蛋糕超声波辅助切割装置的设计与实验验证

摘要

超声波加工作为一种高效的加工方式受到各个领域的青睐,尤其在蛋糕切割行业表现出传统加工无可比拟的优势。超声波辅助切割系统主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、切割工具等部件组成。系统的关键部分为变幅杆和切割工具。由于蛋糕体积的影响,使工具宽度方向的横向振动严重、模态密集、振型不稳定,降低了工具的寿命。针对这些问题,设计适用于切割蛋糕的超声波辅助切割工具是现今超声加工行业亟需面对的重要课题。
　　本文设计的超声辅助切割系统主要包括变幅杆和切割工具两个部分,切割工具通过变幅杆与超声系统联接。首先是变幅杆的设计,根据变截面杆的振动理论计算变幅杆的初始尺寸;其次在 ANSYS环境下,建立了变幅杆的参数化物理模型。在模态分析、谐响应分析的基础上对变幅杆的结构进行优化,使变幅杆裙边纵向位移尽可能少,纵向振动谐振频率接近目标频率。然后,根据大尺寸矩形截面振动体耦合振动理论,计算切割刀的初始尺寸,通过在切割刀上开狭槽和改变切割刀输入端的结构,使切割刀刃口位移振幅分布均匀,纵向振动谐振频率误差减小、纵向振型稳定性提高。
　　在完成超声波辅助切割装置设计的基础上,进行了切割蛋糕的实验验证,通过有无超声辅助切割蛋糕的对比试验,表明了超声波辅助切割的优势。然后,不同切割工艺参数条件下,对蛋糕切割的效果进行了分析。

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第1章 绪论

1.1 蛋糕的传统切割技术

1.2 蛋糕超声辅助切割技术

1.3 蛋糕超声波辅助切割的国内外研究现状及发展趋势

1.4 课题研究意义及研究思路

第2章 超声变幅杆的设计

2.1 超声变幅杆的性能参数

2.2 超声变幅杆的设计方法

2.3 理论解析法的超声变幅杆设计

2.4 半波长阶梯形变幅杆的模态分析

2.5 半波长阶梯形变幅杆的优化设计

2.6 本章小结

第3章 超声切割刀的设计

3.1 切割刀形状及材料的选择

3.2 切割刀的理论设计

3.3 大尺寸矩形切割刀的初始设计

3.4 切割刀初始模型的模态分析

3.5 切割刀的优化设计

3.6 本章小结

第4章 切割刀刃口分析

4.1 切割刀刃口振动特性的分析

4.2 切割刀联接变幅杆的动力学分析

4.3 本章小结

第5章 蛋糕超声辅助切割实验

5.1 切割实验设备及条件

5.2 超声振动系统频率和振幅测量

5.3 切割实验数据采集平台和切割参数

5.4 有无超声辅助切割效果对比

5.5 超声切割工艺参数对破裂力的影响

5.6 超声切割工艺参数对破裂时间的影响

5.7 超声切割工艺参数对破裂距离的影响

5.8 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果