الهيكل الفولاذي الملحوم مقابل قاعدة الآلة المصنوعة من الصب المعدني لتقليل اهتزازات الاهتزاز

PFT، شنتشن

مجرد

يلعب تصميم قاعدة الماكينة دوراً أساسياً في تثبيت دقة التشغيل من خلال التحكم في الاهتزاز. تقارن هذه الدراسة بين قواعد اللحام الفولاذي والقواعد المصنوعة من المعدن الصبّي من حيث كفاءة امتصاص الاهتزاز. تم تطوير نماذج العناصر المحدودة وأجريت اختبارات النمطية لتقييم التردد الطبيعي ونسبة التخميد والاستجابة الإزاحية تحت أحمال القطع المحاكاة. تشير النتائج إلى أن القواعد المصنوعة من المعدن الصبّي تمتلك قدرة تخميد أعلى بنسبة 18–25% مقارنةً بقواعد اللحام الفولاذي، خاصةً في نطاق التردد 200–500 هرتز. ومع ذلك، تُظهر القواعد الفولاذية الملحومة ميزة من حيث الصلابة الهيكلية والتكلفة الأولية الأقل. توفر هذه النتائج أدلة كمية لاختيار مواد قواعد الماكينات وفقاً لأولويات الأداء.

1 مقدمة

تُعدّ قواعد أدوات الآلات أساسية لاستقرار النظام ككل. تؤثر الاهتزازات الناتجة أثناء التشغيل عالي السرعة بشكل مباشر على الدقة الأبعادية وارتداء الأداة وجودة السطح. إن اختيار المواد للهيكل الأساسي يحدد كلًا من الصلابة وقدرة الامتصاص. وعلى الرغم من استخدام الهياكل الملحومة من الصلب على نطاق واسع نظرًا لسهولة التصنيع، فقد حظيت القواعد المصنوعة من الصب المعدني باهتمامٍ متزايد بسبب الأداء المتفوق في الامتصاص. ويستعرض هذا البحث الاختلافات الكمية بين هذين النوعين من المواد في ظل ظروف تجريبية مُحكَمة.

طريقة البحث

نهج التصميم

تم تصنيع نموذجين أوليين من القواعد ذات الهندسة نفسها: أحدهما من صفائح فولاذية ملحومة، والآخر من مركب الصب المعدني. التزم التصمان بأبعاد قياسية لقواعد أدوات الآلات (1.2 م × 0.8 م × 0.6 م).

2.2 مصادر البيانات

• تم أخذ خصائص المواد من كتيبات البيانات الخاصة بالموردين، وتم التحقق منها عبر اختبارات مقاومة الشد والضغط.

• تم جمع بيانات اختبار الاهتزاز من تجارب داخلية أُجريت بين مايو–يوليو 2025.

2.3 الأدوات والنماذج التجريبية

• تحليل العناصر المحدودة (FEA): تم استخدام برنامج ANSYS 2024 لنمذجة الترددات النمطية وتوزيع الإجهادات.

• اختبار النمطية (Modal Testing): سجل المطرقة المزودة بأجهزة قياس والمسرعات (PCB Piezotronics، الموديل 352C) الاستجابة الديناميكية.

• معالجة الإشارة: تم تحليل دوال استجابة التردد باستخدام برنامج MATLAB R2024b لاستخراج نسب التخميد.

أُعيدت جميع الإجراءات ثلاث مرات لضمان إمكانية إعادة النتائج.

3 النتائج والتحليل

3.1 التردد الطبيعي

تُلخّص الجدول 1 أول ثلاثة ترددات طبيعية. أظهرت اللحامات الفولاذية قيمًا أعلى قليلاً نظرًا لزيادة المتانة.

الجدول 1 الترددات الطبيعية لقواعد الفولاذ مقابل القواعد المصبوبة من المعادن

3.2 نسبة التخميد

الشكل 1 يوضح مقارنة نسبة التخميد. وصلت القاعدة المصبوبة من المعادن إلى نسبة 0.042، بينما بقيت نسبة الفولاذ أقل من 0.034.

الشكل 1 نسب التخميد للقواعد الفولاذية والقواعد المصبوبة من المعادن (تم قياسها ضمن نطاق 200–500 هيرتز)

3.4 تحليل مقارن

تحت قوة إثارة مكافئة (300 نيوتن)، خفضت القواعد المصبوبة من المعادن سعة الإزاحة القصوى بنسبة متوسطها 21%.

3.3 استجابة الإزاحة

أشارت الدراسات السابقة [1–2] إلى تحسن بنسبة 15–20% في التخميد للمواد المصبوبة من المعادن. تؤكد النتائج الحالية هذه النتائج وتوسّعها باستخدام نماذج أولية مباشرة، وتبرز باستمرار المزايا الأداء في نطاقات التردد المتوسطة.

4 المناقشة

يُرجع تفوق سلوك التخميد في الصب المعدني بشكل أساسي إلى تركيبته المجهرية المركبة، حيث تقوم الكتل المرتبطة بالبوليمر بتبديد طاقة الاهتزاز من خلال الاحتكاك الداخلي. أما الهياكل الفولاذية الملحومة، فهي على الرغم من كونها أقل كفاءة في التخميد، إلا أنها توفر صلابة هيكلية أعلى، وهو ما يفيد التطبيقات التي تحمل أحمالاً ثقيلة.

قيود:

• لم تُضف التأثيرات الحرارية إلى هذه الدراسة، على الرغم من أنها قد تؤثر على الاستقرار على المدى الطويل.

• تم اختبار تكوين هندسي واحد فقط، مما يحد من إمكانية تعميم النتائج على تصميمات ماكينات أخرى.

الآثار العملية:

• يُوصى باستخدام الصب المعدني في مراكز التشغيل عالية السرعة حيث يُحسّن التخميد الاهتزازي بشكل مباشر من عمر الأداة ونهاية السطح.

• تظل الهياكل الفولاذية الملحومة مناسبة للتطبيقات الحساسة من حيث التكلفة والتي تتضمن أحمال تشغيل ثقيلة.

5 الاستنتاج

أظهرت الاختبارات الكمية أن قواعد الصب المعدني توفر تقليلًا لاهتزاز بنسبة 18–25% مقارنةً بالهياكل الفولاذية الملحومة، وخاصة في نطاق التردد 200–500 هرتز. تبقى للهياكل الفولاذية الملحومة ميزة في الجساءة والتكلفة الإنتاجية الأقل. ينبغي أن تشمل الأبحاث المستقبلية اختبارات الدوران الحراري وهياكل قواعد هجينة لدمج مزايا كلا المواد.