كيفية تصميم مثالي سكين القطع بالموجات فوق الصوتية

كيفية تصميم مثالي سكين القطع بالموجات فوق الصوتية

التصميم الهيكلي للقاطع بالموجات فوق الصوتية للكعك

الخلاصة: تم تصميم قاطع بالموجات فوق الصوتية 20 كيلو هرتز للطعام لتلبية الطلب على قطع المواد الغذائية اللزجة الكبيرة. من خلال تحليل نموذجها باستخدام طريقة العناصر المحدودة ، يتم الحصول على الترددات الطبيعية لجميع الطلبات وتوزيع سعة إزاحة حافة القطع. يتم تحليل تأثير حجم الهيكل على توحيد الإزاحة في منفذ الإخراج ، والتردد الطبيعي الطولي للاهتزاز والتردد المجاور. يتم إعادة تصميم المعلمات الهيكلية ذات الحساسية العالية لجعل القاطع يهيمن عليه الاهتزاز الطولي بالقرب من 20 كيلو هرتز. الفاصل الزمني بين تردد الرنين والترددات الطبيعية كبير بما فيه الكفاية ، كما تم تحسين توزيع سعة الإزاحة على سطح حافة القطع بشكل كبير.

في صناعة الكعك ، يتم استخدام القطع المدعومة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لأنها لا تتطلب حواف حادة وضغطًا كبيرًا ، والمادة المراد قصها لا تسببها بسهولة التمزق والكسر والتشوه والالتصاق

لقد درسنا تكنولوجيا المعالجة الإضافية للسبائك عالية الأداء والمواد المركبة والمواد الهشة. درسنا سكاكين التقطيع بالموجات فوق الصوتية ، وصمم سكاكين التقطيع وأنشأنا نموذج ديناميكي وبرنامج التحسين الهيكلي. لقد قمنا بأداء معالجة اهتزازية مجتمعة على قطعة الشغل الخاصة بمواد NdFeB الملبدة من خلال طريقة المعالجة الدوارة بالموجات فوق الصوتية ، مما أدى إلى إطالة عمر خدمة الأداة. ومع ذلك ، فإن معظم كائنات معالجة أدوات مساعدة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية هي مواد هندسية ، وقلة من الدراسة حول أدوات مساعدة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية للمواد اللينة مثل الكعك.

المكونات الأساسية لجهاز القطع بالموجات فوق الصوتية هي مولد بالموجات فوق الصوتية ، ومحول ، والقرن ، وشفرة القطع (رأس الأداة). عند قطع المواد ، يطبق القاطع الطاقة الميكانيكية المرسلة من القرن إلى المادة التي تتم معالجتها للحصول على تأثير قطع عالي الجودة. تبدأ نظرية التصميم التقليدي بالنظرية الكلاسيكية لحساب الحجم الهيكلي. في الإنتاج الفعلي ، بسبب الحجم الكبير نسبياً لجسم القطع ، هناك حاجة إلى شفرة قطع ذات سمك وعرض مناسب ، والحساب معقد. في هذا البحث ، يتم استخدام برنامج العناصر المحدودة ANSYS لتصميم أداة القطع مع وضع الاهتزاز الخالص ، وتوزيع السعة الموحدة للحافة المتطورة وتردد الرنين الدقيق.

1 قطع سكين تصميم الهيكل الأساسي

تستخدم هذه المقالة كعكة أسطوانية 250 مم ككائن القطع. تردد تصميم الهدف (FREQ1) هو 20 كيلو هرتز ، وضع اهتزاز طولية.

حجم شفرة القطع هو W = 260 مم ، H1 = 30 مم ، H 2 = 5 مم ، L1 = 50 مم ، L2 = 69 مم ، L3 = 50 مم. كما هو مبين في الشكل رقم 1 ، فإن المادة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.

الشكل 1. تخطيطي من القاطع بالموجات فوق الصوتية

1.1 تحديد الاهتزاز

يشبه شكل قاطعة الكعكة شكل طبق مسطح. هذا النوع من الهيكل له خاصية تردد كثيفة. من خلال برنامج العناصر المحدودة ، قام العديد من العلماء بتحليل شكل الاهتزاز المزدوج الأبعاد لهياكل مماثلة وأكملوا التحسين الهيكلي [8-10]. في هذا البحث ، يوضح التحليل المشروط لشفرة القطع أن هناك العديد من الأوضاع في شفرة القطع ، وأن الأنماط المختلفة تتوافق مع الأوضاع المختلفة والترددات الطبيعية المختلفة. عندما تتغير الأبعاد الهيكلية للكتلة ، قد يتغير ترتيب الوسائط وشكل الوضع ، وهذا لا يفضي إلى تحليل ANSYS. لذلك ، يحتاج التصميم الأمثل لشفرة القطع أولاً إلى تحديد الأنماط المختلفة واستخراج الترددات الطبيعية المقابلة.

