超声波切割装置 本发明涉及一种超声波切割装置，该装置包括一个超声波发生器，该发生器具有一定的固有频率，与一个切割工具相联接。
借助于一定数量的技术设备，包括传统的装置，例如铡刀式切割装置或者比较先进的装置、例如超声波水流式食品切割装置，可以进行工业上的切割，特别是食品的切割。Jean-Luc BOUTONNIER在“Ia Revue desENIL”(第163期，5至12页)上发表的一篇文章中涉及了后一种技术。
另一种比较先进的公知技术设备是超声波刀具。由日本NIGATA公司提出的、于1992年3月10日公开的日本专利申请No.4-75898中描述的一种切割装置可以使用若干进行往复运动的超声波刀具，每个刀具由一个超声波发生器进行振动，该超声波发生器与刀具刀片的一端联接，以便使之振动。也是由日本NIGATA公司提出的、于1989年9月6日公开的日本专利申请JP-1222892中描述了一种类似的技术。
通过超声波振动刀片进行切割的技术设备可以确保正常切割，但是，由于制品移动的线速度因而进行切割的线速度限于实际上很少超过每分钟一米的速度，因此速度不快。
本发明旨在提出一种没有上述缺陷地超声波切割装置，这种装置可以达到每分钟若干米的切割线速度，甚至可达到10米/分钟。
本发明还旨在提出一种进行切割而不带走物料的切割装置。
本发明还旨在提出一种能够用于对来自烤炉的处于热状态下的难以切割的制品、例如糕点、面包或软面包等进行切割的切割装置。
本发明还旨在提出一种便于进行清理尤其是能够进行连续清理以便在高性能条件下进行切割的切割装置。
本发明还旨在提出一种在超声波发生器和切割工具之间具有一个改进型联接装置的切割装置。
本发明装置具有一种切割工具、即转盘，超声波发生器通过一个联接装置与转盘的中央区域相联接，所述中央区域布置在由超声波发生器按照一定方式产生的超声波振幅的波腹上。
因此，本发明切割装置使用一个通常的超声波发生器，本发明联接装置的作用是将沿转盘轴的运动转换成使垂直于该轴的转盘表面进行振动的运动，或者以径向方式进行振动，或者最好以挠曲方式进行振动。
本发明联接装置包括一个杆，其长度最好等于波长λ的一半，对于构成杆的材料来说，相应于超声波发生器的固有频率f。所述杆具有一个与超声波发生器相联接的上游端以及一个与转盘相联接的下游端，杆的截面不是恒定不变的，而是从上游向下游逐渐减小。所述杆最好具有一个长度为λ/4的上游区域和一个长度为λ/4的下游区域，下游区域的截面恒定不变，小于上游区域的也是恒定不变的截面。
本发明联接装置还包括一个对所述杆加以延伸的长度为λ/2的联接件。这个联接件可以是一个圆柱形谐振器，转盘的中央区域因而布置在纵向振幅波腹上，以便通过挠曲振动使转盘进行最佳激励方式。根据最佳实施例，转盘的中央区域最好布置在杆的下游端和联接件的上游端之间。
本发明还涉及一种装置，其特征在于，切割装置包括若干转盘，至少具有一个与杆的下游端相联接的上游转盘以及一个与所述联接件上游端相联接的下游转盘，联接件具有一个自由下游端，其特征还在于，转盘彼此由联接用中间撑杆隔开，以便布置在使之进行挠曲方式的移动的振动波腹上。
最后，本发明涉及一种装置，其特征在于，切割装置包括若干转盘，至少具有一个与杆的下游端相联接的上游转盘以及一个与所述联接件上游端相联接的下游转盘，联接件具有一个自由下游端，其特征还在于，转盘彼此由联接用中间撑杆隔开，以便以基本等于四分之一波长的间距P加以布置，并且与使之进行挠曲方式的移动的振动波腹错开八分之一波长。
特别是，切割装置最好具有一个中心轴和一个紧固装置，撑杆和超声波发生器安装在这个中心轴上，紧固装置与该轴配合，对定位在这些撑杆之间的转盘加以紧固。
