o material, o cortador aplica a energia mecânica transmitida pela corneta ao material a ser processado para obter um efeito de corte de alta qualidade. A teoria do design tradicional começa com a teoria clássica para calcular o tamanho estrutural. Na produção real, devido ao volume relativamente grande do objeto de corte, é necessária uma lâmina de corte de espessura e largura adequadas, e o cálculo é complicado. Neste trabalho, o software de elementos finitos ANSYS é usado para projetar uma ferramenta de corte com modo de vibração pura, distribuição de amplitude uniforme de ponta e frequência de ressonância exata.

1 projeto básico da estrutura da faca de corte

Este artigo usa um bolo cilíndrico de 250 mm como objeto de corte. A frequência alvo do projeto (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. Como mostrado na Figura 1, o material é feito de aço inoxidável 316L de qualidade alimentar.

Fig.1 Esquema do cortador ultra-sônico

1.1 identificação de vibração

A forma do cortador de bolo é semelhante à de uma placa plana. Este tipo de estrutura tem uma característica de frequência densa. Através do software de elementos finitos, muitos estudiosos analisaram a forma de vibração acoplada multidimensional de estruturas similares e completaram a otimização estrutural [8-10]. Neste trabalho, a análise modal da lâmina de corte mostra que existem muitos modos na lâmina de corte, e diferentes modos correspondem a diferentes modos e diferentes frequências naturais. Quando as dimensões estruturais do cortador mudam, a ordem modal e a forma do modo podem mudar, o que não é propício para a análise do ANSYS. Portanto, o design de otimização da lâmina de corte primeiro precisa identificar os vários modos e extrair as freqüências naturais correspondentes.

1.2 Determinação do número de slots

A fim de reduzir a vibração lateral, melhorar a uniformidade da amplitude e distribuição de deslocamento da aresta de corte, e evitar a interferência do modo de vibração adjacente, realiza-se abrindo algumas fendas na lâmina de corte e mudando a estrutura do grande fim. O número de slots pode ser determinado com precisão usando o módulo de design otimizado do software de elementos finitos ANSYS. Primeiro, parametrize o modelo do cortador. O elemento sólido sólido186 é selecionado e as células são divididas pelo método de malha livre. Quando a estrutura do cortador muda, a unidade pode ser estendida livremente. A unidade Solid186 é um elemento sólido elastoplástico de 20 nós com plasticidade, fluência, rigidez de tensão, grande deformação e grande capacidade de deformação. Atributos do 316L: Densidade r = 9800 kg / m3, módulo de elasticidade E = 201 GPa, coeficiente de Poisson m = 0,3.

(1) otimizar as configurações de variáveis

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

Uniformidade SUB_UX: saída longitudinal / mínima de deslocamento;

Intervalo de frequência MFREQ1: frequência de ressonância da vibração longitudinal

O valor absoluto da diferença de 20 kHz;

Frequency interval MFREQ2: o valor absoluto da diferença entre a frequência ressonante da vibração longitudinal e a frequência seguinte da 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, especifique métodos de controle de loop ideais e otimize

Análise.

(2) Análise dos resultados

Após a solução estar completa, a influência do número de ranhuras na frequência natural do modo de vibração da vibração longitudinal é mostrada na Fig. 2. A influência no intervalo de frequência é mostrada na Fig. 3 e na Fig. 4, e a influência na uniformidade do terminal de saída é mostrada na Fig. 5.

Fig.2 Influência do número de ranhuras estreitas na frequência de vibração longitudinal (MFREQ1)

Fig.3 Influência do número de slots estreitos no espaçamento de freqüência (MFREQ2)

Fig.4 Influência do número de slots estreitos no espaçamento de freqüência (MFREQ3)

Fig.5 Influência do número de ranhuras estreitas na uniformidade (SUB_UX)

Dos resultados acima, quando o cortador tem 4 ou 5 slots, ele tem uma alta uniformidade e é um valor ótimo. Seu efeito no intervalo de freqüência é similar. Como o resultado é mais simples em 4 slots e MFREQ1 é menor, 4 é selecionado como o número de slots. Neste momento, uma vez que a ranhura muda a estrutura da fresa, e MFREQ2 e MFREQ3 são menores que 500 Hz, o modo de vibração longitudinal é suscetível à interferência modal próxima; a frequência de ressonância que gera a vibração longitudinal também está longe da frequência alvo. Portanto, com base na determinação do número de slots, alterando a distância entre os slots, o tamanho da estrutura, o ângulo de rotação e a forma da extremidade de entrada do cortador, a estrutura do cortador é otimizada para atender os requisitos da produção. Uniformidade de porta, espaçamento de frequência e proximidade da frequência alvo.

