Моделирование ультразвуковых инструментов для раскроя сотовых панелей из алюминия и арамида (кевлара)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Сотовые панели из алюминия и композиционных материалов – арамида, или кевлара, широко используются в авиационной, космической, автомобильной и других областях благодаря своим уникальным характеристикам: высокой прочности и жесткости, низкой плотности и хорошим теплоизоляционным свойствам. При этом механическая обработка изделий из сотовых материалов сопряжена с рядом трудностей, и одной из технологий, позволяющих эффективно решать задачи раскроя изделий из сотовых материалов, является ультразвуковая резка. В данной работе с помощью метода конечных элементов исследуются необходимые для проектирования частотные свойства инструментов для ультразвуковой резки изделий из сотовых материалов с рабочими частотами около 20 кГц с различными геометрическими параметрами для реализации раскроя различных вариантов сотовых конструкций. Приведены результаты анализа зависимостей волновых размеров специализированных треугольных и дисковых ультразвуковых инструментов от особенностей геометрии, представлены экспериментальные результаты для ряда разработанных вариантов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. А. Вьюгинова

СПбГЭТУ “ЛЭТИ”

Author for correspondence.
Email: aavyuginova@etu.ru
Russian Federation, ул. проф. Попова 5, Санкт-Петербург, 197022

С. Н. Вьюгинов

ООО “ИНЛАБ – Ультразвук”

Email: inlab@utinlab.ru
Russian Federation, ул. Чугунная 20, Санкт-Петербург, 194044

А. А. Новик

ООО “ИНЛАБ – Ультразвук”

Email: novik.jr@gmail.com
Russian Federation, ул. Чугунная 20, Санкт-Петербург, 194044

