Σύγκριση βάσης μηχανήματος από χαλυβδοκατασκευή και από ορυκτό χυτό για την απόσβεση ταλαντώσεων

PFT, Shenzhen

Περίληψη

Η βασική κατασκευή της μηχανής παίζει σημαντικό ρόλο στη σταθεροποίηση της ακρίβειας κοπής μέσω του ελέγχου των κραδασμών. Η παρούσα μελέτη συγκρίνει βάσεις από χαλυβδοκατασκευή και από ορυκτό χυτό ως προς την αποτελεσματικότητα απόσβεσης κραδασμών. Αναπτύχθηκαν πρότυπα πεπερασμένων στοιχείων και πραγματοποιήθηκαν δοκιμές για να αξιολογηθεί η φυσική συχνότητα, ο λόγος απόσβεσης και η απόκριση μετατόπισης υπό προσομοιωμένα φορτία κοπής. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι βάσεις από ορυκτό χυτό παρουσιάζουν 18–25% υψηλότερη ικανότητα απόσβεσης σε σχέση με τις χαλυβδοκατασκευές, ιδιαίτερα στην περιοχή συχνοτήτων 200–500 Hz. Ωστόσο, οι χαλυβδοκατασκευές παρουσιάζουν πλεονεκτήματα όσον αφορά την κατασκευαστική δυσκαμψία και το χαμηλότερο αρχικό κόστος. Τα ευρήματα παρέχουν ποσοτικά στοιχεία για την επιλογή των υλικών βάσης της μηχανής με βάση τις προτεραιότητες απόδοσης.

1 εισαγωγή

Οι βάσεις εργαλειομηχανών είναι απαραίτητες για τη συνολική σταθερότητα του συστήματος. Η ταλάντωση που προκύπτει κατά τη διάρκεια της κοπής με υψηλή ταχύτητα επηρεάζει άμεσα τη διαστασιακή ακρίβεια, τη φθορά της κοπτικής ακμής και την ποιότητα της επιφάνειας. Η επιλογή του υλικού για την κατασκευή της βάσης καθορίζει τόσο τη δυσκαμψία όσο και τη δυνατότητα απόσβεσης. Ενώ οι συγκολλητές κατασκευές από χάλυβα έχουν εδραιωθεί ευρέως λόγω της ευκολίας κατασκευής, οι βάσεις από ορυκτά ρητίνης έχουν κερδίσει έδαφος λόγω της ανωτερότερης αποσβεστικής απόδοσης. Αυτή η εργασία εξετάζει ποσοτικές διαφορές μεταξύ των δύο υλικών υπό ελεγχόμενες πειραματικές συνθήκες.

2 Μέθοδος Έρευνας

2.1 Προσέγγιση Σχεδιασμού

Κατασκευάστηκαν δύο πρωτότυπες βάσεις πανομοιότυπης γεωμετρίας: η μία από συγκολλητές πλάκες χάλυβα και η άλλη από σύνθετο υλικό ορυκτών ρητινών. Και τα δύο σχέδια συμμορφώθηκαν με τις πρότυπες διαστάσεις βάσεων εργαλειομηχανών (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Πηγές Δεδομένων

• Οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών προέρχονταν από τα φυλλάδια προδιαγραφών των προμηθευτών και επιβεβαιώθηκαν μέσω δοκιμών εφελκυσμού και θλίψης.

• Τα δεδομένα δοκιμών κραδασμών συλλέχθηκαν από εσωτερικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μεταξύ Μαΐου–Ιουλίου 2025.

2.3 Πειραματικά Εργαλεία και Μοντέλα

• Ανάλυση Πεπερασμένων Στοιχείων (FEA): Το ANSYS 2024 χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση των ιδιοσυχνοτήτων και των κατανομών τάσης.

• Δοκιμές Ιδιοσυχνότητας: Ένας εργαλειοποιημένος σφυρί και επιταχυνσιομετρικοί αισθητήρες (PCB Piezotronics, Μοντέλο 352C) κατέγραψαν τη δυναμική απόκριση.

• Επεξεργασία σήματος: Οι συναρτήσεις απόκρισης συχνότητας αναλύθηκαν με MATLAB R2024b για την εξαγωγή των λόγων απόσβεσης.

