Стоманени заваръчни конструкции срещу машинни основи от минерален камък за гасене на вибрации

PFT, Шенджън

Абстрактно

Проектирането на машинната основа играе ключова роля за стабилизиране на точността при обработката чрез контрол на вибрациите. В това проучване се сравняват основи от стоманени заваръчни конструкции и минерални отливки по отношение на ефективността на вибрационното затихване. Разработени са модели с метода на крайните елементи и проведени са модални изпитвания за оценка на собствената честота, коефициента на затихване и отговора на преместване при симулирани режещи натоварвания. Резултатите показват, че основите от минерални отливки проявяват 18–25% по-голяма способност за затихване в сравнение със стоманените заваръчни конструкции, особено в честотния диапазон 200–500 Hz. Въпреки това, стоманените заваръчни конструкции имат предимства в отношение на структурната твърдост и по-ниската първоначална цена. Получените данни предоставят количествени доказателства за избора на материали за машинни основи в съответствие с приоритетите на производителността.

1 Въведение

Основите на машинните инструменти са основни за общата стабилност на системата. Вибрациите, възникващи по време на обработка с висока скорост, директно влияят на размерната точност, износването на инструмента и качеството на повърхността. Изборът на материал за основната конструкция определя твърдостта и способността за гасене на вибрации. Въпреки че заварените конструкции от стомана са широко използвани поради лесната технологичност, основите от минерален композит са привлекли внимание поради по-доброто гасене на вибрации. Тази статия изследва количествените разлики между тези два материала при контролирани експериментални условия.

2 Изследователски метод

2.1 Методология на проектирането

Бяха изработени два прототипни бази с еднаква геометрия: една от заварени стоманени плочи и една от минерален композит. И двете конструкции съответстваха на стандартни размери на основи на машинни инструменти (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Източници на данни

• Материалните свойства са взети от техническите спецификации на доставчика и са потвърдени чрез тестове за опън и натиск.

• Данни от тестове за вибрации бяха събрани от вътрешни експерименти, проведени между май и юли 2025 г.

2.3 Експериментални инструменти и модели

• Анализ чрез метод на крайните елементи (FEA): ANSYS 2024 беше използван за моделиране на модални честоти и разпределение на напреженията.

• Модално тестване: Хамер с инструменти и акселерометри (PCB Piezotronics, Model 352C) записаха динамичния отговор.

• Обработка на сигнали: Функциите на честотния отговор бяха анализирани с MATLAB R2024b, за да се извлекат коефициентите на затихване.

Всички процедури бяха повторени три пъти, за да се осигури възпроизводимост.

3 Резултати и анализ

3.1 Собствена честота

Таблица 1 обобщава първите три собствени честоти. Заварената стоманена конструкция показа леко по-високи стойности поради по-голяма твърдост.

Таблица 1 Естествени честоти на стоманени срещу минерални основи

3.2 Коефициент на затихване

Фигура 1 илюстрира сравнението на коефициентите на затихване. Минералният литей постигна до 0.042, докато стоманата остана под 0.034.

Фигура 1 Коефициенти на затихване за стоманени и минерални основи (измерени в диапазона 200–500 Hz)

3.3 Отговор на преместване

При еквивалентна възбуждаща сила (300 N), основите от минерален литей намалиха амплитудата на пиковото преместване със средно 21%.

3.4 Сравнителен анализ

Съществуващи изследвания [1–2] съобщиха за 15–20% подобрения в затихването за минерални литейни материали. Настоящите резултати потвърждават и разширяват тези данни чрез директни структурни прототипи, като се подчертават последователни предимства в средните честотни диапазони.

4 Дискусия

Превъзходното гасене на трептенията при минералната отливка се дължи предимно на нейната композитна микроструктура, където агрегатите, свързани с полимер, разсейват вибрационната енергия чрез вътрешно триене. Стальните конструкции, въпреки че по-малко ефективни в гасенето, осигуряват по-голяма структурна твърдост, което е предимство за приложения с тежки натоварвания.

Ограничения:

• Термичните ефекти не са включени в този преглед, въпреки че те могат да повлияят на дългосрочната стабилност.

• Тествана е само една геометрична конфигурация, което ограничава прилагането ѝ върху други машинни конструкции.

Практически приложения:

• Минералната отливка се препоръчва за центрове за високоскоростна обработка, където гасенето на вибрациите директно подобрява износа на инструментите и качеството на обработената повърхност.

• Сталните конструкции остават подходящи за приложения, чувствителни към разходите, при тежки режещи натоварвания.

5 Заключение

Количествени изпитвания показаха, че основите от минерален леен камък осигуряват 18–25% по-добро поглъщане на вибрациите в сравнение със стоманени заварени конструкции, особено в диапазона 200–500 Hz. Стоманените заварени конструкции запазват предимствата си по отношение на твърдост и по-ниска производствена цена. В бъдеще е необходимо изследване, включващо тестове с термично циклиране и хибридни основни конструкции, за да се комбинират предимствата на двата материала.