Cómo diseñar un cuchillo de corte ultrasónico perfecto

Cómo diseñar un cuchillo de corte ultrasónico perfecto

El diseño estructural de la cortadora ultrasónica para pasteles.

Resumen: Un cortador ultrasónico de 20 kHz para alimentos está diseñado para satisfacer la demanda de cortar alimentos viscoelásticos grandes. Al analizar su modelo con el método de elementos finitos, se obtienen las frecuencias naturales de todos los órdenes y la distribución de la amplitud de desplazamiento del borde de corte. Se analiza la influencia del tamaño de la estructura en la uniformidad del desplazamiento en el puerto de salida, la frecuencia de vibración natural longitudinal y la frecuencia adyacente. Los parámetros estructurales con altas sensibilidades se han rediseñado para hacer que el cortador esté dominado por la vibración longitudinal cerca de 20 kHz. El intervalo entre la frecuencia de resonancia y las frecuencias naturales es lo suficientemente grande, y la distribución de la amplitud de desplazamiento en la superficie del filo de corte se mejora considerablemente.

En la industria de la torta, el corte asistido por ultrasonidos se usa ampliamente porque no requiere bordes afilados y una gran presión, y el material a cortar no es causado fácilmente por desgarros, roturas, deformaciones y atascamientos.

Hemos estudiado la tecnología de procesamiento auxiliar de aleaciones de alto rendimiento, materiales compuestos y materiales frágiles. estudiamos cuchillas de corte ultrasónicas, diseñamos cuchillas de corte y establecimos un modelo dinámico y un programa de optimización estructural. Nuestro técnico realizó un procesamiento combinado de vibraciones en la pieza de trabajo de material NdFeB sinterizado mediante el método de procesamiento rotativo ultrasónico, que prolongó la vida útil de la herramienta. Sin embargo, la mayoría de los objetos de procesamiento de los dispositivos de vibración ultrasónica son materiales de ingeniería, y pocos estudian los dispositivos de vibración ultrasónica para materiales blandos como los pasteles.

Los componentes básicos del dispositivo de corte ultrasónico son un generador ultrasónico, un transductor, una bocina y una cuchilla de corte (cabezal de herramienta). Al cortar el material, el cortador aplica la energía mecánica transmitida por la bocina al material que se procesa para obtener un efecto de corte de alta calidad. La teoría del diseño tradicional comienza con la teoría clásica para calcular el tamaño estructural. En la producción real, debido al volumen relativamente grande del objeto de corte, se requiere una cuchilla de corte de espesor y ancho adecuados, y el cálculo es complicado. En este documento, el software de elementos finitos ANSYS se utiliza para diseñar una herramienta de corte con modo de vibración pura, distribución de amplitud uniforme de vanguardia y frecuencia de resonancia precisa.

1 diseño de estructura básica de cuchillo de corte

Este artículo utiliza una torta cilíndrica de 250 mm como objeto de corte. La frecuencia objetivo de diseño (FREQ1) es 20 kHz, modo de vibración longitudinal.

El tamaño de la cuchilla de corte es W = 260 mm, H1 = 30 mm, H 2 = 5 mm, L1 = 50 mm, L2 = 69 mm, L3 = 50 mm. Como se muestra en la Figura 1, el material está hecho de acero inoxidable 316L de grado alimenticio.

Fig.1 Esquema del cortador ultrasónico.

1.1 identificación de vibraciones

La forma del cortador de pastel es similar a la de un plato plano. Este tipo de estructura tiene una característica de frecuencia densa. A través del software de elementos finitos, muchos estudiosos han analizado la forma de vibración acoplada multidimensional de estructuras similares y han completado la optimización estructural [8-10]. En este documento, el análisis modal de la cuchilla de corte muestra que hay muchos modos en la cuchilla de corte, y diferentes modos corresponden a diferentes modos y diferentes frecuencias naturales. Cuando las dimensiones estructurales del cortador cambian, el orden modal y la forma del modo pueden cambiar, lo que no conduce al análisis ANSYS. Por lo tanto, el diseño de optimización de la cuchilla de corte primero debe identificar los diversos modos y extraer las frecuencias naturales correspondientes.