1.2 تحديد عدد فتحات

من أجل تقليل الاهتزاز الجانبي ، وتحسين توحيد توزيع السعة والإزاحة للحافة المتطورة ، وتجنب تداخل وضع الاهتزاز المجاور ، يتم تحقيق ذلك عن طريق فتح بعض الفتحات على شفرة القطع وتغيير بنية الحجم الكبير النهاية. يمكن تحديد عدد الفتحات بدقة باستخدام وحدة التصميم الأمثل لبرنامج ANSYS للعناصر المحدودة. أولاً ، حدد نموذج القاطع. يتم تحديد العنصر الصلب 186 ، ويتم تقسيم الخلايا بواسطة طريقة الربط الحر. عندما يتغير هيكل القاطع ، يمكن تمديد الوحدة بحرية. وحدة Solid186 عبارة عن عنصر صلب من 20 عقدة يحتوي على اللدونة ، والزحف ، وصلابة الإجهاد ، التشوه الكبير والقدرة الكبيرة على التحمل. سمات 316L: الكثافة r = 9800 كجم / م 3 ، معامل المرونة E = 201 GPa ، نسبة Poisson m = 0.3.

(1) تحسين الإعدادات المتغيرة

الوظيفة الهدف للنموذج الرياضي للقطع هي SUB_UX ، ومتغيرات الحالة هي MFREQ1 و MFREQ2 و MFREQ3. يتم تعريف المعنى المحدد على النحو التالي:

التوحيد SUB_UX: إخراج النزوح الطولي الحد الأدنى / الحد الأقصى ؛

تردد الفاصل MFREQ1: تردد الرنين من الاهتزاز الطولي

القيمة المطلقة للفرق 20 كيلو هرتز ؛

الفاصل الزمني للتردد MFREQ2: القيمة المطلقة للفرق بين تردد الرنين للاهتزاز الطولي وتردد الترتيب التالي للاهتزاز الطولي ؛

الفاصل الزمني للتردد MFREQ3: القيمة المطلقة للفرق بين تردد الرنين للاهتزاز الطولي والتردد العلوي للاهتزاز الطولي

تصميم المتغيرات في عدد من فتحات ، ثم حدد أدوات التحسين وطرق التحسين ، وتحديد أساليب التحكم الأمثل حلقة ، وتحسين

تحليل.

(2) تحليل النتائج

بعد اكتمال المحلول ، يظهر تأثير عدد الفواصل الزمنية على التردد الطبيعي لأسلوب الاهتزاز للاهتزاز الطولي في الشكل 2. ويظهر التأثير على الفاصل الزمني للتردد في الشكل 3 والشكل 4 ، و يظهر التأثير على توحيد محطة الإخراج في الشكل 5.

الشكل 2. تأثير عدد الفتحات الضيقة على تردد الاهتزاز الطولي (MFREQ1)

الشكل 3. تأثير عدد الفتحات الضيقة على تباعد الترددات (MFREQ2)

الشكل 4. تأثير عدد الفتحات الضيقة على تباعد الترددات (MFREQ3)

الشكل 5. تأثير عدد الفتحات الضيقة على التوحيد (SUB_UX)

من النتائج المذكورة أعلاه ، عندما يكون للقطاعة 4 أو 5 فتحات ، يكون لها تماثل عالٍ وتكون قيمة مثالية. تأثيره على الفاصل الزمني تردد مشابه. نظرًا لأن النتيجة أبسط في 4 فتحات و MFREQ1 أصغر ، يتم تحديد 4 كعدد فتحات. في هذا الوقت ، نظرًا لأن الحز يغير بنية القاطع ، ويكون MFREQ2 و MFREQ3 أقل من 500 هرتز ، فإن وضع الاهتزاز الطولي يكون عرضة للتداخل المشروط القريب ؛ تردد الرنين الذي يولد الاهتزاز الطولي هو أيضا بعيد عن التردد المستهدف. لذلك ، على أساس تحديد عدد الفتحات ، عن طريق تغيير المسافة بين الفتحات ، وحجم الهيكل ، وزاوية الدوران وشكل طرف مدخل القاطع ، تم تحسين هيكل القاطع إلى تلبية متطلبات الإنتاج. توحيد المنفذ ، تباعد التردد ، والقرب من التردد المستهدف.

2 تحليل حساسية هيكل شفرة القطع

شكل القاطع بعد فترة زمنية محددة وتغيير بنية الطرف الكبير معقد ، ويؤثر تغيير حجم كل هيكل على خصائص اهتزاز القاطع. في التحسين الثانوي ، من أجل الحصول على الحل الأمثل لشفرة القطع ، يمكن اختيار بنية ذات حساسية عالية لخصائص الاهتزاز كمتغير للتصميم. من خلال تحليل الحساسية لحجم شفرة القطع ، يمكن الحصول على درجة تأثير التغيير الهيكلي على خصائص الاهتزاز مثل التردد الطبيعي ، تباعد التردد وتوحيد شفرة القطع. يوفر الأساس لاختيار متغيرات التصميم لتحسين التصميم. بعد التشغيل الميكانيكي والمعالجة الحرارية ، فإن خصائص اهتزاز أداة القطع لها أخطاء لا مفر منها. لذلك ، يمكن أن توفر نتائج التحليل أيضًا أساسًا لتصحيح شفرة القطع. يظهر الهيكل المختار لتحليل حساسية شفرة القطع في الشكل 6.

