杜長強(qiáng) 許良元

(1.宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000)

切割作業(yè)是腐竹生產(chǎn)加工過程中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的腐竹切割采用手工剪切，切割斷面參差不齊。近年來，腐竹的加工生產(chǎn)開始由手工作業(yè)轉(zhuǎn)向機(jī)械自動(dòng)化加工，機(jī)械切割形成的斷面整齊，加工質(zhì)量好。腐竹機(jī)械切割的主要部件切割刀具是影響腐竹切割質(zhì)量的關(guān)鍵因素,由于腐竹切割機(jī)械應(yīng)用還處于起步階段，有關(guān)腐竹切割機(jī)械切割刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的專題研究尚未見報(bào)道。本研究擬通過Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，模擬腐竹切割作業(yè)時(shí)切割刀具的實(shí)際工作條件，針對不同形狀刀具的受力狀況和磨損量等方面進(jìn)行分析比較，從而優(yōu)選最佳的刀具設(shè)計(jì)方案[1]。

1 不同形狀刀具的靜力學(xué)分析

腐竹切割刀具選用金屬65MnMoTi4鋼，材料類型為各線性彈性材料模型，密度為7.8e-006 kg/mm3，彈性模量為2.1e+008 kPa，泊松比為0.3。

1.1 圓形切刀刀具靜力學(xué)分析

在Solidworks三維模型建模時(shí)，使用網(wǎng)格對圓形切刀刀具進(jìn)行分塊處理，完成后加入負(fù)載。在圓形切刀面建模時(shí)采用網(wǎng)格細(xì)化處理，使用較小的網(wǎng)格分析出較為精確的模型參數(shù)[2]。

使用螺栓緊固刀架與圓形切刀，建模時(shí)在切刀中心位置添加刀架與刀具的約束定義。圓形切刀工作時(shí)，刃口在加工位置的接觸面均為正切狀態(tài)，而至施加切割力的界限條件：刃口位置加以300 N的力[3]，方向?yàn)榇怪比锌?，增加位移變形量與應(yīng)力量來求解。

加載在正切的刃面壓力為：

P=F÷S=300 N÷28.26 mm2=10.61 MPa。

圖1顯示當(dāng)負(fù)載施加于刃口峰面的應(yīng)力最大值為1.688e+001 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度(應(yīng)力)620 MPa；刃口受到安全應(yīng)力值，變形比例為6 578.21。圖2顯示應(yīng)變最大值為5.528e-005 mm，最大應(yīng)變在切刀的刀柄位置，應(yīng)變向刀尖處遞減，圖3顯示位移量最大值為4.563e-004 mm，圖中位移量的最大值在直刃平刀的刀柄位置，位移量向刀尖處遞減。

圖1 應(yīng)力圖Figure 1 Stress map

圖2 應(yīng)變圖Figure 2 Strain diagram

圖3 位移圖Figure 3 Displacement maps

1.2 直刃平刀靜力學(xué)分析

直刃平刀采用斬切的作業(yè)方式，其力學(xué)分析方式與圓形切刀刀具相同。為獲取更加精確的應(yīng)力、應(yīng)變、位移量等數(shù)據(jù)，對刃口進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格處理，對刀面固定位置采用精確網(wǎng)格處理，進(jìn)行分層次劃分。

加載在正切的刃面壓力為：

P=F÷S=300 N÷538.59 mm2=0.56 MPa。

圖4顯示當(dāng)負(fù)載施加于刃口峰面的應(yīng)力最大值為5.764e+001 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度(應(yīng)力)2.012e+002 MPa，刃口受到安全應(yīng)力值，變形比例為17.877 2。圖5顯示位移量最大值為2.686e+000 mm，位移量的最大值在直刃平刀的刀尖位置，位移量向刀柄處遞減。圖6顯示應(yīng)變最大值為8.050e-004 mm，最大應(yīng)變在刀具的刀柄位置，應(yīng)變向刀尖處遞減。

1.3 刀具靜力學(xué)指標(biāo)對比分析

1.3.1 刀具應(yīng)力分布分析 根據(jù)2種刀具的靜力學(xué)仿真試驗(yàn)可得，最大變形處離設(shè)置約束處最遠(yuǎn)，即刀具刀頭端點(diǎn)部位。因此，無論刀具作業(yè)時(shí)受力如何，刀具的刃口表面都會(huì)受到離固定點(diǎn)由遠(yuǎn)及近變形和位移的影響，致使腐竹的切割刀具刃口表面從固定點(diǎn)開始向端口處變形(與刀架的固定處變形最小)。由分析得出應(yīng)力最大處在固定點(diǎn)周圍集中，與工廠實(shí)際生產(chǎn)中刀具毀壞的位置相同。分析得出應(yīng)力最小處為切割接觸的刃口面。