2 análise de sensibilidade da estrutura da lâmina de corte

A forma do cortador após o entalhe e a mudança da estrutura da extremidade maior é complicada, e a alteração do tamanho de cada estrutura afeta as características de vibração do cortador. Na otimização secundária, para obter a solução ótima da lâmina de corte, uma estrutura com alta sensibilidade às características de vibração pode ser selecionada como variável de projeto. Através da análise de sensibilidade do tamanho da lâmina de corte, pode-se obter o grau de influência da mudança estrutural nas características de vibração, como a freqüência natural, espaçamento de freqüência e uniformidade da lâmina de corte. Fornece a base para selecionar variáveis ​​de projeto para otimizar o design. Após a usinagem 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 a correção da lâmina de corte. A estrutura selecionada para a análise de sensibilidade da lâmina de corte é mostrada na Figura 6.

Fig.6 A estrutura para análise de sensibilidade

Analise a estrutura do cortador por análise de sensibilidade

Sensibilidade de SUB_UX, FREQ1, MFREQ2, MFREQ3

os resultados são mostrados nas Figuras 7 a 10.

Fig.7 Influência da estrutura do cortador na frequência de vibração longitudinal (FREQ1)

Fig.8 Influência da estrutura do cortador no espaçamento de freqüência entre a freqüência de vibração longitudinal e a freqüência de vibração da ordem anterior (MFREQ3)

A estrutura do cortador tem uma influência relativamente grande na frequência de ressonância de vibração longitudinal, que é L3, L2, L1, H1, A2 e E2. Entre eles, à medida que o tamanho de L3, L2, L1, A2, E2 aumenta, a frequência de ressonância de vibração longitudinal diminui; À medida que o tamanho de H1 aumenta, a freqüência de ressonância de vibração longitudinal aumenta, como mostrado na Figura 7.

Na estrutura do cortador, a influência da freqüência de ressonância de vibração longitudinal e do intervalo de freqüência do modo de ordem anterior é relativamente grande, que são H1, L3, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 e B1 Entre eles, H1, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 aumentam com o tamanho acima, o intervalo de frequência diminui, L3, B1 aumentam com o aumento do tamanho acima, o intervalo aumenta, como mostrado na Figura 8 . Exposição.

Na estrutura do cortador, a influência da frequência de ressonância de vibração longitudinal e do intervalo de frequência do último primeiro modo é D2, L3, L2, E2, D1, H1, L1, B2 e E1. Entre eles, como o tamanho de D2, L3, L2, E2, D1, H1, L1, B2, E1 aumenta, o intervalo de frequência aumenta; À medida que o tamanho de H1 e B2 aumenta, o intervalo de frequência diminui, conforme mostrado na Figura 9. Mostre.

Fig.9 influência da estrutura do cortador no espaçamento entre frequências entre a frequência de vibração longitudinal e a frequência de vibração na ordem seguinte (MFREQ2)

Na estrutura do cortador, a influência na uniformidade da extremidade de saída é R1, B1, R2 e A1. Entre eles, à medida que o tamanho de B1 e A1 aumenta, a uniformidade aumenta; À medida que o tamanho de R1 e R2 aumenta, a uniformidade diminui, como mostrado na Fig. 10.

Fig.10 Influência da estrutura do cortador na uniformidade da aresta de corte (SUB_UX)

3 design de otimização

De acordo com os resultados do cálculo da análise de sensibilidade, as variáveis ​​de projeto da seleção de otimização secundária são: H1, L1, L2, L3, A1, B1, D1, E2, A2, B2, D2, R1, R3. As variáveis ​​de estado são: MFREQ1, MFREQ2, MFREQ3; os limites superior e inferior das variáveis ​​de estado de restrição são obtidos, e a frequência de ressonância precisa e o modo de vibração longitudinal único são obtidos. Função objetiva: SUB_UX. Seleção de método de otimização: método de aproximação de função (método de aproximação de subproblemas).

Fig.12 Formas longitudinais do modo de vibração do cortador de otimizar o design

A Figura 12 é um diagrama esquemático do modo de vibração longitudinal da lâmina de corte após o projeto de otimização. A cor da imagem da nuvem representa diferentes valores de deslocamento, e pode ser visto que o deslocamento da aresta de corte da lâmina de corte tem alta uniformidade. A Figura 13 mostra a distribuição da amplitude de deslocamento da aresta de corte no modo de vibração longitudinal, e a uniformidade da lâmina de corte é de 0,93.

A vibração longitudinal da fresa tem uma freqüência de ressonância de 20019 Hz, um erro de 0,01% com a frequência alvo de 20000 Hz, e um intervalo de freqüência de mais de 500 Hz, ou seja, a fresa otimizada tem uma freqüência de ressonância precisa e uma modo de vibração longitudinal puro.

Fig.13 Distribuição de amplitude displacente da aresta de corte