References

  1. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О., Яхимович Д.Ф. Ультразвуковое резание. М.: Изд-во АН СССР, 1962.
  2. Борун Г.М., Поляков З.И. Величина разрежения в зоне резания ультразвукового инструмента // Акуст. журн. 1963. Т. 9. С. 231–232.
  3. Ганева Л.И., Голямина И.П., Марголин В.С. Механическое сопротивление нагрузки при ультразвуковом резании хрупких материалов // Акуст. журн. 1973. Т. 19. С. 542–530.
  4. Меркулов Л.Г., Харитонов А.В. Теория и расчет составных концентраторов // Акуст. журн. 1959. Т. 5. № 2. С. 183–190.
  5. Сазонов И.А. Расчет трансформирующих свойств концентраторов продольных колебаний // Акуст. журн. 1988. Т. 34. № 1. С. 182–185.
  6. Саркисян А.А., Саркисян С.О. Собственные колебания микрополярных упругих гибких пластин и пологих оболочек // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 2. С. 139–151.
  7. Коробов А.И., Изосимова М.Ю., Агафонов А.А., Кокшайский А.И., Жостков Р.А. Упругие волны в цилиндрических металлических клиньях с разной геометрией // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 3. С. 251–257.
  8. Yadav S., Gupta A. Parametric Study of Driver and Reflector of Single Axis Acoustic Levitator using Finite Element Method // Acoust. Phys. 2020. V. 66. № 3. P. 242–249.
  9. Zhang Y., Shen Y., Lu Z. Design of an Ultrasonic Pointed Cutter // Appl. Mech. and Mat. 2014. V. 494–495. P. 569–572.
  10. Wu X., Hu X., Yu B., Ji H., Lu Z., Xia X. Design of ultrasonic cutting tool for an ultrasonic assisted cutting process of Nomex honey-comb materials based on substitution method [in Chinese] // China Mech. Eng. 2015. V. 26. P. 809–813.
  11. Xia Y., Zhang J., Wu Z., Feng P., Yu D. Study on the Design of Cutting Disc in Ultrasonic-assisted Machining of Honeycomb Composites // Conf. Ser.: Mat. Sci. Eng. 2019. V. 611. P. 012032.
  12. Sun J., Dong Z., Wang X., Wang Y., Qin Y., Kang R. Simulation and experimental study of ultrasonic cutting for aluminum honeycomb by disc cutter // Ultrasonics. 2020. V. 103. P. 106102.
  13. Sun J., Kang R., Qin Y., Wang Y., Feng B., Dong Z. Simulated and experimental study on the ultrasonic cutting mechanism of aluminum honeycomb by disc cutter // Com. Struct. 2021. V. 275. P. 114431.
  14. Sun J., Kang R., Guo J., Dong Z., Wang Y. Study on Machining Quality of Aluminum Honeycomb in Ultrasonic Cutting by Disc Cutter. // ASME. J. Manuf. Sci. Eng. 2023. V. 145. P. 051009.
  15. Hu X.P., Yu B.H., Li X.Y., Chen N.C. Research on Cutting Force Model of Triangular Blade for Ultrasonic Assisted Cutting Honeycomb Composites // Procedia CIRP. 2017. V. 66. P. 159–163.
  16. Xiang D., Wu B. Yao Y., Liu Z., Feng H. Ultrasonic longitudinal-torsional vibration-assisted cutting of Nomex honeycomb-core composites // J. Adv. Manuf. Technol. 2019. V. 100. P. 1521.
  17. Kang D., Zou P. Wu H., Duan J., Wang W. Study on ultrasonic vibration–assisted cutting of Nomex honeycomb cores // J. Adv. Manuf. Technol. 2019. V. 104. P. 979.
  18. Wang Y., Wang X., Kang R., Sun J., Jia Z. Dong Z. Analysis of Influence on Ultrasonic-assisted Cutting Force of Nomex Honeycomb Core Material with Straight Knife [in Chinese] // J. Mech. Eng. 2017. V. 53. P. 73.
  19. Ahmad S., Zhang J., Feng P., Yu D., Wu Z., Ke M. Research on Design and FE Simulations of Novel Ultrasonic Circular Saw Blade (UCSB) Cutting Tools for Rotary Ultrasonic Machining of Nomex Honeycomb Composites // 2019 16th Int. Bhurban Conf. Appl. Sci. Tech. (IBCAST), Islamabad, Pakistan. 2019. P. 113.
  20. Vakilinejad M., Olabi A. Gibaru O., Botton B. Geometrical error improvement of Aramid honeycomb workpieces in robot-based triangular knife ultrasonic cutting process // J. Adv. Manuf. Tech. 2020. V. 110. P. 523.
  21. Ma K., Wang J., Zhang J., Feng P., Yu D., Ahmad S. A force-insensitive impedance compensation method for giant magnetostriction ultrasonic cutting system of Nomex honeycomb composites // Com. Struct. 2022. V. 294. P. 115708.
  22. Vjuginova A.A., Durukan Y., Vjuginov S.N., Novik A.A. Design and Simulation of Ultrasonic Triangular Blades for Honeycomb Structures Cutting // 2021 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), St. Petersburg, Moscow, Russia, 2021, P. 1293–1296.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Cutting aramid with an ultrasonic knife: (a) – a triangular knife, (b) – a disc knife.

Download (55KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The geometry of the ultrasonic instruments under consideration: (a) a triangular knife, (b) a disc knife.

Download (16KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The considered modes of vibrations of ultrasonic instruments: (a) – a triangular knife, (b) – a disco knife.

Download (18KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Manufactured ultrasonic instruments: (a) – variants of manufactured triangular ultrasonic knives, (b) – variants of manufactured disk ultrasonic knives.

Download (24KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the wave length of the triangular knife on the relative length of the cutting part in comparison with the experimental results.

Download (12KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of the wave length of a triangular knife on the relative length of the cutting part with a variable parameter of the end width.

Download (32KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the wave length of the disc knife on the ratio of tool diameters in comparison with the experimental results.

Download (26KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences