Comment concevoir un couteau de coupe à ultrasons parfait

Comment concevoir un couteau de coupe à ultrasons parfait

La conception structurelle du coupeur à ultrasons pour gâteaux

Résumé : Un coupeur à ultrasons de 20 kHz pour aliments est conçu pour répondre à la demande de découpe d'aliments viscoélastiques de grande taille. En analysant son modèle avec la méthode des éléments finis, les fréquences propres de tous les ordres et la distribution de l'amplitude de déplacement du tranchant sont obtenues. L'influence de la taille de la structure sur l'uniformité du déplacement au niveau de l'orifice de sortie, la fréquence naturelle longitudinale de vibration et la fréquence adjacente sont analysées. Les paramètres structurels à haute sensibilité ont été repensés pour que la fraise soit dominée par les vibrations longitudinales proches de 20 kHz. L'intervalle entre la fréquence de résonance et les fréquences naturelles est suffisamment grand et la répartition de l'amplitude de déplacement sur la surface de coupe est grandement améliorée.

 

Dans l'industrie du gâteau, les découpes assistées par ultrasons sont largement utilisées car elles ne nécessitent pas d'arêtes vives ni de pression importante, et le matériau à couper n'est pas facilement provoqué par la déchirure, la casse, la déformation et le collage.

nous avons étudié la technologie de traitement auxiliaire des alliages hautes performances, des matériaux composites et des matériaux fragiles. nous avons étudié des couteaux de coupe à ultrasons, conçu des couteaux de coupe et établi un modèle dynamique et un programme d'optimisation structurelle. Notre technique a effectué un traitement par vibration combinée sur la pièce à usiner en matériau NdFeB fritté par une méthode de traitement rotatif par ultrasons, ce qui a prolongé la durée de vie de l'outil. Cependant, la plupart des objets de traitement des aides aux vibrations ultrasoniques sont des matériaux techniques, et peu d'études sur les aides aux vibrations ultrasoniques pour les matériaux mous tels que les gâteaux.

 

Les composants de base du dispositif de découpe par ultrasons sont un générateur d'ultrasons, un transducteur, un cornet et une lame de découpe (tête d'outil). Lors de la coupe du matériau, le coupeur applique l'énergie mécanique transmise par le cornet au matériau à traiter pour obtenir un effet de coupe de haute qualité. La théorie de conception traditionnelle commence par la théorie classique pour calculer la taille de la structure. Dans la production réelle, en raison du volume relativement important de l'objet coupant, une lame coupante d'épaisseur et de largeur appropriées est nécessaire, et le calcul est compliqué. Dans cet article, le logiciel d'éléments finis ANSYS est utilisé pour concevoir un outil de coupe avec un mode de vibration pur, une distribution uniforme de l'amplitude du tranchant et une fréquence de résonance précise.

 

1 couteau de coupe, conception de la structure de base

 

Cet article utilise un gâteau cylindrique de 250 mm comme objet de découpe. La fréquence cible de conception (FREQ1) est de 20 kHz, mode de vibration longitudinale.

La taille de la lame de coupe est W = 260 mm, H1 = 30 mm, H 2 = 5 mm, L1 = 50 mm, L2 = 69 mm, L3 = 50 mm. Comme le montre la figure 1, le matériau est en acier inoxydable 316L de qualité alimentaire.

 Fig.1 Schéma du coupeur à ultrasons

 

1.1 identification des vibrations

La forme de l'emporte-pièce est similaire à celle d'une assiette plate. Ce type de structure présente une caractéristique fréquentielle dense. Grâce au logiciel d'éléments finis, de nombreux chercheurs ont analysé la forme de vibration couplée multidimensionnelle de structures similaires et complété l'optimisation structurelle [8-10]. Dans cet article, l'analyse modale de la lame coupante montre qu'il existe de nombreux modes dans la lame coupante, et différents modes correspondent à différents modes et différentes fréquences propres. Lorsque les dimensions structurelles de la fraise changent, l'ordre modal et la forme du mode peuvent changer, ce qui n'est pas propice à l'analyse ANSYS. Par conséquent, la conception d’optimisation de la lame de coupe doit d’abord identifier les différents modes et extraire les fréquences propres correspondantes.