转盘可以具有使这些转盘保持旋转对称的凹槽。这可以减轻重量，而不会改变装置的性能。
切割装置可以具有一个对转盘的紧固力进行调整、最好是个别调整的装置。
本发明装置的特征在于，它包括n个所述切割装置，每个切割装置具有若干转盘，这些转盘彼此隔开n×a，并且彼此错开，以便进行等厚度a的切割。
所述方式最好基本上不使一个或若干联接件、尤其是撑杆发生挠曲。
根据通过径向振动激励转盘的第二实施例，联接件是一个成型件，其直径最好基本等于λ/2，转盘的中央区域布置在径向振幅的波腹上，即布置在纵向振幅的节点上。特别是，转盘的中央区域可以布置在成型件的两个等长区域之间，因此，这两个等长区域相对于转盘来说是对称的，当转盘的距离增大时，具有不断缩短的直径。
本发明还涉及将上述装置用于切割食品例如面包、软面包或糕点，尤其是来自烤炉的处于热状态下的这些食品。本发明装置尤其是还可以用于切割生熟肉类食品或者腌制食品。
超声波发生器的频率最好为20至40千赫，转盘的旋转速度为100至800转/分钟。
转盘的振幅最好为15至25微米。
待切割制品的移动线速度最好为2至10米/分钟，同公知的超声波切割工具比较起来，这确保提高工业生产进度，可以使用刀具或弓锯。
本发明还涉及制品的超声波切割方法，其特征在于，它使用如上所述的装置。根据最佳实施例，对来自烤炉并处于热状态下的制品进行切割，切割之后对制品进行包装，这可以获得很高的性能和质量。特别是，对于软面包这样的制品来说，可以避免以前所需的冷却和气干阶段，这个阶段需要相当长的时间，在这个过程中，制品暴露在大气中，易受微生物的污染，易损失制品的重量和失去制品的美味，避免这个阶段，就可以不必在干燥前使制品经受特殊的去除污染阶段以确保制品今后的保存。
本发明其它特征和优越性通过下面参照附图和非限制性实施例的描述将得到较好理解。附图如下：
图1示出本发明方法应用于软面包制作；
图2a和2b分别示出一个超声波发生器以及应力曲线图和位移曲线图；
图2c示出图2a的超声波发生器，一个放大器杆与该超声波发生器相联接，用于放大超声波振幅，该图还示出应力曲线图以及相应的振幅曲线图；
图3a、3b和3c分别示出本发明切割装置采用对转盘进行挠曲激励的一个最佳实施例、本发明装置采用转盘径向激励的一个实施例、以及沿上述切割装置的纵向和径向振幅的曲线图；
图4a和4b示出本发明多刀片切割装置的两个变型；
图5示出本发明一个多刀片切割装置的一个第一实施例；
图6示出本发明一个多刀片切割装置的一个最佳实施例。
本发明涉及一种可以在比较难以切割的条件下、尤其是针对来自烤炉的热糕点或软面包的情况下使用的切割装置。人们知道，烤熟的软面包特别难于切成薄片。在实践中，在称为气干的阶段，软面包置放时间可达24小时，在这个过程中，软面包失去一部分湿度。然后，软面包被切割并进行干燥。该工序存在缺陷，除了制品要置放在大气中易受污染外，会使制品失去美味，尽管经过特殊的去除污染阶段，但是这种制品的味道不如立即切割的制品，而且其保存期有限。对处于热状态下的制品进行切割并随即进行干燥，可避免上述所有缺陷，提高制品的质量，显著延长制品的保存期限。
切割难度可作如下说明：
每当一个刀片以一定速度和一定质量进入一种物料的时候，可以认为它主要产生DAURSKIJ和MATCHIKHINE两人所描述的两种现象：
-建立一种应力，使制品变形，继而使之断裂；
-两个进行相反的相关运动的活动实体进行接触，从而出现摩擦力，使工具进入制品的速度放慢。
固体物料的切割伴随三种陆续发生的现象，即：弹性变形、塑性变形以及断裂线的扩大。
