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Cómo diseñar un cuchillo de corte ultrasónico perfecto.

Número Navegar:109     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2019-06-17      Origen:motorizado

Cómo diseñar un cuchillo de corte ultrasónico perfecto.



Diseño estructural de cortador ultrasónico para tortas.

Resumen: un cortador ultrasónico de 20 KHz está diseñado para que los alimentos satisfagan la demanda de grandes segmentos de alimentos viscosos. Al analizar su modelo utilizando el método de elementos finitos, se obtienen frecuencias naturales para todas las aplicaciones y se distribuye la distribución de los bordes del filo. El efecto del tamaño del chasis se analiza sobre la uniformidad del desplazamiento en el puerto de salida, la frecuencia de latitud normal de la vibración y la frecuencia adyacente. Los parámetros estructurales de alta sensibilidad se han rediseñado para que el cortador esté dominado por vibraciones longitudinales cercanas a los 20 kHz. El intervalo entre la frecuencia de resonancia y las frecuencias naturales es lo suficientemente grande, y la distribución de la capacidad de desplazamiento en la superficie del filo ha mejorado mucho.

En la fabricación de pasteles, las piezas de respaldo ultrasónicas se usan ampliamente porque no requieren bordes afilados y una gran compresión, y el material a cortar no se causa fácilmente por desgarro, rotura, deformación y adhesión

Hemos estudiado tecnología de procesamiento adicional para aleaciones de alto rendimiento, materiales compuestos y materiales frágiles. Estudiamos cuchillas de corte ultrasónico, diseñamos cuchillas de corte y creamos un modelo dinámico y un programa de mejora estructural. Realizamos un tratamiento de vibración combinado en la pieza de trabajo del material NdFeB, que está cubierto por un método de procesamiento por rotación de ultrasonidos, lo que prolonga la vida útil. Sin embargo, la mayoría de los objetos procesados ​​por ayudas de vibración ultrasónica son materiales de ingeniería y poco estudio sobre herramientas auxiliares para la vibración ultrasónica de materiales blandos, como los pasteles.

Los componentes básicos del dispositivo de corte ultrasónico son el generador ultrasónico, el transformador, la bocina y la cuchilla de corte (cabeza de la herramienta). Al cortar material, el cortador aplica la energía mecánica enviada desde la bocina al material que se procesa para obtener un efecto de corte de alta calidad. La teoría del diseño clásico comienza con la teoría clásica del cálculo del tamaño estructural. En la producción real, debido al tamaño relativamente grande del cuerpo de corte, se necesita una cuchilla de corte con un grosor y ancho adecuados, el cálculo es complejo. En esta investigación, el programa de elementos finitos de ANSYS se utiliza para diseñar la herramienta de corte en modo de vibración pura, distribución de amplitud uniforme para el filo y frecuencia de resonancia precisa.

Cuchillo de 1 piezas con estructura básica de diseño.

Este artículo utiliza una torta cilíndrica de 250 mm como objeto de corte. El objetivo de diseño de frecuencia (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.

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Figura 1. Esquema del cortador ultrasónico.


1.1 Determinación de la vibración

La forma del cortador de galletas es como un plato plano. Este tipo de estructura tiene una propiedad de frecuencia densa. A través del programa Elementos limitados, muchos científicos analizaron la forma de vibración bidimensional de estructuras similares y completaron la mejora estructural [8-10]. En esta investigación, el análisis condicional del código de corte muestra que hay muchas condiciones en la cuchilla de corte y que los diferentes patrones corresponden a diferentes condiciones y diferentes frecuencias naturales. Cuando cambian las dimensiones estructurales de un bloque, el orden de los medios y la forma de la situación pueden cambiar, y esto no es propicio para el análisis de ANSYS. Por lo tanto, el diseño óptimo de la cuchilla de corte primero debe identificar los diferentes patrones y extraer las frecuencias naturales correspondientes.

1.2 Determinar el número de ranuras

Para reducir la vibración lateral, mejorar la uniformidad de la distribución de la capacitancia y el desplazamiento del filo de corte, y evitar la interferencia del modo de vibración adyacente, esto se logra abriendo algunos de los orificios en la cuchilla de corte y cambiando la estructura del extremo grande. El número de agujeros se puede determinar con precisión usando el módulo de diseño optimizado ANSYS para elementos limitados. Primero, seleccione el modelo de cortador. El elemento de acero se determina 186 y las células se rompen por el método de unión libre. Cuando la estructura del cortador cambia, la unidad se puede extender libremente. La unidad Solid186 es un componente sólido de 20 nudos que contiene plasticidad, fluencia, rigidez al estrés, gran deformación y gran resistencia. Características de 316L: Densidad = 9800 kg / m 3, coeficiente de elasticidad E = 201 GPa, relación de Poisson = 0,3 m.

(1) mejorar la configuración cambiante

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

Estandarización SUB_UX: salida lineal de desplazamiento mínimo / máximo;

Divisor de frecuencia MFREQ1: frecuencia de resonancia de la vibración longitudinal

Valor absoluto de la diferencia de 20 kHz;

Intervalo de tiempo MFREQ2: valor absoluto de la diferencia entre la frecuencia de resonancia de la vibración longitudinal y la frecuencia del siguiente orden de vibración longitudinal;

Intervalo de frecuencia MFREQ3: valor absoluto de la diferencia entre la frecuencia de resonancia 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, identifique métodos de control de optimización de bucle, mejore

El analisis

(2) Análisis de resultados.

Una vez que se completa la solución, el efecto del número de intervalos de tiempo en la frecuencia normal del método de vibración para la vibración longitudinal se muestra en la Fig. 2. El efecto en el intervalo de frecuencia se muestra en la Fig. 3 y la Figura 4.

