腐竹切割刀具優化設計分析

杜長強 許良元

(1.宿州職業技術學院，安徽 宿州 234000；2.安徽農業大學，安徽 合肥 230000)

切割作業是腐竹生產加工過程中的重要環節，傳統的腐竹切割采用手工剪切，切割斷面參差不齊。近年來，腐竹的加工生產開始由手工作業轉向機械自動化加工，機械切割形成的斷面整齊，加工質量好。腐竹機械切割的主要部件切割刀具是影響腐竹切割質量的關鍵因素,由于腐竹切割機械應用還處于起步階段，有關腐竹切割機械切割刀具優化設計方面的專題研究尚未見報道。本研究擬通過Solidworks軟件進行三維建模，模擬腐竹切割作業時切割刀具的實際工作條件，針對不同形狀刀具的受力狀況和磨損量等方面進行分析比較，從而優選最佳的刀具設計方案[1]。

1 不同形狀刀具的靜力學分析

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分析

在Solidworks三維模型建模時，使用網格對圓形切刀刀具進行分塊處理，完成后加入負載。在圓形切刀面建模時采用網格細化處理，使用較小的網格分析出較為精確的模型參數[2]。

使用螺栓緊固刀架與圓形切刀，建模時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，刃口在加工位置的接觸面均為正切狀態，而至施加切割力的界限條件：刃口位置加以300 N的力[3]，方向為垂直刃口，增加位移變形量與應力量來求解。

加載在正切的刃面壓力為：

P=F÷S=300 N÷28.26 mm2=10.61 MPa。

圖1顯示當負載施加于刃口峰面的應力最大值為1.688e+001 MPa，小于材料的屈服強度(應力)620 MPa；刃口受到安全應力值，變形比例為6 578.21。圖2顯示應變最大值為5.528e-005 mm，最大應變在切刀的刀柄位置，應變向刀尖處遞減，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 應力圖Figure 1 Stress map

圖2 應變圖Figure 2 Strain diagram

圖3 位移圖Figure 3 Displacement maps

1.2 直刃平刀靜力學分析

直刃平刀采用斬切的作業方式，其力學分析方式與圓形切刀刀具相同。為獲取更加精確的應力、應變、位移量等數據，對刃口進行細化網格處理，對刀面固定位置采用精確網格處理，進行分層次劃分。

加載在正切的刃面壓力為：

P=F÷S=300 N÷538.59 mm2=0.56 MPa。

圖4顯示當負載施加于刃口峰面的應力最大值為5.764e+001 MPa，小于材料的屈服強度(應力)2.012e+002 MPa，刃口受到安全應力值，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顯示應變最大值為8.050e-004 mm，最大應變在刀具的刀柄位置，應變向刀尖處遞減。

1.3 刀具靜力學指標對比分析

1.3.1 刀具應力分布分析 根據2種刀具的靜力學仿真試驗可得，最大變形處離設置約束處最遠，即刀具刀頭端點部位。因此，無論刀具作業時受力如何，刀具的刃口表面都會受到離固定點由遠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)。由分析得出應力最大處在固定點周圍集中，與工廠實際生產中刀具毀壞的位置相同。分析得出應力最小處為切割接觸的刃口面。

圖4 應力圖Figure 4 Stress map

圖5 位移圖Figure 5 Displacement diagram

圖6 應變圖Figure 6 Strain diagram

1.3.2 不同形狀刀具的應力分析 2種不同形狀刀具的靜力學數值見表1。

從表1可以得出：直刃平刀有著較好的分析數據，直刃刀具的變形比例遠遠小于圓形刀具。當切割刀具作業時，直刃刀具刀身承受的應變量為最大，直刃平刀具有良好的應變穩定性，作業過程中可以使應變量的數值大大降低，更能提高穩定性。實際生產過程中，在傳輸帶上切割腐竹時，切刀反復進行垂直的全切刃斬切操作，此時的應力數據應為最大值。因此對全切刃斬切操作過程數據進行建模仿真，以此優化刀具固定位置的尺寸，對于增加作業過程中切刀的穩定性，延長切刀的使用壽命有著重要的研究價值。

1.4 切割刀具Solidworks模態分析

1.4.1 模態分析的意義 模態分析的作用是計算出模型的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據[4]。在承受動態載荷結構設計中，振型和固有的頻率為重要的參數，通過模態分析可以研究分析。