因此，描述固体物料的各种变形状态涉及三个基本概念：
-弹性变形：这种变形是可逆的；
-塑性变形或蠕变：这种变形是不可逆的，物料通过层间彼此滑移进行流动。对于多数固体物料来说，这种现象表现为从大于其弹性阶段的限度的一定应力临界值开始进行流动；
-断裂：如果当物料处于塑性或粘稠阶段时增大应力或物料变形，那么，层间彼此滑移加大，达到某些层不再贴紧并发生裂纹的时刻。这种按照非常复杂的规律进行扩展的裂纹导致物料在整个厚度上断裂。
导致物料有控制的断裂是切割的目的。
在弹性阶段，能量被储存，应力一取消，能量就完全释出，因此，物料恢复其初始形状。
在粘稠或塑性阶段，能量用于通过物料层间彼此滑移而使物料变形，因此被消耗来克服摩擦力，当应力或变形终止时，变形继续存在。
在断裂相，能量用于使裂纹逐渐扩大，因此由于形成新的表面而完全被消耗。
进行切割时，在很短的时间内，对物料施加一个大于其抗断裂强度的应力。并非始终考虑构成弹性阶段特征的若干参数，因为在塑性阶段之前弹性阶段常常忽略不计，何况变形非常迅速。最重要的参数是一些构成物料流动阶段的特征的参数。
实际上，对一种固体物料进行切割时，弹性阶段、塑性阶段和断裂阶段始终是相继发生的，但是，根据物料的性质，或多或少可看到它们的现象。例如，琼脂基本上具有弹性特性，黄油基本上具有塑性特性，巧克力基本上具有裂纹扩展特性。
在多数物料中，常常是这三种特性的混合。
进行切割时，可以控制切割线的几何形状，获得具有理想形状的一块块食品。不过，对于一定的物料来说，并不能始终控制其在一定应力下的变形。对于在达到平衡阶段前许多特性随时间而变化的食品来说，更为如此。另外，物料中出现裂纹的现象是非常不定的。为了避免发生这种情况，一般进行磨蚀或磨削切割，也就是说，最好使用锯这样的刀具。刀刃垂直于刀具进行加工，因此，通过使物料少量表面发生变形来进行切割，这更易于控制，但是这样切割会带走物料。
因此，使用一种刀具，非常迅速地对物料施加一个大于其抗断裂强度的应力，在切割线上的每一点连续发生弹性、塑性和断裂三个阶段的变形，但是，在切割期间，这三阶段在物料的整个厚度上是同时存在的。
如果是来自烤炉的软面包，那么，由于有粘性并且易于产生不规则的裂纹，因此难以切割成薄片。
本发明超声波切割装置的好处如同下面所述的那样是改善这种状况，借助于使用一种最好是圆形的无齿刀具并且借助于振动，可以使待切割制品具有一种有规律的间距，可以对制品进行最佳自由切割而不带走物料。采用始终旋转的转盘进行切割，可避免超声波刀具的缺陷，超声波刀具由于经受往复运动，所以其固有速度在每次改变运动方向时被抵消了，如果是“粘性”制品，会迅速阻塞刀具的刀片，又不能终止切割来进行清理，因此，这是一个主要缺陷。
如图1所示，软面包1之类的制品在一个烤炉2中焙烤，然后送到一个进给装置3例如一个输送带上，沿箭头方向F1纵向移动，直至一个切割装置，该切割装置包括一个或若干转盘5，转盘5沿箭头方向F2围绕其中央部分4旋转。这个切割装置可以包括一个铡刀式切割装置6，该铡刀式切割装置6沿箭头方向F3进行切割，用于在转盘5的上游或者如图所示在转盘5的下游进行横向切割。然后，在热状态下被切割的制品布置在一个第二进给装置7上，朝一个装袋装置9输送，制品1被包装在袋8中。
转盘5进行超声波振动，超声波振动由一个装置产生，这个装置将在后面描述，可以使进给装置3达到很高的线速度，完全可以把来自烤炉的软面包切成薄片。
由于转盘仅仅在其周边的一部分上与待切割制品接触，因此可以通过一个本身公知的装置50从始至终进行清除和/或消毒。