الشكل 6. هيكل لتحليل الحساسية

تحليل هيكل القاطع عن طريق تحليل الحساسية

حساسية SUB_UX ، FREQ1 ، MFREQ2 ، MFREQ3

يتم عرض النتائج في الأشكال 7 ~ 10.

الشكل 7. تأثير هيكل القاطع على تردد الاهتزاز الطولي (FREQ1)

الشكل 8: تأثير هيكل القاطع على تباعد التردد بين تردد الاهتزاز الطولي وتردد الاهتزاز بالترتيب السابق (MFREQ3)

لهيكل القاطع تأثير كبير نسبيًا على تردد طنين الاهتزاز ، وهو L3 و L2 و L1 و H1 و A2 و E2. فيما بينها ، مع زيادة حجم L3 ، L2 ، L1 ، A2 ، E2 ، ينخفض ​​تردد صدى الاهتزاز الطولي ؛ مع زيادة حجم H1 ، يزداد تردد صدى الاهتزاز الطولي ، كما هو مبين في الشكل 7.

في هيكل القاطع ، يكون تأثير تردد صدى الاهتزاز الطولي وفترة تردد وضع الترتيب السابق كبيرًا نسبيًا ، وهي H1 و L3 و A2 و RKR و R3 و B2 و E1 و E2 و D2 و B1. من بينها ، H1 ، A2 ، RKR ، R3 ، B2 ، E1 ، E2 ، D2 تزداد مع الحجم أعلاه ، ينخفض ​​الفاصل الزمني للتردد ، L3 ، B1 مع زيادة الحجم أعلاه ، ويزداد الفاصل الزمني ، كما هو مبين في الشكل 8 . تبين.

في هيكل القاطع ، يكون تأثير تردد الرنين الاهتزازي الطولية وفترة تردد الوضع الأول الأخير هي D2 و L3 و L2 و E2 و D1 و H1 و L1 و B2 و E1. فيما بينها ، كلما زاد حجم D2 ، L3 ، L2 ، E2 ، D1 ، H1 ، L1 ، B2 ، E1 ، يزداد الفاصل الزمني للتردد ؛ كلما زاد حجم H1 و B2 ، انخفض الفاصل الزمني للتردد ، كما هو مبين في الشكل 9. عرض.

شكل 9: تأثير بنية القاطع على تباعد التردد بين تردد الاهتزاز الطولاني وتردد الاهتزاز بالترتيب التالي (MFREQ2)

في هيكل القاطع ، يكون التأثير على تناسق طرف الخرج هو R1 و B1 و R2 و A1. فيما بينها ، كلما زاد حجم B1 و A1 ، زاد التوحيد ؛ كلما زاد حجم R1 و R2 ، انخفض التماثل ، كما هو مبين في الشكل 10.

الشكل 10: تأثير هيكل القاطع على توحيد حافة القطع (SUB_UX)

3 تصميم الأمثل

وفقًا لنتائج حساب تحليل الحساسية ، فإن متغيرات التصميم الخاصة باختيار التحسين الثانوي هي: H1 ، L1 ، L2 ، L3 ، E1 ، A1 ، B1 ، D1 ، E2 ، A2 ، B2 ، D2 ، R1 ، R3. متغيرات الحالة هي: MFREQ1 و MFREQ2 و MFREQ3؛ يتم الحصول على الحدود العليا والدنيا لمتغيرات حالة القيد ، ويتم الحصول على تردد الرنين الدقيق ووضع الاهتزاز الطولي الفردي. الوظيفة الهدف: SUB_UX. اختيار طريقة التحسين: طريقة تقريب الوظيفة (طريقة تقريب المشكلة الفرعية).

Fig.12 أشكال وضع الاهتزاز الطولي للقاطع من تحسين التصميم

يمثل الشكل 12 مخططًا تخطيطيًا لوضع الاهتزاز الطولي لشفرة القطع بعد تصميم التحسين. يمثل لون الصورة السحابية قيم إزاحة مختلفة ، ويمكن ملاحظة أن إزاحة حافة القطع لشفرة القطع لها تماثل عالٍ. يوضح الشكل 13 توزيع سعة الإزاحة للحافة المتطورة في وضع الاهتزاز الطولي ، وتوحيد شفرة القطع 0.93.

للاهتزاز الطولي للقاطع تردد تردد صدى قدره 20019 هرتز ، وخطأ قدره 0.01 ٪ مع تردد الهدف 20000 هرتز ، وفاصل تردد يزيد عن 500 هرتز ، أي أن القاطع المحسن لديه تردد دقيق للرنين و وضع الاهتزاز الطولي النقي.

الشكل 13. توزيع السعة Displacemnt من الحافة المتطورة