کاربرد روش اجزاء محدود در طراحی و ارزیابی عملکرد هورن برش فراصوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

4 طراحی صنعتی، دانشگاه الزهرا (س)، تهران، ایران

چکیده

برش مواد یکی از فرایندهای پرکاربرد صنعتی می‌باشد که همواره با چالش‌هایی همراه است. یکی از این چالش‌ها قابلیت برش مواد با قابلیت کشسانی بالا مانند لاستیک و یا مواد نرم و ترد مانند کیک است. به‌منظور بالابردن طول عمر ابزار و دستیابی به سطح برش مناسب و دقیق و دست‌یابی به سرعت برش بالا از فناوری ارتعاشات توان بالای فراصوتی در صنایع مدرن تولید تایر و لاستیک و صنایع غذایی استفاده می‌شود. طراحی مناسب ابزار برش فراصوتی تضمین‌کننده عملکرد مناسب و طول عمر ابزار است. طراحی و ساخت هورن‌های برشی فراصوتی به‌دلیل تأثیرگذاری عوامل متنوع در شکل و ابعاد قطعه از پیچیدگی‌هایی برخوردار است. در مقاله حاضر اثر پارامترهای ابعادی طراحی هورن، بر دو عامل خروجی مهم یعنی فرکانس تشدید شکل مود ارتعاش طولی و یکنواختی ارتعاشات سطح جلو تیغه برش فراصوتی از جنس آلیاژ تیتانیوم مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان داده است که با استفاده از بهبود طراحی در نرم‌افزارهای اجزاء محدود می‌توان به یک تیغه برشی با فرکانس نزدیک به فرکانس نامی طراحی و با بیشترین یکنواختی دامنه ارتعاشی در سطح جلو هورن دست یافت.


 


 

 
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of Finite Element Method in Design and Performance Evaluation of Ultrasonic Cutting Horn

نویسندگان [English]

  • rezvan Abedini 1
  • Mohammad Ebrahim Siahkoohi 2
  • Ali Mohammadi Sivaki 3
  • Vahid Fartashvand 4
1 Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Mechanical Engineering, Iran university of science and engineering
3 Mechanical Engineering, Amirkabir university of Technology
4 Industrial Design Group, Art faculty, Alzahra University, Tehran. Iran
چکیده [English]

Material cutting is one of the most widely used industrial processes, which is always accompanied by challenges. One of these challenges is the ability to cut materials with high elasticity such as rubber or soft and crispy materials such as cake. In order to increase the life of the tool and achieve a suitable and accurate cutting surface and achieve a high cutting speed, the technology of high power ultrasonic vibrations is used in the modern industries of tire and rubber production and food industries. The proper design of the ultrasonic cutting tool, guarantees the proper performance and the tool life. The design and manufacture of ultrasonic cutting horns is complicated due to the influence of various factors on the shape and dimensions of the part. In this article, the effect of the dimensional parameters of the horn design on two important output factors, namely the resonance frequency of longitudinal vibration mode and the uniformity of the vibrations of the front surface of the ultrasonic cutting horn made of titanium alloy, have been investigated and analyzed. The results have shown that by using design improvements in finite element software, it is possible to achieve a cutting horn with a frequency close to the nominal design frequency and with the highest uniformity of the vibration amplitude on the front surface of the horn.

کلیدواژه‌ها [English]

  • High power ultrasonic vibrations
  • ultrasonic cutting blade
  • resonance frequency
  • vibration amplitude uniformity
  • simulation
[1] Liu, Li, Wenyou Jia, Dezhang Xu, and Renjun Li. "Applications of ultrasonic cutting in food processing." Journal of Food Processing and Preservation, 2015, Vol.39, no.6, pp.1762-1769.
[2] Yildiz, Gulcin, Sindy Palma, and Hao Feng. "Ultrasonic Cutting as a New Method to Produce Fresh‐Cut Red Delicious and Golden Delicious Apples." Journal of food science, 2019, Vol.84, no.12, pp.3391-3398.
[3] Rawson, F. F. "14 An introduction to ultrasonic food cutting." Ultrasound in food processing, 1998, p.254.
[4] Bhargava, Nitya, Rahul S. Mor, Kshitiz Kumar, and Vijay Singh Sharanagat. "Advances in application of ultrasound in food processing: A review." Ultrasonics sonochemistry, 2021, Vol.70, p.105293.
[6] ABEDINI, REZVAN, AMIR ABDULLAH, Yunes Alizadeh, and VAHID FARTASHVAND, "Effect of ultrasonic on hot compaction of AA1100 and Ti-6Al-4V powders", 2016, pp.1-12.
[7] Abedini, Rezvan, Amir Abdullah, Yunes Alizadeh, and Vahid Fartashvand, "A Roadmap for application of high-power ultrasonic vibrations in metal forming." Modares Mechanical Engineering, 2017, Vol.16, no.10, pp.323-334.
[8] Abdullah, Amir, Mohammad Sotoodezadeh, Rezvan Abedini, and Vahid Fartashvand, "Experimental study on ultrasonic use in dry creep-feed up-grinding of aluminum 7075 and Steel X210Cr12." International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2013, Vol.14, pp.191-198.
[9] Abedini, Rezvan, "A Roadmap for Application of High Power Ultrasonic in Plastic and Metal Welding." Journal of Vibration and Sound, 2022, Vol.10, no.20, pp.35-55.
[10] Abedini, Rezvan, and Mohammad SaberJahromi, "A review of applications of high power ultrasound technology in medical surgery." Journal of Vibration and Sound, 2022, Vol.10, no.20, pp.157-173.
[11] Afshari, Mehran, and Behrooz Arezoo, "Optimal design and experimental validation of ultrasonic wide blade horn." Applied Acoustics, 2021, Vol.182, p.108254.
[12] Ensminger, Dale, and Foster B. Stulen, eds., “Ultrasonics: data, equations and their practical uses.” CRC press, 2008.
[14] "Vibration Analysis for Developing Ultrasonic Kitchen Knife for Cutting Foods." Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 2021, Vol.38, no.6, pp.447-454.
[17] https://asm.matweb.com  Last visit: 2022/02/25.
[18] Donachie, Matthew J. Titanium: a technical guide. ASM international, 2000.