图2a示出一个公知的超声波发生器10。它由一个压电陶瓷夹层结构件11构成，该压电陶瓷夹层结构件11例如由两个金属件即一个传声器12和一个配对件14之间的两个预应力盘组成。该装置与发生器11产生的电激励发生谐振而进行振动。为此，对陶瓷施加交变电压dV，与交变电压dV相应的是电场dE的交替变化，由此产生陶瓷厚度dT的交替变化。与陶瓷厚度dT的每个变化相应的是压力dP的变化。交变电压dV施加到如此构成的发生器的接线端子上，产生压力波，这些压力波从两个陶瓷盘反射到发生器的端部16和18上。
如果将一个杆的长度定为这样一个数值，例如该杆的纵向振动频率完全符合电激励的频率f，那么，该杆成为驻波的部位，与电激励发生谐振。在端面16和18之间总长等于λ/2的一个杆10获得这个条件，λ表示该杆中相应于频率f的波长。陶瓷件11布置在中央，传声器12和配对件14布置在陶瓷件11的两侧。
因为实际上可以获得的发生器11的振动约为10至14微米(峰-峰值)，这取决于所使用的发生器的类型，所以要对这些振动进行放大，以获得足够的振幅。
为此，如图2c所示，在发生器上固定一个长度为λ/2的金属杆，调准到发生器特有的频率，例如20千赫。杆20包括一个长度为λ/4的第一杆段22，第一杆段22具有恒定不变的截面S1，截面S1大于第二杆段24的也是恒定不变的截面S2，第二杆段24也具有λ/4的长度。杆段22的端面26与配对件14的端面18相联接。振幅曲线图和应力曲线图示于图2c中，图中，端面16的运动由曲线X0示出，端面18和26的运动由曲线X1示出，杆段24的端面28的运动由曲线X2示出。
如前面所述，发生器-放大器系统产生纵向超声波振动。转盘5只能从其中央部分4即其旋转轴被激励，因此，必须将初始轴向运动转换成沿盘面的径向运动。
根据本发明，两个实施例如下：
根据图3a，转盘5安装在杆段24的端面28和一个谐振器30的端面32之间，谐振器30是长度为λ/2的一个圆柱形杆，其终端为一个自由端面34。杆30代替谐振器，其作用是在系统发生机械谐振情况下确保回波信号。由于转盘5如纵向振幅曲线a1所示位于纵向振幅波腹V1上，因此，运动的转换得到确保。转盘5按照挠曲方式进行振动，同其直径无关。实际上，其厚度为2至4毫米，以便尽可能靠近纵向振幅波腹V1的理论点，并可进行最大挠曲变形。图中示出转盘5边缘加大的型面。在转盘边缘附近，越靠近转盘边缘厚度越小，型面平滑无齿，进行切割而不会带走物料。
图3b所示的实施例使用一个构件40，用于确保将轴向运动转换成径向运动。构件40固定在相应于一个轴向振幅节点的一个径向振幅波腹Vr的附近。构件40为普通圆柱形，具有一个上游段46和一个下游段48，上游段46的端面42与杆段24的端面28相联接，下游段48具有一个自由端面44。转盘5布置在构件40的中央两个环形区域45和47之间，区域45和47的直径大于区域46和48的直径，区域45和47通过圆形型面41和43联接到区域46和48上。区域46和48的直径大于区域24的直径，在所示的实施例中，基本等于区域22的直径。构件40在端面42和44之间的长度等于λ/2，因此，转盘5布置成与端面28相距λ/4。在这种情况下，它固定在一个径向振幅波腹Vr的附近，如图3c中曲线ar所示。实际上，对于底部约为10毫米的厚度来说，应采用锥形型面。构件40的区域45和47的直径接近λ/2，从而形成径向谐振条件。这可以获得足够的径向振幅以激励转盘5。
就材料而言，构件12、14、20和30最好用钛合金TA6V制成，这种合金具有极好的弹性，而且由于具有生物相容性，因此同待切割制品不发生化学反应。另外，这种合金抗氧化，易于加工，应用起来成本适中。