1.2 Détermination du nombre de slots

Afin de réduire les vibrations latérales, d'améliorer l'uniformité de la répartition de l'amplitude et du déplacement du tranchant et d'éviter l'interférence du mode de vibration adjacent, cela est réalisé en ouvrant certaines fentes sur la lame de coupe et en modifiant la structure de la grande extrémité. Le nombre d'emplacements peut être déterminé avec précision à l'aide du module de conception optimisée du logiciel d'éléments finis ANSYS. Tout d’abord, paramétrez le modèle de coupe. L'élément solide solid186 est sélectionné et les cellules sont divisées par la méthode de maillage libre. Lorsque la structure du coupeur change, l'unité peut être librement étendue. L'unité Solid186 est un élément solide élastoplastique à 20 nœuds présentant une plasticité, un fluage, une rigidité sous contrainte, une grande déformation et une grande capacité de déformation. Attributs du 316L : Densité r =9800 kg/ m3, module d'élasticité E =201 GPa, coefficient de Poisson m =0,3.

(1) Optimiser les paramètres variables

La fonction objectif du modèle mathématique du cutter est SUB_UX et les variables d'état sont MFREQ1, MFREQ2 et MFREQ3. La signification spécifique est définie comme suit :

Uniformité SUB_UX : sortie déplacement longitudinal minimum/maximum ;

Intervalle de fréquence MFREQ1 : fréquence de résonance des vibrations longitudinales

La valeur absolue de la différence de 20 kHz ;

Intervalle de fréquence MFREQ2 : la valeur absolue de la différence entre la fréquence de résonance de la vibration longitudinale et la fréquence d'ordre suivant de la vibration longitudinale ;

Intervalle de fréquence MFREQ3 : Valeur absolue de la différence entre la fréquence de résonance de la vibration longitudinale et la fréquence supérieure de la vibration longitudinale

Concevez des variables dans le nombre d'emplacements, puis sélectionnez les outils d'optimisation et les méthodes d'optimisation, spécifiez les méthodes de contrôle de boucle optimales et optimisez

 

 

Analyse.

(2) Analyse des résultats

Une fois la solution terminée, l'influence du nombre de fentes sur la fréquence propre du mode de vibration de la vibration longitudinale est représentée sur la figure 2. L'influence sur l'intervalle de fréquence est illustrée sur les figures 3 et 4, et l'influence sur l'uniformité de la borne de sortie est illustrée sur la figure 5.

Fig.2 Influence du nombre de fentes étroites sur la fréquence de vibration longitudinale (MFREQ1)

Fig.3 Influence du nombre de slots étroits sur l'espacement des fréquences (MFREQ2)

Fig.4 Influence du nombre de slots étroits sur l'espacement des fréquences (MFREQ3)

 

Fig.5 Influence du nombre de fentes étroites sur l'uniformité (SUB_UX)

 D'après les résultats ci-dessus, lorsque la fraise possède 4 ou 5 fentes, elle présente une grande uniformité et constitue une valeur optimale. Son effet sur l'intervalle de fréquence est similaire. Puisque le résultat est plus simple dans 4 emplacements et que MFREQ1 est plus petit, 4 est sélectionné comme nombre d'emplacements. À ce stade, étant donné que le rainurage modifie la structure de la fraise et que MFREQ2 et MFREQ3 sont inférieurs à 500 Hz, le mode de vibration longitudinal est sensible à l'interférence modale proche ; la fréquence de résonance qui génère la vibration longitudinale est également éloignée de la fréquence cible. Par conséquent, sur la base de la détermination du nombre de fentes, en modifiant la distance entre les fentes, la taille de la structure, l'angle de rotation et la forme de l'extrémité d'entrée de la fraise, la structure de la fraise est encore optimisée pour répondre aux exigences de la production. Uniformité des ports, espacement des fréquences et proximité de la fréquence cible.

 

2 analyses de sensibilité de la structure de la lame de coupe

 

La forme de la fraise après le rainurage et la modification de la structure à grande extrémité est compliquée, et le changement de la taille de chaque structure affecte les caractéristiques de vibration de la fraise. Dans l'optimisation secondaire, afin d'obtenir la solution optimale de la lame de coupe, une structure très sensible aux caractéristiques vibratoires peut être sélectionnée comme variable de conception. Grâce à l'analyse de sensibilité de la taille de la lame de coupe, le degré d'influence du changement structurel sur les caractéristiques de vibration telles que la fréquence propre, l'espacement des fréquences et l'uniformité de la lame de coupe peut être obtenu. Fournit la base de sélection des variables de conception pour optimiser la conception. Après usinage et traitement thermique, les caractéristiques vibratoires de l'outil de coupe présentent des erreurs inévitables. Par conséquent, les résultats de l’analyse peuvent également servir de base à la correction de la lame de coupe. La structure sélectionnée pour l'analyse de sensibilité de la lame coupante est présentée à la figure 6.

