Stålsvetsning vs. mineralstøbt maskinebase til vibrationsdæmpning

PFT, Shenzhen

Abstrakt

Maskinens basisdesign spiller en afgørende rolle for at stabilisere bearbejdningsnøjagtighed ved at kontrollere vibrationer. Denne undersøgelse sammenligner stålsvetsede og mineralstøbte baser med hensyn til effektivitet i dæmpning af vibrationer. Finit-element-modeller blev udviklet, og modale tests blev udført for at evaluere naturlige frekvenser, dæmpningsforhold og forskydningsresponser under simulerede skærebelastninger. Resultaterne viser, at mineralstøbte baser udviser 18–25 % højere dæmpningsevne end stålsvetsede konstruktioner, især i frekvensområdet 200–500 Hz. Stålsvetsede konstruktioner viser dog fordele med hensyn til strukturel stivhed og lavere oprindelig pris. Fundene giver kvantitativ dokumentation for valg af materialer til maskinebaser i henhold til præstationsprioriteter.

1 indledning

Værktøjsmaskiners baser er afgørende for hele systemets stabilitet. Vibrationer, der opstår under højhastighedsskæring, påvirker direkte dimensionel præcision, værktøjs slid og overfladekvalitet. Valg af materialer til basen bestemmer både stivhed og dæmpningsevne. Selvom stålkonstruktioner har været bredt anvendte på grund af let tilvirking, har mineralstøbte baser fået opmærksomhed for deres overlegne dæmpningsevne. Denne artikel undersøger de kvantitative forskelle mellem disse to materialer under kontrollerede eksperimentelle forhold.

2 Forskningsmetode

2.1 Designmetode

To prototypebaser med identisk geometri blev konstrueret: én af svejste stålplader og én af mineralstøbt komposit. Begge designs overholdt standardmæssige dimensioner for værktøjsmaskinebaser (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Datakilder

• Materialeegenskaber blev hentet fra leverandørers datablade og verificeret ved trækt og trykforsøg.

• Vibrationsdata blev indsamlet fra interne eksperimenter udført i perioden maj–juli 2025.

2.3 Eksperimentelle værktøjer og modeller

• Finit element analyse (FEA): ANSYS 2024 blev brugt til at modellere modalfrekvenser og spændingsfordelinger.

• Modale tests: En instrumenteret hammer og accelerometre (PCB Piezotronics, Model 352C) registrerede dynamisk respons.

• Signalbehandling: Frekvensresponsfunktioner blev analyseret med MATLAB R2024b for at udtrække dæmpningsforhold.

Alle procedurer blev gentaget tre gange for at sikre reproducerbarhed.

3 Resultater og Analyse

3.1 Naturlig frekvens

Tabel 1 opsummerer de tre første naturlige frekvenser. Stålkonstruktionen viste let højere værdier på grund af større stivhed.

Tabel 1 Naturlige frekvenser for stål vs. mineralstøbte baser

3.2 Dæmpningsforhold

Figur 1 illustrerer sammenligningen af dæmpningsforhold. Mineralstøbning opnåede op til 0,042, mens stål forblev under 0,034.

Figur 1 Dæmpningsforhold for stål- og mineralstøbte baser (målt i intervallet 200–500 Hz)

3.3 Udførselsrespons

Ved ækvivalent udfordrende kraft (300 N) reducerede mineralstøbte baser den maksimale udførselsamplitude med gennemsnitligt 21%.

3.4 Sammenlignende analyse

Eksisterende studier [1–2] rapporterede 15–20 % forbedringer i dæmpning for mineralstøbte materialer. De nuværende resultater bekræfter og udvider disse fund med direkte strukturelle prototyper og fremhæver konsekvente ydelsesfordele i midterfrekvensområderne.

4 Diskussion

Den overlegne dæmpningsevne af mineralstøb skyldes primært dets sammensatte mikrostruktur, hvor polymerbundne aggregater omsætter vibrerende energi gennem intern friktion. Stålsvejsninger, selvom de er mindre effektive i dæmpning, leverer højere strukturel stivhed, hvilket gør dem fordelagtige i anvendelser med tung belastning.

Begrænsninger:

• Termiske effekter blev ikke inkluderet i denne undersøgelse, selvom de kan påvirke langtidsholdbarheden.

• Kun én geometrisk konfiguration blev testet, hvilket begrænser generaliseringen til andre maskinkonstruktioner.

Praktiske implikationer:

• Mineralstøb anbefales til højhastighedsmaskincenter, hvor vibrationsdæmpning direkte forbedrer værktøjets levetid og overfladebehandling.

• Stålsvejsninger er stadig velegnede til omkostningsfølsomme anvendelser med tung belastning.

5 Konklusion

Kvantitative tests viste, at mineralstøbte baser giver 18–25 % bedre vibrationsdæmpning end stålkonstruktioner, især i frekvensområdet 200–500 Hz. Stålkonstruktioner bevarer fordelene i stivhed og lavere produktionsomkostninger. Fremtidig forskning bør omfatte termiske cyklustests og hybridbasekonstruktioner for at kombinere fordelene ved begge materialer.