至于转盘5，上述合金显然可以使用，但是，对于这种可以更换的磨损件来说，最好使用一种价廉的合金，例如用于普通切割工具的不锈钢合金，特别是Z200C13合金，这种合金同时具有下列优良特性：化学惰性，易加工性，高硬度以及可接受的成本。其弹性虽然小于上述钛合金的弹性，但是在这里应用是足够的。
由试验而知，钛合金TA6V的声速是4900米/秒，而不锈钢Z200C13的声速是5200米/秒。
所进行的试验表明，按照挠曲方式(图3a)进行作用的这些系统具有终端谐振器30所施加的总谐振频率。为此，转盘5的直径对总频率影响不大。相反，其厚度必须加以考虑，因为它是发生器10、放大器20和谐振器30轴向组装的组成部分。
在挠曲方式，一个直径为600毫米的切割用转盘可以切割高度为280毫米的制品。可以切割甚至更高的制品，但有损于切割细度，在这种情况下，要加大刀片的厚度。
与挠曲安装相反，图3b所示的径向方式安装具有取决于转盘5直径的谐振频率。例如，发生40千赫谐振的直径为200毫米左右。
图4a和4b示出两个实施例，其中，切割装置特别可以切割制作面包或维也纳式面包的制品，例如用于切割高度约为120毫米的软面包，待切割薄片的厚度a为12毫米±1毫米。
实际上，需要约二十个刀片。
但是，这一布置难以采用，因为一个直径为300毫米、厚度为2毫米的刀片具有约一千克的质量：对于20个刀片来说，要使分布在直径上的20千克进行振动。
本发明实施例的两种可能性：
-配置若干刀片系统(61至64)，这些刀片系统相应地配有超声波发生器(65至68)，刀片间的间距为12毫米(图4a)，
-配置n个刀片系统(71至75)，这些刀片系统相应地配有超声波发生器(76至80)，刀片间的间距为n×12毫米(图4b，其中，n＝5)。
在第一个实施例中(图4a)，每个薄片间切割工作面没有错开。这个方法存在超声波利用的问题，因为12±1毫米的刀片间距与系统的激励频率有直接的关系。对于12毫米的中心距来说，这造成大于100千赫的频率，这个频率太高而不能确保将有效振动功率传递到刀片、即转盘5上。
在最佳实施例中(图4b)，若干刀片(转盘5)错开，切割工作面不再并列，当制品进入时，可能存在难度。但是，转盘5之间的间距可以利用同转盘5的尺寸更加相容的较低频率。面包进入时可能存在的难度就不大了。单盘样机上的试验表明，面包的进刀情况由于超声波的存在而得到明显改善。对于充分错开的系统来说，面包不会不适时地分开。另外，超声波大大减小物料对振动转盘的摩擦系数，因此，在面包通过时，转盘5不会使面包聚集。
在图4a和图4b所示的实施例中，每个切割装置的转盘5盘组联接到由一个超声波发生器进行振动的同一个轴上。转盘5定位在纵向振动波腹上(或靠近振动波腹)。适当调整转盘5的紧固力，以便确保超声波的良好接通，尤其是确保在所有转盘上的均匀移动幅度，这最好通过转盘5紧固力的单独调整而获得，例如，凸缘92车有螺纹，可以紧固在本身车有螺纹的中央区域98上。
如图5所示，转盘通过撑杆90安装在一个轴97上，撑杆90沿轴97滑动，并夹住转盘5，转盘组的紧固由一个塞盖99加以确定，以便很好地保持住转盘5并加大与转盘5接触的传递面积。
有若干方式可以使转盘5进行挠曲工作。对于60毫米的刀片间距来说，第一种方式是朝30千赫确定位置，可以在撑杆90处进行适当平移，产生转盘5的挠曲运动。
第二种方式是朝36千赫确定位置，可以利用与转盘5接触的撑杆90的相同挠度。
不过，根据经验，通过挠曲界面进行超声波传递时，传递质量不高。实际上，因为联接不完善，所以各个不同部分联接不紧密。