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Figura 2. Efecto del número de aberturas estrechas en la frecuencia de vibración longitudinal (MFREQ1)

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Figura 3. Efecto del número de aberturas estrechas en la diferencia de frecuencia (MFREQ2)


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Figura 4. Efecto del número de aperturas estrechas en la diferencia de frecuencia (MFREQ3)

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Figura 5. Efecto del número de aberturas estrechas en la uniformidad (SUB_UX)


De los resultados anteriores, cuando el cultivo tiene 4 o 5 ranuras, tiene una simetría alta y es un valor ideal. Su efecto sobre el intervalo de frecuencia es similar. Como el resultado es más simple en 4 ranuras y MFREQ1 más pequeño, se selecciona 4 como el número de ranuras. En este momento, dado que la división cambia la estructura del cortador, MFREQ2 y MFREQ3 tienen menos de 500 Hz, el modo de vibración longitudinal está sujeto a una interferencia casi condicional, la frecuencia de resonancia que genera la vibración longitudinal también está lejos de la frecuencia objetivo. Por lo tanto, basándose en la determinación del número de aberturas, al cambiar la distancia entre las aberturas, el tamaño de la estructura, el ángulo de rotación y la forma del terminal de entrada del cortador, la estructura del cortador se mejoró para cumplir con los requisitos de producción. Estandarización de puertos, espaciado de frecuencia y proximidad a la frecuencia objetivo.

2 Análisis de la sensibilidad de la estructura de la cuchilla de corte.

La forma del cortador después de un período de tiempo específico y el cambio de la estructura de la extremidad grande son complicados, y el cambio del tamaño de cada estructura afecta las características de la vibración del cortador. En la optimización secundaria, para obtener la solución óptima para la cuchilla de corte, se puede elegir una estructura altamente sensible para las características de vibración como variable de diseño. Al analizar la sensibilidad del tamaño de la cuchilla de corte, se puede obtener el grado de efecto de cambio estructural en las características de vibración, como la frecuencia normal, el espaciado de frecuencia y la estandarización de la cuchilla de corte. Proporciona la base para elegir variables de diseño para mejorar el diseño. Después de la operación mecánica 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 corregir la cuchilla de corte. La estructura seleccionada para el análisis de sensibilidad de la cuchilla de corte se muestra en la Fig. 6.

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Figura 6. Estructura para el análisis de sensibilidad.


Análisis de la estructura del cortador mediante análisis de sensibilidad.

Sensibilidad SUB_UX, FREQ1, MFREQ2, MFREQ3

Los resultados se muestran en 7 ~ 10 formatos.

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Figura 7. Efecto de la estructura del cortador en la frecuencia de vibración longitudinal (FREQ1)

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Figura 8: Efecto de la estructura del cortador en el espaciado de frecuencia entre la frecuencia de vibración longitudinal y la frecuencia de vibración en el orden anterior (MFREQ3)


La estructura de corte tiene un impacto relativamente grande en la frecuencia del acúfeno de vibración, que es L3, L2, L1, H1, A2 y E2. L2, L2, L2, L2 y L3, la frecuencia de la resonancia de vibración longitudinal disminuye, al aumentar el volumen H1, la frecuencia de resonancia de resonancia longitudinal aumenta, como se muestra en la Figura 7.

En la estructura del cortador, el efecto de resonancia de resonancia longitudinal y la frecuencia de frecuencia de la disposición anterior son relativamente grandes, a saber, 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 de L3, B1 disminuye con el aumento de tamaño anterior y el intervalo aumenta, como se muestra en la Figura 8. Resulta que

En la estructura del cortador, el efecto de la frecuencia de resonancia vibratoria longitudinal y la duración de la última última frecuencia de frecuencia es D2, L3, L2, E2, D1, H1, L1, B2 y E1. Cuanto mayor sea el tamaño de H1 y B2, más corto será el intervalo de frecuencia, como se muestra en la Figura 9.

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Figura 9: Efecto de la estructura del cortador en el espaciado de frecuencia entre la frecuencia de vibración longitudinal y la frecuencia de vibración en el siguiente orden (MFREQ2)


En la estructura del cortador, el efecto en la consistencia del terminal de salida es R1, B1, R2 y A1. Entre ellos, cuanto mayor sea el tamaño de B1 y A1, mayor será la uniformidad; cuanto mayor sea el tamaño de R1 y R2, menor será la simetría, como se muestra en la Figura 10.

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Figura 10: Efecto de la estructura del cortador en la unificación de los filos de corte (SUB_UX)


3 diseño optimizado

De acuerdo con los resultados del cálculo del análisis de sensibilidad, las variables de diseño para seleccionar la mejora secundaria son: H1, L1, L2, L3, E1, A1, B1, D1, E2, A2, B2, D2, R1, R3. Las variables de estado son: MFREQ1, MFREQ2 y MFREQ3, se obtienen los límites superior e inferior de las variables de estado de restricción, y se obtienen la frecuencia de resonancia exacta y el modo de vibración longitudinal individual. Objetivo de la función: SUB_UX. Selección del método de optimización: Método de aproximación (problema de aproximación).

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La figura 12 forma el modo de vibración longitudinal del cortador a partir del diseño mejorado.

La Figura 12 representa un diagrama esquemático de la posición 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 puede ver que el desplazamiento del filo al cortador tiene una gran simetría. La Figura 13 muestra la distribución de la capacidad de desplazamiento del borde desarrollado en la posición de vibración longitudinal y la estandarización de la cuchilla de corte de 0.93.

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

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Figura 13. Distribución de la capacidad de desplazamiento del filo.



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