Soldadura de acero vs. base de máquina de fundición mineral para amortiguación de vibraciones

PFT, Shenzhen

Resumen

El diseño de la base de la máquina desempeña un papel crucial para estabilizar la precisión del mecanizado mediante el control de vibraciones. Este estudio compara las bases de acero soldado y de fundición mineral en términos de eficiencia en el amortiguamiento de vibraciones. Se desarrollaron modelos de elementos finitos y se realizaron pruebas modales para evaluar la frecuencia natural, la relación de amortiguamiento y la respuesta de desplazamiento bajo cargas de corte simuladas. Los resultados indican que las bases de fundición mineral exhiben una capacidad de amortiguamiento 18–25% mayor que las de acero soldado, especialmente en el rango de frecuencia de 200–500 Hz. Sin embargo, las estructuras de acero soldado presentan ventajas en rigidez estructural y menor costo inicial. Los hallazgos proporcionan evidencia cuantitativa para la selección de materiales para las bases de las máquinas según las prioridades de rendimiento.

1 introducción

Las bases de las máquinas herramienta son fundamentales para la estabilidad general del sistema. La vibración generada durante el mecanizado a alta velocidad afecta directamente a la precisión dimensional, al desgaste de la herramienta y a la calidad de la superficie. La selección del material para la estructura de la base determina su rigidez y capacidad de amortiguación. Aunque las estructuras soldadas de acero han sido ampliamente utilizadas por su facilidad de fabricación, las bases de fundición mineral han llamado la atención por ofrecer un mejor desempeño en amortiguación. Este artículo investiga las diferencias cuantitativas entre estos dos materiales bajo condiciones experimentales controladas.

2 Método de Investigación

2.1 Enfoque del Diseño

Se construyeron dos bases prototipo con la misma geometría: una fabricada con placas de acero soldadas y otra con un compuesto de fundición mineral. Ambos diseños cumplieron con las dimensiones estándar para bases de máquinas herramienta (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Fuentes de datos

• Las propiedades de los materiales se tomaron de las hojas técnicas de los proveedores y se verificaron mediante ensayos de resistencia a la tracción y a la compresión.

• Los datos de las pruebas de vibración se recopilaron a partir de experimentos internos realizados entre mayo y julio de 2025.

2.3 Herramientas y Modelos Experimentales

• Análisis de Elementos Finitos (FEA): ANSYS 2024 se utilizó para modelar las frecuencias modales y las distribuciones de tensión.

• Pruebas Modales: Un martillo instrumentado y acelerómetros (PCB Piezotronics, Modelo 352C) registraron la respuesta dinámica.

• Procesamiento de señales: Las funciones de respuesta en frecuencia se analizaron con MATLAB R2024b para extraer las relaciones de amortiguamiento.

Todos los procedimientos se repitieron tres veces para garantizar la reproducibilidad.

3 Resultados y Análisis

3.1 Frecuencia Natural

La Tabla 1 resume las tres primeras frecuencias naturales. El ensamblaje soldado de acero mostró valores ligeramente más altos debido a una mayor rigidez.

Tabla 1 Frecuencias naturales de las bases de acero frente a las de fundición mineral

3.2 Relación de Amortiguamiento

La figura 1 ilustra la comparación de la relación de amortiguamiento. La fundición mineral alcanzó hasta 0,042, mientras que el acero se mantuvo por debajo de 0,034.

Figura 1 Relaciones de amortiguamiento para bases de acero y fundición mineral (medido entre 200–500 Hz)

3.4 Análisis Comparativo

Bajo una fuerza de excitación equivalente (300 N), las bases de fundición mineral redujeron la amplitud máxima del desplazamiento en un promedio del 21%.

3.3 Respuesta de Desplazamiento

Estudios existentes [1–2] reportaron mejoras del 15–20% en el amortiguamiento para materiales de fundición mineral. Los resultados actuales confirman y extienden estos hallazgos con prototipos estructurales directos, destacando ventajas consistentes de rendimiento en rangos de frecuencia media.

4 Discusión

El comportamiento de amortiguación superior del mineral fundido se debe principalmente a su microestructura compuesta, donde los agregados unidos con polímero disipan la energía vibratoria a través del rozamiento interno. Las estructuras soldadas de acero, aunque menos eficientes en amortiguación, ofrecen una mayor rigidez estructural, lo cual beneficia aplicaciones con cargas pesadas.

Las limitaciones:

• Los efectos térmicos no se incluyeron en este estudio, aunque podrían influir en la estabilidad a largo plazo.

• Solo se probó una configuración geométrica, lo que limita la generalización a otros diseños de máquinas.

Implicaciones Prácticas:

• El mineral fundido se recomienda para centros de mecanizado de alta velocidad donde la amortiguación de vibraciones mejora directamente la vida útil de la herramienta y el acabado superficial.

• Las estructuras soldadas de acero siguen siendo adecuadas para aplicaciones sensibles al costo con cargas de corte pesadas.

5 Conclusión

Las pruebas cuantitativas demostraron que las bases de fundición mineral ofrecen un 18–25 % mejor amortiguación de vibraciones que las estructuras soldadas de acero, especialmente en el rango de 200–500 Hz. Las estructuras soldadas de acero conservan ventajas en rigidez y menor costo de producción. Las investigaciones futuras deberían incluir pruebas de ciclado térmico y estructuras de base híbridas para combinar las ventajas de ambos materiales.