1.2 Determinación del número de slots

Para reducir la vibración lateral, mejorar la uniformidad de la distribución de amplitud y desplazamiento del filo de corte, y evitar la interferencia del modo de vibración adyacente, se logra abriendo algunas ranuras en la cuchilla de corte y cambiando la estructura del gran final. El número de ranuras se puede determinar con precisión utilizando el módulo de diseño optimizado del software de elementos finitos ANSYS. Primero, parametrice el modelo de cortador. Se selecciona el elemento sólido solid186, y las celdas se dividen por el método de mallado libre. Cuando la estructura del cortador cambia, la unidad se puede extender libremente. La unidad Solid186 es un elemento sólido elastoplástico de 20 nodos con plasticidad, fluencia, rigidez de tensión, gran deformación y gran capacidad de deformación. Atributos de 316L: Densidad r = 9800 kg / m3, módulo de elasticidad E = 201 GPa, relación de Poisson m = 0.3.

(1) Optimizar configuraciones variables

La función objetivo del modelo matemático de corte es SUB_UX, y las variables de estado son MFREQ1, MFREQ2 y MFREQ3. El significado específico se define de la siguiente manera:

Uniformidad SUB_UX: desplazamiento longitudinal de salida mínimo / máximo;

Intervalo de frecuencia MFREQ1: frecuencia resonante de vibración longitudinal

El valor absoluto de la diferencia de 20 kHz;

Intervalo de frecuencia MFREQ2: el valor absoluto de la diferencia entre la frecuencia resonante de la vibración longitudinal y la frecuencia de siguiente orden de la vibración longitudinal;

Intervalo de frecuencia MFREQ3: valor absoluto de la diferencia entre la frecuencia resonante de la vibración longitudinal y la frecuencia superior de la vibración longitudinal

Diseñe variables en el número de ranuras, luego seleccione herramientas de optimización y métodos de optimización, especifique métodos óptimos de control de bucle y optimice

Análisis.

(2) Análisis de resultados

Una vez completada la solución, la influencia del número de ranuras en la frecuencia natural del modo de vibración de la vibración longitudinal se muestra en la Fig. 2. La influencia en el intervalo de frecuencia se muestra en la Fig. 3 y la Fig. 4, y La influencia en la uniformidad del terminal de salida se muestra en la figura 5.

Fig.2 Influencia del número de ranuras estrechas en la frecuencia de vibración longitudinal (MFREQ1)

Fig.3 Influencia del número de ranuras estrechas en el espaciado de frecuencia (MFREQ2)

Fig.4 Influencia del número de ranuras estrechas en el espaciado de frecuencia (MFREQ3)

Fig.5 Influencia del número de ranuras estrechas en la uniformidad (SUB_UX)

De los resultados anteriores, cuando la cortadora tiene 4 o 5 ranuras, tiene una alta uniformidad y es un valor óptimo. Su efecto en el intervalo de frecuencia es similar. Como el resultado es más simple en 4 espacios y MFREQ1 es más pequeño, se selecciona 4 como el número de espacios. En este momento, dado que el ranurado cambia la estructura del cortador, y MFREQ2 y MFREQ3 son inferiores a 500 Hz, el modo de vibración longitudinal es susceptible a la interferencia modal cercana; La frecuencia de resonancia que genera la vibración longitudinal también está lejos de la frecuencia objetivo. Por lo tanto, sobre la base de determinar el número de ranuras, al cambiar la distancia entre las ranuras, el tamaño de la estructura, el ángulo de rotación y la forma del extremo de entrada del cortador, la estructura del cortador se optimiza aún más para Cumplir con los requisitos de la producción. Uniformidad de puertos, espaciado de frecuencia y proximidad a la frecuencia objetivo.

2 análisis de sensibilidad de la estructura de la cuchilla de corte

La forma de la cortadora después de ranurar y cambiar la estructura del extremo grande es complicada, y el cambio del tamaño de cada estructura afecta las características de vibración de la cortadora. En la optimización secundaria, para obtener la solución óptima de la cuchilla de corte, se puede seleccionar una estructura con alta sensibilidad a las características de vibración como la variable de diseño. A través del análisis de sensibilidad del tamaño de la cuchilla de corte, se puede obtener el grado de influencia del cambio estructural en las características de vibración tales como la frecuencia natural, el espaciado de frecuencia y la uniformidad de la cuchilla de corte. Proporciona la base para seleccionar variables de diseño para optimizar el diseño. Después del mecanizado y el tratamiento térmico, las características de vibración de la herramienta de corte tienen errores inevitables. Por lo tanto, los resultados del análisis también pueden proporcionar una base para la corrección de la cuchilla de corte. La estructura seleccionada para el análisis de sensibilidad de la cuchilla de corte se muestra en la Figura 6.