圖4 應(yīng)力圖Figure 4 Stress map

圖5 位移圖Figure 5 Displacement diagram

圖6 應(yīng)變圖Figure 6 Strain diagram

1.3.2 不同形狀刀具的應(yīng)力分析 2種不同形狀刀具的靜力學(xué)數(shù)值見表1。

從表1可以得出：直刃平刀有著較好的分析數(shù)據(jù)，直刃刀具的變形比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓形刀具。當(dāng)切割刀具作業(yè)時(shí)，直刃刀具刀身承受的應(yīng)變量為最大，直刃平刀具有良好的應(yīng)變穩(wěn)定性，作業(yè)過程中可以使應(yīng)變量的數(shù)值大大降低，更能提高穩(wěn)定性。實(shí)際生產(chǎn)過程中，在傳輸帶上切割腐竹時(shí)，切刀反復(fù)進(jìn)行垂直的全切刃斬切操作，此時(shí)的應(yīng)力數(shù)據(jù)應(yīng)為最大值。因此對全切刃斬切操作過程數(shù)據(jù)進(jìn)行建模仿真，以此優(yōu)化刀具固定位置的尺寸，對于增加作業(yè)過程中切刀的穩(wěn)定性，延長切刀的使用壽命有著重要的研究價(jià)值。

1.4 切割刀具Solidworks模態(tài)分析

1.4.1 模態(tài)分析的意義 模態(tài)分析的作用是計(jì)算出模型的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[4]。在承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，振型和固有的頻率為重要的參數(shù)，通過模態(tài)分析可以研究分析。

表1 2種刀具靜力學(xué)指標(biāo)分析表Table 1 Static index analysis of two kinds of cutting tools table

1.4.2 模態(tài)分析基礎(chǔ) 典型的無阻尼模態(tài)分析求解方程為[5]：

[M]{xw}+[K]{x}={0}，

(1)

結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)為簡諧振動(dòng)，即位移是正弦函數(shù)x=xsin(ωx)，代入式(1)得：

([K]-ω2[M]){X}={0}，

(2)

1.4.3 圓形切刀刀具模態(tài)分析 在Solidworks仿真模型中，根據(jù)切刀作業(yè)時(shí)振動(dòng)狀況，使用網(wǎng)格對圓形切刀刀具進(jìn)行分塊處理，再通過模態(tài)分析處理。在圓形切刀面建模時(shí)采用網(wǎng)格細(xì)化處理，使用較小的網(wǎng)格，分析出較為精確的模型參數(shù)[7]。從圖7可得：在固定約束條件下，刀具的共振頻率最大為2.009e+004 Hz，其值從刀具外沿向固定位置遞減。固定位置共振頻率為0 Hz，為刀具共振頻率的最小值。

1.4.4 直刃平刀刀具模態(tài)分析 直刃平刀模態(tài)分析處理方法與圓形切刀相同，建模時(shí)采用網(wǎng)格細(xì)化處理，使用較小網(wǎng)格分析出較為精確的模型參數(shù)，再進(jìn)行模態(tài)分析處理。從圖8中可以得出，在固定約束條件下，刀具的共振頻率最大為2.648e+003 Hz，其值從刀具外沿向固定位置遞減。固定位置共振頻率為0 Hz，同樣為刀具共振頻率的最小值。

1.4.5 刀具模態(tài)云圖對比分析 通過以上2種刀具的模態(tài)分析得出：共振頻率最大值所在位置離固定約束條件點(diǎn)最遠(yuǎn)，即為刀具的刀端頭部位。因此，無論刀具在作業(yè)時(shí)頻率如何，刀具刃口表面都會(huì)受到離固定點(diǎn)由近及遠(yuǎn)變形和位移的影響，最小的共振頻率在刀身的固定位置[8]，與工廠實(shí)際生產(chǎn)中刀具毀壞的位置相同，分析得出頻率最小處在切刀固定點(diǎn)位置。

1.4.6 2種刀具的數(shù)據(jù)對比分析 具體參數(shù)見表2。

圖7 圓形切刀五階變形云圖Figure 7 Fivth order deformation cloud image of circular cutter

表2 2種刀具模態(tài)分析數(shù)據(jù)比較表Table 2 Comparing tables of modal analysis data for two kinds of cutters

從表2可以得出，直刃平刀有著較好的分析數(shù)據(jù)，在切刀的模態(tài)分析中，直刃刀具頻率最大值為2.648e+003 Hz，應(yīng)力最大值為1.688e+001 MPa，直刃平刀作業(yè)過程中可以使頻率和應(yīng)力值大大降低，具有更好的穩(wěn)定性。輸送帶和腐竹移動(dòng)過切刀時(shí)，切刀在氣動(dòng)泵的推動(dòng)下快速斬?cái)喔?，在傳輸帶上切割腐竹時(shí)，切割的瞬間應(yīng)力和頻率達(dá)到最大數(shù)值。因此，降低工作頻率對增加作業(yè)過程中切刀的穩(wěn)定性，延長切刀的使用壽命有著重要的研究價(jià)值。