Όλες οι διαδικασίες επαναλήφθηκαν τρεις φορές για να εξασφαλιστεί η αναπαραγωγιμότητα.

3 Αποτελέσματα και Ανάλυση

3.1 Ιδιοσυχνότητα

Ο Πίνακας 1 περιλαμβάνει τις πρώτες τρεις ιδιοσυχνότητες. Το χαλύβδινο συγκολλημένο πλαίσιο παρουσίασε ελαφρώς υψηλότερες τιμές λόγω μεγαλύτερης δυσκαμψίας.

Πίνακας 1 Φυσικές συχνότητες βάσεων από χάλυβα και από ορυκτό χυτό

3.2 Λόγος απόσβεσης

Στο Σχήμα 1 φαίνεται η σύγκριση του λόγου απόσβεσης. Το ορυκτό χυτό έφτασε μέχρι 0,042, ενώ ο χάλυβας παρέμεινε κάτω από 0,034.

Σχήμα 1 Λόγοι απόσβεσης για βάσεις από χάλυβα και ορυκτό χυτό (μετρήθηκαν στην περιοχή 200–500 Hz)

3.3 Απόκριση μετατόπισης

Υπό ισοδύναμη δύναμη διέγερσης (300 N), οι βάσεις από ορυκτό χυτό μείωσαν το μέσο πλάτος της κορυφαίας μετατόπισης κατά 21%.

3.4 Συγκριτική ανάλυση

Υπάρχοντα έρευνα [1–2] ανέφεραν βελτίωση απόσβεσης στα υλικά ορυκτού χυτού κατά 15–20%. Τα παρόντα ευρήματα επιβεβαιώνουν και επεκτείνουν αυτά τα αποτελέσματα με άμεσα πρωτότυπα στοιχεία, τονίζοντας τις συνεπείς επιδόσεις στις μεσαίες συχνότητες.

4 Συζήτηση

Η ανωτερότητα στην απόσβεση των μεταλλικών εκχυτών οφείλεται κυρίως στη σύνθετη μικροδομή τους, όπου τα συνδεδεμένα με πολυμερή υλικά απορροφούν την κραδασμική ενέργεια μέσω εσωτερικής τριβής. Οι χαλυβδοκατασκευές, παρότι λιγότερο αποτελεσματικές στην απόσβεση, παρέχουν μεγαλύτερη δομική δυσκαμψία, κάτι που ευνοεί εφαρμογές με βαριά φορτία.

Περιορισμοί:

• Οι θερμικές επιδράσεις δεν συμπεριλήφθηκαν στην παρούσα μελέτη, παρότι μπορεί να επηρεάζουν τη μακροχρόνια σταθερότητα.

• Δοκιμάστηκε μόνο μία γεωμετρική διαμόρφωση, κάτι που περιορίζει τη δυνατότητα γενίκευσης σε άλλους σχεδιασμούς μηχανημάτων.

Πρακτικές Επιπτώσεις:

• Οι μεταλλικοί εκχυτοί συνιστώνται για κέντρα υψηλής ταχύτητας κοπής όπου η απόσβεση των κραδασμών βελτιώνει άμεσα τη διάρκεια ζωής του εργαλείου και την ποιότητα της επιφανειακής κατεργασίας.

• Οι χαλυβδοκατασκευές παραμένουν κατάλληλες για εφαρμογές ευαίσθητες στο κόστος με βαριά φορτία κοπής.

5 Συμπεράσματα

Η ποσοτική δοκιμή έδειξε ότι οι βάσεις από χυτό ορυκτό παρέχουν 18–25% καλύτερη απόσβεση κραδασμών σε σχέση με τις βάσεις από χαλυβδοκατασκευή, ιδιαίτερα στην περιοχή συχνοτήτων 200–500 Hz. Οι βάσεις από χαλυβδοκατασκευή διατηρούν πλεονεκτήματα όσον αφορά την ακαμψία και το χαμηλότερο κόστος παραγωγής. Μελλοντικές έρευνες θα πρέπει να περιλαμβάνουν δοκιμές θερμικής κυκλικής μεταβολής και υβριδικές δομές βάσεων, ώστε να συνδυαστούν τα πλεονεκτήματα και των δύο υλικών.