表1 2種刀具靜力學指標分析表Table 1 Static index analysis of two kinds of cutting tools table

1.4.2 模態分析基礎 典型的無阻尼模態分析求解方程為[5]：

[M]{xw}+[K]{x}={0}，

(1)

結構的自由振動為簡諧振動，即位移是正弦函數x=xsin(ωx)，代入式(1)得：

([K]-ω2[M]){X}={0}，

(2)

1.4.3 圓形切刀刀具模態分析 在Solidworks仿真模型中，根據切刀作業時振動狀況，使用網格對圓形切刀刀具進行分塊處理，再通過模態分析處理。在圓形切刀面建模時采用網格細化處理，使用較小的網格，分析出較為精確的模型參數[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 直刃平刀刀具模態分析 直刃平刀模態分析處理方法與圓形切刀相同，建模時采用網格細化處理，使用較小網格分析出較為精確的模型參數，再進行模態分析處理。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 刀具模態云圖對比分析 通過以上2種刀具的模態分析得出：共振頻率最大值所在位置離固定約束條件點最遠，即為刀具的刀端頭部位。因此，無論刀具在作業時頻率如何，刀具刃口表面都會受到離固定點由近及遠變形和位移的影響，最小的共振頻率在刀身的固定位置[8]，與工廠實際生產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位置。

1.4.6 2種刀具的數據對比分析 具體參數見表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種刀具模態分析數據比較表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據，在切刀的模態分析中，直刃刀具頻率最大值為2.648e+003 Hz，應力最大值為1.688e+001 MPa，直刃平刀作業過程中可以使頻率和應力值大大降低，具有更好的穩定性。輸送帶和腐竹移動過切刀時，切刀在氣動泵的推動下快速斬斷腐竹，在傳輸帶上切割腐竹時，切割的瞬間應力和頻率達到最大數值。因此，降低工作頻率對增加作業過程中切刀的穩定性，延長切刀的使用壽命有著重要的研究價值。

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

2 刀具動態分析

2.1 試驗材料

腐竹：涼水泡發的新鮮腐竹；

圓形切刀與直刃平刀：65MnMoTi4鋼材料。

2.2 試驗方法

在實際工作中，常采用的測量切刀刀具磨損方法有測質量磨損和測體積磨損2種，試驗側重于質量磨損量的測量。

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

2.2.1 質量磨損測量 利用稱重來測定磨損量[10]。質量磨損量按式(3)計算：

△W=Wb-Wo，

(3)

式中：

△W——質量磨損量，g；

Wb——磨損前試樣質量，g；

Wo——磨損后試樣質量，g。

2.2.2 體積磨損測量 利用尺寸測量工具(游標卡尺、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據，磨損量按式(4)計算：

△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，隨機抽取刀具，對刀具尺寸進行采集，采集的位置圖如圖9所示。

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

2.3 試驗結果與分析

2.3.1 質量磨損量 從表3可知，圓形切刀作業后質量變化較大，由于圓形刀具刀口厚度較薄，作業時對傳輸帶上某點進行反復滑切，造成磨損較為嚴重，差值達到了0.93 g，且影響加工食材安全性。直刃平刀作業時，切割方式為線與面切割，與傳輸帶和腐竹接觸面較大，反復切割磨損較小，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重，長度磨損量為0.040 mm，厚度磨損量達到0.180 mm，直刃平刀工作于線與面切割狀態[11]，且有緩沖臺，大大減少了作業的磨損，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 結論

通過對腐竹切割作業中的直刃平刀與圓形切刀進行靜力學分析，得到腐竹切割作業中的應力、應變、位移量等數據；通過磨損質量和體積動態數據的分析，發現圓形切刀切刃上長度與厚度上的磨損量都大于直刃平刀，圓形切刀在作業過程中，刃口處磨損嚴重，相應會增加生產成本。通過綜合分析，選擇直刃平刀。在磨損量上的數據均優于圓形刀片，且直刃平刀更適合連續機械化切割，對提高腐竹生產有著重要的研究意義，同時，在食品加工及其他用途刀具的優化設計和選用方面，同樣有著重要的參考價值。本研究僅僅選了2種形狀的刀具進行優化分析，具有一定的局限性，后續可選用多種形狀刀具進行優化分析。