Svařená ocelová konstrukce vs. lože z minerálního lití pro tlumení vibrací

PFT, Shenzhen

Abstraktní

Návrh základu stroje hraje klíčovou roli při stabilizaci přesnosti obrábění prostřednictvím kontroly vibrací. Tato studie srovnává základy z ocelové svařence a minerálního litu z hlediska účinnosti tlumení vibrací. Byly vyvinuty modely metodou konečných prvků a provedeno modální testování za účelem vyhodnocení vlastní frekvence, poměru tlumení a odezvy posunutí při simulovaných řezných zatíženích. Výsledky ukazují, že základy z minerálního litu vykazují o 18–25 % vyšší tlumicí kapacitu než ocelové svařence, zejména v frekvenčním rozsahu 200–500 Hz. Ocelové svařence však vykazují výhody z hlediska tuhosti konstrukce a nižší pořizovací náklady. Výsledky poskytují kvantitativní důkazy pro výběr materiálů pro základy strojů v závislosti na prioritách výkonu.

1 Úvod

Základy obráběcích strojů jsou zásadní pro celkovou stabilitu systému. Vibrace vznikající při obrábění vysokou rychlostí přímo ovlivňují rozměrovou přesnost, opotřebení nástroje a kvalitu povrchu. Výběr materiálu pro konstrukci základny určuje tuhost i schopnost tlumení. Svařované konstrukce ze ocelových plechů jsou široce využívány díky snadné výrobě, ale základy z minerálního kompozitu získávají pozornost pro výborné vlastnosti tlumení. Tato práce zkoumá kvantitativní rozdíly mezi těmito dvěma materiály za kontrolovaných experimentálních podmínek.

2 Výzkumná metoda

2.1 Návrhový postup

Byly vyrobeny dva prototypy základen se stejnou geometrií: jedna ze svařovaných ocelových plechů a jedna z kompozitu na bázi minerálů. Obě konstrukce odpovídaly běžným rozměrům základen obráběcích strojů (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Zdroje dat

• Mechanické vlastnosti materiálů byly převzaty z datových listů výrobce a ověřeny pomocí tahových a tlakových zkoušek.

• Data z vibračních testů byla získána z vlastních experimentů provedených v květnu až červenci 2025.

2.3 Experimentální nástroje a modely

• Metoda konečných prvků (FEA): Program ANSYS 2024 byl použit k modelování modálních frekvencí a rozložení napětí.

• Modální testování: Záznam dynamické odezvy byl proveden pomocí vybaveného kladívka a akcelerometrů (PCB Piezotronics, model 352C).

• Zpracování signálu: Funkce frekvenční odezvy byly analyzovány v MATLABU R2024b za účelem získání tlumení.

Všechny postupy byly opakovány třikrát, aby byla zajištěna reprodukovatelnost.

3 Výsledky a analýza

3.1 Vlastní frekvence

Tabulka 1 shrnuje první tři vlastní frekvence. Ocelový svařenec vykazoval mírně vyšší hodnoty v důsledku větší tuhosti.

Tabulka 1 Přirozené frekvence základů ze oceli vs. minerálního litu

3.2 Součinitel útlumu

Obrázek 1 znázorňuje srovnání součinitele útlumu. Minerální litina dosáhla hodnoty až 0,042, zatímco ocel zůstala pod 0,034.

Obrázek 1 Součinitelé útlumu pro ocelové a minerálnělitinové základy (měřeno v rozsahu 200–500 Hz)

3.3 Odezva posuvu

Při stejné budicí síle (300 N) minerálnělitinové základy snížily amplitudu špičkového posuvu průměrně o 21 %.

3.4 Porovnávací analýza

Stávající studie [1–2] uvádějí 15–20% zlepšení útlumu u materiálů z minerálního litu. Tato práce potvrzuje a rozšiřuje tyto výsledky pomocí přímých strukturálních prototypů a zdůrazňuje stálé výkonové výhody v oblasti středních frekvencí.

4 Diskuze

Vynikající tlumení kmitů u minerálního lití je především díky jeho kompozitní mikrostruktuře, kde polymerem vázané agregáty rozptýlí vibrační energii prostřednictvím vnitřního tření. Svařované konstrukce z oceli, i když méně účinné v tlumení, poskytují vyšší tuhost konstrukce, což je výhodné pro aplikace s vysokým zatížením.

Omezení:

• Tepelné účinky nebyly zahrnuty do této studie, i když mohou ovlivnit dlouhodobou stabilitu.

• Byla testována pouze jedna geometrická konfigurace, což omezuje možnost zobecnění na jiné konstrukce strojů.

Praktické dopady:

• Minerální lití se doporučuje pro obráběcí centra s vysokou rychlostí, kde tlumení kmitů přímo prodlužuje trvanlivost nástrojů a zlepšuje kvalitu povrchu.

• Svařované konstrukce z oceli zůstávají vhodné pro nákladově citlivé aplikace s vysokým řezným zatížením.

5 Závěr

Kvantitativní testování prokázalo, že základy z minerálního lití mají o 18–25 % lepší tlumení vibrací než ocelové svařence, zejména v rozsahu 200–500 Hz. Ocelové svařence si zachovávají výhody ve smyslu tuhosti a nižších výrobních nákladů. Budoucí výzkum by měl zahrnovat testy tepelného cyklování a hybridní konstrukce základů, aby byly zkombinovány výhody obou materiálů.