Stahl-Schweißkonstruktion vs. Mineralguss-Maschinenbasis zur Schwingungsdämpfung

PFT, Shenzhen

Abstrakt

Das Maschinenbasendesign spielt eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung der Bearbeitungsgenauigkeit durch Vibrationkontrolle. In dieser Studie werden Stahl-Schweißkonstruktionen und Mineralguss-Basen hinsichtlich ihrer Schwingungsdämpfungseffizienz verglichen. Es wurden Finite-Elemente-Modelle erstellt und Modaltests durchgeführt, um die Eigenfrequenz, das Dämpfungsverhältnis und die Verschiebungsbewegung unter simulierten Schneidbelastungen zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass Mineralguss-Basen eine um 18–25 % höhere Dämpfungskapazität aufweisen als Stahl-Schweißkonstruktionen, insbesondere im Frequenzbereich von 200–500 Hz. Stahl-Schweißkonstruktionen weisen jedoch Vorteile in Bezug auf strukturelle Steifigkeit und geringere Anschaffungskosten auf. Die Erkenntnisse liefern quantitative Belege für die Auswahl von Maschinenbasenmaterialien entsprechend den jeweiligen Leistungsschwerpunkten.

1 Einführung

Werkzeugmaschinenbasen sind grundlegend für die Gesamtstabilität des Systems. Während der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung auftretende Vibrationen wirken sich direkt auf die Maßgenauigkeit, den Werkzeugverschleiß und die Oberflächenqualität aus. Die Werkstoffauswahl für die Basisstruktur bestimmt sowohl die Steifigkeit als auch die Dämpfungsfähigkeit. Während Schweißkonstruktionen aus Stahl aufgrund der einfachen Fertigung weit verbreitet sind, haben Basen aus Mineralguss aufgrund ihrer überlegenen Dämpfungseigenschaften an Aufmerksamkeit gewonnen. In diesem Beitrag werden quantitative Unterschiede zwischen diesen beiden Werkstoffen unter kontrollierten Versuchsbedingungen untersucht.

2 Forschungsmethode

2.1 Entwurfsansatz

Zwei Prototypbasen gleicher Geometrie wurden hergestellt: eine aus geschweißten Stahlplatten und eine aus Mineralguss-Verbundwerkstoff. Beide Designs entsprachen den Standardabmessungen von Werkzeugmaschinenbasen (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Datenquellen

• Die Werkstoffeigenschaften wurden aus Lieferantendatenblättern entnommen und durch Zug- und Druckfestigkeitstests verifiziert.

• Schwingungstestdaten wurden aus internen Experimenten zwischen Mai und Juli 2025 erhoben.

2.3 Experimentelle Werkzeuge und Modelle

• Finite-Elemente-Analyse (FEA): ANSYS 2024 wurde verwendet, um Modalfrequenzen und Spannungsverteilungen zu modellieren.

• Modalanalyse: Ein instrumentierter Hammer und Beschleunigungsaufnehmer (PCB Piezotronics, Modell 352C) zeichneten die dynamische Antwort auf.

• Signalverarbeitung: Frequenzgangfunktionen wurden mit MATLAB R2024b analysiert, um Dämpfungsverhältnisse zu extrahieren.

Alle Verfahren wurden dreimal wiederholt, um Reproduzierbarkeit sicherzustellen.

3 Ergebnisse und Analyse

3.1 Eigenfrequenz

Tabelle 1 fasst die ersten drei Eigenfrequenzen zusammen. Das Stahlschweißkonstrukt zeigte aufgrund der höheren Steifigkeit leicht höhere Werte.

Tabelle 1 Natürliche Frequenzen von Stahl- gegenüber Mineralgussbasen

3.2 Dämpfungsverhältnis

Abbildung 1 zeigt den Vergleich des Dämpfungsverhältnisses. Mineralguss erreichte bis zu 0,042, während Stahl unterhalb von 0,034 blieb.

Abbildung 1 Dämpfungsverhältnisse für Stahl- und Mineralgussbasen (gemessen im Bereich von 200–500 Hz)

3.3 Verschiebungsreaktion

Bei äquivalenter Anregungskraft (300 N) reduzierten Basen aus Mineralguss die maximale Verschiebungsamplitude im Durchschnitt um 21 %.

3.4 Vergleichende Analyse

Bereits veröffentlichte Studien [1–2] berichteten von 15–20 % Verbesserungen bei der Dämpfung durch Mineralgussmaterialien. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen und erweitern diese Befunde mit direkten Strukturprototypen und zeigen dabei konsistente Leistungsvorteile im mittleren Frequenzbereich.

4 Diskussion

Das überlegene Dämpfungsverhalten von Mineralguss lässt sich hauptsächlich auf seine Verbundmikrostruktur zurückführen, bei der polymergebundene Aggregate Vibrationsenergie durch innere Reibung dissipieren. Stahlschweißkonstruktionen, obwohl weniger effizient in der Dämpfung, bieten eine höhere strukturelle Steifigkeit, was Anwendungen mit hohem Lastniveau zugutekommt.

Einschränkungen:

• Thermische Effekte wurden in diese Studie nicht einbezogen, obwohl sie die langfristige Stabilität beeinflussen könnten.

• Nur eine geometrische Konfiguration wurde getestet, wodurch die Verallgemeinerung auf andere Maschinendesigns eingeschränkt ist.

Praktische Implikationen:

• Mineralguss wird für Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentren empfohlen, bei denen eine effektive Schwingungsdämpfung direkt die Werkzeuglebensdauer und Oberflächenqualität verbessert.

• Stahlschweißkonstruktionen bleiben für kostensensitive Anwendungen mit hohen Zerspanungslasten geeignet.

5 Fazit

Quantitative Tests zeigten, dass Mineralguss-Basen eine um 18–25 % bessere Schwingungsdämpfung bieten als Stahlschweißkonstruktionen, insbesondere im Frequenzbereich von 200–500 Hz. Stahlschweißkonstruktionen behalten Vorteile bei Steifigkeit und geringeren Herstellungskosten. Zukünftige Forschungen sollten thermische Wechsellagerungstests und Hybrid-Basiskonstruktionen beinhalten, um die Vorteile beider Materialien zu kombinieren.