圖8 直刃平刀五階變形云圖Figure 8 Five-order deformed cloud image of straightblade flat knife

2 刀具動(dòng)態(tài)分析

2.1 試驗(yàn)材料

腐竹：涼水泡發(fā)的新鮮腐竹；

圓形切刀與直刃平刀：65MnMoTi4鋼材料。

2.2 試驗(yàn)方法

在實(shí)際工作中，常采用的測量切刀刀具磨損方法有測質(zhì)量磨損和測體積磨損2種，試驗(yàn)側(cè)重于質(zhì)量磨損量的測量。

就2種刀具而言，對腐竹作業(yè)加工的刀具刃口位置相同。2種刀具的長度參數(shù)與厚度參數(shù)為主要測量點(diǎn)[9]。厚度參數(shù)數(shù)值是從刃口起延伸至刀背處1 mm位置進(jìn)行測量，在測量過程中要清潔被測物，盡量減小測量誤差。

2.2.1 質(zhì)量磨損測量 利用稱重來測定磨損量[10]。質(zhì)量磨損量按式(3)計(jì)算：

△W=Wb-Wo，

(3)

式中：

△W——質(zhì)量磨損量，g；

Wb——磨損前試樣質(zhì)量，g；

Wo——磨損后試樣質(zhì)量，g。

2.2.2 體積磨損測量 利用尺寸測量工具(游標(biāo)卡尺、螺旋測微器等)，測出2種刀具長度和厚度法向尺寸的磨損數(shù)據(jù)，磨損量按式(4)計(jì)算：

△H=Hb-Ho，

(4)

式中：

△H——尺寸磨損量，mm；

Hb——磨損前試樣法向尺寸，mm；

Ho——磨損后試樣法向尺寸，mm。

而后抽樣測試，隨機(jī)抽取刀具，對刀具尺寸進(jìn)行采集，采集的位置圖如圖9所示。

圖9 2種刀具采集點(diǎn)位置圖Figure 9 Position of collecting point of circular cutter

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 質(zhì)量磨損量 從表3可知，圓形切刀作業(yè)后質(zhì)量變化較大，由于圓形刀具刀口厚度較薄，作業(yè)時(shí)對傳輸帶上某點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)滑切，造成磨損較為嚴(yán)重，差值達(dá)到了0.93 g，且影響加工食材安全性。直刃平刀作業(yè)時(shí)，切割方式為線與面切割，與傳輸帶和腐竹接觸面較大，反復(fù)切割磨損較小，磨損量差值為0.06 g。通過比較分析，選擇直刃平刀作為腐竹的切割刀具。

2.3.2 體積磨損量 從表4可以看出，圓形切刀的體積磨損遠(yuǎn)大于直刃平刀，由于圓形刀具刀口厚度較薄，體積小而造成切割處磨損嚴(yán)重，長度磨損量為0.040 mm，厚度磨損量達(dá)到0.180 mm，直刃平刀工作于線與面切割狀態(tài)[11]，且有緩沖臺(tái)，大大減少了作業(yè)的磨損，長度磨損量為0.000 mm，厚度磨損量為0.010 mm，故選取直刃平刀作為腐竹的切割刀具。

表3 2種刀具質(zhì)量磨損量分析Table 3 Analysis of wear amount of two kinds of tools g

表4 2種刀具體積磨損量分析Table 4 Analysis of volume wear amount of two kinds of tools mm

3 結(jié)論

通過對腐竹切割作業(yè)中的直刃平刀與圓形切刀進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到腐竹切割作業(yè)中的應(yīng)力、應(yīng)變、位移量等數(shù)據(jù)；通過磨損質(zhì)量和體積動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)圓形切刀切刃上長度與厚度上的磨損量都大于直刃平刀，圓形切刀在作業(yè)過程中，刃口處磨損嚴(yán)重，相應(yīng)會(huì)增加生產(chǎn)成本。通過綜合分析，選擇直刃平刀。在磨損量上的數(shù)據(jù)均優(yōu)于圓形刀片，且直刃平刀更適合連續(xù)機(jī)械化切割，對提高腐竹生產(chǎn)有著重要的研究意義，同時(shí)，在食品加工及其他用途刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)和選用方面，同樣有著重要的參考價(jià)值。本研究僅僅選了2種形狀的刀具進(jìn)行優(yōu)化分析，具有一定的局限性，后續(xù)可選用多種形狀刀具進(jìn)行優(yōu)化分析。