Fig.6 La estructura para el análisis de sensibilidad.

Analice la estructura del cortador mediante análisis de sensibilidad.

Sensibilidad de SUB_UX, FREQ1, MFREQ2, MFREQ3

Los resultados se muestran en las Figuras 7 ~ 10.

Fig.7 Influencia de la estructura de la fresa en la frecuencia de vibración longitudinal (FREQ1)

Fig.8 Influencia de la estructura de la fresa en el espaciado de frecuencia entre la frecuencia de vibración longitudinal y la frecuencia de vibración de orden anterior (MFREQ3)

La estructura de la cortadora tiene una influencia relativamente grande en la frecuencia de resonancia de vibración longitudinal, que es L3, L2, L1, H1, A2 y E2. Entre ellos, a medida que aumenta el tamaño de L3, L2, L1, A2, E2, la frecuencia de resonancia de vibración longitudinal disminuye; A medida que aumenta el tamaño de H1, aumenta la frecuencia de resonancia de vibración longitudinal, como se muestra en la Figura 7.

En la estructura del cortador, la influencia de la frecuencia de resonancia de vibración longitudinal y el intervalo de frecuencia del modo de orden anterior es relativamente grande, que son H1, L3, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 y B1 Entre ellos, H1, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 aumentan con el tamaño anterior, el intervalo de frecuencia disminuye, L3, B1 aumenta con el aumento del tamaño anterior, el intervalo aumenta, como se muestra en la Figura 8 . Mostrar.

En la estructura del cortador, la influencia de la frecuencia de resonancia de vibración longitudinal y el intervalo de frecuencia del último primer modo es D2, L3, L2, E2, D1, H1, L1, B2 y E1. Entre ellos, a medida que aumenta el tamaño de D2, L3, L2, E2, D1, H1, L1, B2, E1, aumenta el intervalo de frecuencia; A medida que aumenta el tamaño de H1 y B2, el intervalo de frecuencia disminuye, como se muestra en la Figura 9. Mostrar.

Fig.9 influencia de la estructura de la fresa en el espaciado de frecuencia entre la frecuencia de vibración longitudinal y la frecuencia de vibración de siguiente orden (MFREQ2)

En la estructura de la fresa, la influencia en la uniformidad del extremo de salida es R1, B1, R2 y A1. Entre ellos, a medida que aumenta el tamaño de B1 y A1, aumenta la uniformidad; A medida que aumenta el tamaño de R1 y R2, la uniformidad disminuye, como se muestra en la figura 10.

Fig.10 Influencia de la estructura del cortador en la uniformidad del filo (SUB_UX)

3 diseño de optimización

De acuerdo con los resultados del cálculo del análisis de sensibilidad, las variables de diseño de la selección de optimización secundaria son: H1, L1, L2, L3, E1, A1, B1, D1, E2, A2, B2, D2, R1, R3. Las variables de estado son: MFREQ1, MFREQ2, MFREQ3; se obtienen los límites superior e inferior de las variables de estado de restricción, y se obtienen la frecuencia de resonancia precisa y el modo de vibración longitudinal único. Función objetivo: SUB_UX. Selección del método de optimización: método de aproximación de funciones (método de aproximación de subproblemas).

Fig. 12 Formas de modo de vibración longitudinal de la fresa desde la optimización del diseño

La figura 12 es un diagrama esquemático del modo de vibración longitudinal de la cuchilla de corte después del diseño de optimización. El color de la imagen de la nube representa diferentes valores de desplazamiento, y se puede ver que el desplazamiento del filo de la cuchilla tiene una alta uniformidad. La figura 13 muestra la distribución de amplitud de desplazamiento del filo en el modo de vibración longitudinal, y la uniformidad de la cuchilla es de 0,93.

La vibración longitudinal del cortador tiene una frecuencia de resonancia de 20019 Hz, un error de 0.01% con la frecuencia objetivo de 20000 Hz y un intervalo de frecuencia de más de 500 Hz, es decir, el cortador optimizado tiene una frecuencia resonante precisa y un modo de vibración longitudinal pura.

Fig.13 Distribución de amplitud de desplazamiento del filo