Fig.6 La structure de l'analyse de sensibilité

Analyser la structure de la fraise par analyse de sensibilité

Sensibilité de SUB_UX, FREQ1, MFREQ2, MFREQ3

les résultats sont présentés dans les figures 7 à 10.

Fig.7 Influence de la structure de la fraise sur la fréquence de vibration longitudinale (FREQ1)

Fig.8 Influence de la structure de la fraise sur l'espacement de fréquence entre la fréquence de vibration longitudinale et la fréquence de vibration d'ordre précédent (MFREQ3)

La structure de la fraise a une influence relativement importante sur la fréquence de résonance des vibrations longitudinales, qui est L3, L2, L1, H1, A2 et E2. Parmi eux, à mesure que la taille de L3, L2, L1, A2, E2 augmente, la fréquence de résonance des vibrations longitudinales diminue ; à mesure que la taille H1 augmente, la fréquence de résonance des vibrations longitudinales augmente, comme le montre la figure 7.

Dans la structure de la fraise, l'influence de la fréquence de résonance des vibrations longitudinales et de l'intervalle de fréquence du mode d'ordre précédent est relativement importante, à savoir H1, L3, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 et B1. Parmi eux, H1, A2, RKR, R3, B2, E1, E2, D2 augmentent avec la taille ci-dessus, l'intervalle de fréquence diminue, L3, B1 augmentent avec l'augmentation de la taille ci-dessus, l'intervalle augmente, comme le montre la figure 8. Afficher.

 

Dans la structure de la fraise, l'influence de la fréquence de résonance des vibrations longitudinales et de l'intervalle de fréquence de ce dernier premier mode est D2, L3, L2, E2, D1, H1, L1, B2 et E1. Parmi eux, à mesure que la taille de D2, L3, L2, E2, D1, H1, L1, B2, E1 augmente, l'intervalle de fréquence augmente ; à mesure que la taille de H1 et B2 augmente, l'intervalle de fréquence diminue, comme le montre la figure 9. Afficher.

Fig.9 influence de la structure de la fraise sur l'espacement de fréquence entre la fréquence de vibration longitudinale et la fréquence de vibration d'ordre suivant (MFREQ2)

Dans la structure de la fraise, l'influence sur l'uniformité de l'extrémité de sortie est R1, B1, R2 et A1. Parmi eux, à mesure que la taille de B1 et A1 augmente, l’uniformité augmente ; à mesure que la taille de R1 et R2 augmente, l'uniformité diminue, comme le montre la figure 10.

Fig.10 Influence de la structure de la fraise sur l'uniformité du tranchant (SUB_UX)

 

3 conception d'optimisation

 

Selon les résultats du calcul de l'analyse de sensibilité, les variables de conception de la sélection d'optimisation secondaire sont : H1, L1, L2, L3, E1, A1, B1, D1, E2, A2, B2, D2, R1, R3. Les variables d'état sont : MFREQ1, MFREQ2, MFREQ3 ; les limites supérieure et inférieure des variables d'état de contrainte sont obtenues, et la fréquence de résonance précise et le mode de vibration longitudinal unique sont obtenus. Fonction objectif : SUB_UX. Sélection de la méthode d'optimisation : méthode d'approximation de fonction (méthode d'approximation de sous-problème).

Fig.12 Formes des modes de vibration longitudinale de la fraise à partir d'une conception optimisée

La figure 12 est un diagramme schématique du mode de vibration longitudinale de la lame de coupe après conception d'optimisation. La couleur de l'image du nuage représente différentes valeurs de déplacement, et on peut voir que le déplacement du tranchant de la lame coupante présente une grande uniformité. La figure 13 montre la répartition de l'amplitude de déplacement du tranchant en mode de vibration longitudinale, et l'uniformité de la lame de coupe est de 0,93. 

La vibration longitudinale du couteau a une fréquence de résonance de 20 019 Hz, une erreur de 0,01 % avec la fréquence cible de 20 000 Hz et un intervalle de fréquence de plus de 500 Hz, c'est-à-dire que le couteau optimisé a une fréquence de résonance précise et un mode de vibration longitudinal pur.

 

 

Fig.13 Répartition de l'amplitude de déplacement du tranchant