Estructura soldada d'acer vs base de màquina de còpia mineral per a aïllament de vibracions

PFT, Shenzhen

Abstracte

El disseny de la base de la màquina té un paper fonamental en l'estabilització de la precisió d'usinatge en controlar la vibració. Aquest estudi compara les bases d'estructures soldades d'acer i de fosa mineral en termes d'eficiència en l'amortiment de vibracions. Es van desenvolupar models d'elements finits i es va realitzar una prova modal per avaluar la freqüència natural, la relació d'amortiment i la resposta de desplaçament sota càrregues de tall simulades. Els resultats indiquen que les bases de fosa mineral presenten una capacitat d'amortiment 18–25% més elevada que les estructures soldades d'acer, especialment en la gamma de freqüències de 200–500 Hz. Tanmateix, les estructures soldades d'acer mostren avantatges en rigidesa estructural i cost inicial més baix. Aquests resultats proporcionen una evidència quantitativa per a la selecció dels materials de les bases de les màquines segons les prioritats de rendiment.

1 Introducció

Les bases de les màquines són fonamentals per a la estabilitat general del sistema. La vibració que es produeix durant el mecanitzat a alta velocitat afecta directament la precisió dimensional, el desgast de les eines i la qualitat de la superfície. La selecció del material per a l'estructura de la base determina la rigidesa i la capacitat d'amortiment. Tot i que les estructures soldades d'acer s'han adoptat àmpliament per la facilitat de fabricació, les bases de fosa mineral han guanyat atenció per la seva millor capacitat d'amortiment. Aquest article investiga les diferències quantitatives entre aquests dos materials en condicions experimentals controlades.

2 Metodologia de recerca

2.1 Enfocament del disseny

Es van construir dos prototypes de bases amb la mateixa geometria: un amb xapes soldades d'acer i l'altre amb un compost de fosa mineral. Ambdós dissenys van seguir les dimensions estàndard per a bases de màquines eina (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Fonts de dades

• Les propietats dels materials es van obtenir a partir de les fitxes tècniques dels proveïdors i es van verificar mitjançant proves de tracció i compressió.

• Les dades de les proves de vibració es van recopilar a partir d'experiments interns realitzats entre maig i juliol del 2025.

2.3 Eines i Models Experimentals

• Anàlisi d'Elements Finit (FEA): ANSYS 2024 s'utilitzà per modelar les freqüències modals i les distribucions d'esforç.

• Prova Modal: Un martell instrumentat i acceleròmetres (PCB Piezotronics, Model 352C) van enregistrar la resposta dinàmica.

• Processament de senyal: Les funcions de resposta en freqüència es van analitzar amb MATLAB R2024b per extreure les relacions d'amortiment.

Tots els procediments es van repetir tres vegades per garantir la reproductibilitat.

3 Resultats i Anàlisi

3.1 Freqüència Natural

La Taula 1 resumeix les tres primeres freqüències naturals. La soldadura d'acer va mostrar valors lleugerament més alts a causa de la major rigidesa.

Taula 1 Freqüències naturals de les bases d'acer respecte a les de fundició mineral

3.2 Relació d'amortiment

La figura 1 il·lustra la comparació de la relació d'amortiment. La fundició mineral va assolir fins a 0,042, mentre que l'acer es va mantenir per sota de 0,034.

Figura 1 Relacions d'amortiment per a bases d'acer i fundició mineral (mesurades entre 200–500 Hz)

3.3 Resposta de desplaçament

Sota una força d'excitació equivalent (300 N), les bases de fundició mineral van reduir l'amplitud màxima de desplaçament en un 21% de mitjana.

3.4 Anàlisi comparativa

Els estudis existents [1–2] han informat millores de l'amortiment de materials de fundició mineral de l'15–20%. Els resultats actuals confirmen i amplien aquests resultats amb prototips estructurals directes, destacant avantatges de rendiment consistents en les gammes de freqüències mitjanes.

4 Discussió

El comportament superior d'amortiment del mineraloguix es deu principalment a la seva microestructura compòsita, on els agregats units amb polímer dissolen l'energia vibratòria mitjançant el fregament intern. Les soldadures d'acer, tot i ser menys eficients en l'amortiment, ofereixen una rigidesa estructural més elevada, cosa que beneficia les aplicacions amb càrregues pesades.

Limitacions:

• Els efectes tèrmics no s'inclouen en aquest estudi, tot i que poden influir en l'estabilitat a llarg termini.

• Només es va provar una configuració geomètrica, limitant la seva generalització a altres dissenys de màquines.

Implicacions Pràctiques:

• Es recomana el mineraloguix per a centres d'usinatge d'alta velocitat on l'amortiment de vibracions millora directament la vida de l'eina i l'acabat superficial.

• Les soldadures d'acer segueixen sent adequades per a aplicacions amb requisits econòmics i càrregues de tall pesades.

5 Conclusió

Les proves quantitatives han demostrat que les bases de fundició mineral ofereixen un 18–25% millor amortiment de vibracions que les estructures soldades d’acer, especialment en la gamma de 200–500 Hz. Les estructures soldades d’acer mantenen avantatges en rigidesa i menor cost de producció. La recerca futura hauria d’incloure proves de ciclats tèrmics i estructures de base híbrides per combinar els beneficis dels dos materials.