因此，基本上不使界面90发生挠曲的30千赫左右的方式是最佳的。
在相同撑杆的情况下，用于一个具有2至4个刀片的系统的方式在相同频率下基本没有变化。由此可见，一个配有若干对(或不成对)刀片的系统，既然刀片数量是偶数(或单数)，就可以使用数量较多或数量较少的刀片。
刀片的形状对频率有一定的影响：刀片越轻尤其是越有弹性，频率降低越大。如果刀片的直径确定在300毫米，可以沿环101开槽(见图5)来减轻转盘5的重量。盘状刀片具有旋转对称性。
为了使整体进行振动和提高弹性，把起初为2.5毫米的刀片厚度确定为2毫米。
至于刀片间距大小的影响，观察到如下几点：
-使用直径为300毫米、厚度为2毫米的刀片，刀片间距为48毫米(或50毫米中心距)，工作起来没有太大问题，
-刀片间距越小，越要考虑撑杆的不对称现象：撑杆的两端彼此靠近，比较难以同两端等距离地置放一个组件(平衡状态)，
-刀片间距越小，系统使用的刀片数量越大。计算中未考虑的衰减和损耗可能成为决定性的，存在末端刀片工作很不正常的危险。
实际上，可以使用直管状撑杆90，在其端部配有互补凸缘91和92，它们彼此对准中心，也对准转盘5的中心(图5)。盘状刀片5有规律地隔开，以便位于振动波腹上，相当于转盘5在挠曲方式进行振动。
尤其是最好在机械上使超声波发生器11、12、14以及切割装置的旋转和保持件的刀架系统97、90、5分开，例如使旋转和保持装置同产生超声波的变频箱进行联接。这样，激励件更短，超声波激励更为直接，这可以最大限度地减少超声波在激励装置和转盘5之间的支承件(例如轴承和传动带)中的损失，此外，也便于拆卸进行清理和维修。
在单数(5个刀片)的情况下，牵涉到第一个撑杆94和最后一个撑杆95的尺寸变化，不管怎样，这两个撑杆根据其在超声波发生器14、11、12一侧和塞盖99(工具端部)一侧的支承情况在几何形状上与其它撑杆不同。
激励系统+工具包括：
-一个超声波发生器14、11、12(参见图3a)，
-一个匹配机械件(放大器)24，
-一个轴97，固定在放大器24中，
-五个盘状刀片5，
-一个位于超声波发生器一侧的撑杆94，
-四个撑杆90，确保刀片边缘到边缘的间距为48毫米(中心距为50毫米)，
-一个位于塞盖一侧的撑杆95，可以是塞盖99的组成部分，该撑杆的尺寸确定成确保回波信号，
-一个塞盖99，固定在轴97上，可使整个装置进行紧固。
额定工作频率为32.2千赫。
所有上述构件均有一定的对中件、表面状态和精确公差，以保证更好的装配质量。
一个节点面21在放大器22部分上的标识使得可以在必要时固定一个不锈金属板，以便对于超洁净的问题，隔开切割区域。
可以例如使用外径为210毫米、刀片间距为36毫米的7个刀片的装置进行加工，也可使用外径为150毫米、刀片间距为24毫米的11个刀片的装置进行加工，在这两种情况下，对于基本等于半波长的刀片间距来说，频率例如为35至40千赫。
可降低工作频率的一个实施例是以基本等于四分之一波长的恒定间距P布置刀片、即转盘5，为此，它们与纵向振动波腹纵向错开约八分之一波长(λ/8)(见图6)。就图5所示的实施例而言，使用50毫米的间距，频率约为22千赫。
为了确定多刀片装置，要选择刀片直径、刀片间距及其所包括的构件(撑杆等等)的几何特性。例如用成品构件法进行的计算可以确定与结构相应的波长λ的数值。该波长λ取决于这些构件的外形，即确定中起作用的形状因素。特别是，图5所示的切割装置可以使用管状撑杆90以及由一个塞盖99加以紧固的一个轴97，这种情况对波长数值有影响。