Teräksinen hitsausrakenne vai mineraalivalu koneen pohjassa värähtelyn vaimennukseen

PFT, Shenzhen

Abstrakti

Koneen perusrakenteen suunnittelu on keskeisessä roolissa koneen tarkkuuden vakauttamisessa värähtelyä hallitsemalla. Tässä tutkimuksessa vertaillaan teräshitsattua ja mineraalivalua käytettäessä värähtelyn vaimennustehokkuutta. Värähtelyominaisuuksia arvioitiin luodaksesi elementtimalleja ja toteuttamalla värähtelytestejä, joilla mitattiin luonnollinen taajuus, vaimennussuhde ja siirtymävaste simuloiduilla leikkuukuormilla. Tulokset osoittavat, että mineraalivalukannoilla on 18–25 % suurempi vaimennuskyky kuin teräshitsatuilla kappaleilla, erityisesti taajuusalueella 200–500 Hz. Teräshitsatut rakenteet ovat kuitenkin rakenteellisesti jäykempiä ja niiden alkuperäiset kustannukset ovat alhaisemmat. Tutkimustulokset tarjoavat kvantitatiivista näyttöä koneenpohjarakenteen materiaalien valinnasta suorituskykyprioriteettien mukaan.

1 johdanto

Koneenrungot ovat perusta koko järjestelmän vakaudelle. Nopeassa työstössä syntyvä värähtely vaikuttaa suoraan mittojen tarkkuuteen, työkalun kulumiseen ja pinnanlaatuun. Rungon materiaalin valinta määrittää jäykkyyden ja vaimennuskyvyn. Vaikka teräshitsaustekniikkaa on yleisesti käytetty sen valmistushelpon vuoksi, mineraattivalurunkoja on alettu käyttää paremman vaimennuskyvyn vuoksi. Tässä artikkelissa tutkitaan näiden kahden materiaalin eroja kontrolloitujen kokeiden kautta.

2 Tutkimusmenetelmä

2.1 Suunnitteluperiaate

Kaksi samanmuotoista prototyypin runkoa valmistettiin: toinen hitsatusta teräslevystä ja toinen mineraattivalukomposiitista. Molemmissa suunnitelmissa noudatettiin standardikoneenrunkojen mittoja (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Tietolähteet

• Materiaalien ominaisuudet perustuivat valmistajan antamiin tietoihin, joita varmistettiin vetolujuus- ja puristuslujuuskokeilla.

• Tärinätestidatan kerääminen tehtiin sisäisistä kokeista, jotka suoritettiin touko–heinäkuussa 2025.

2.3 Kokeelliset työkalut ja mallit

• Elementtimenetelmä (FEA): ANSYS 2024:ää käytettiin mallintamaan värähtelytaajuuksia ja jännitysjakaumia.

• Värähtelytestaus: Säätövasara ja kiihtyvyysanturit (PCB Piezotronics, malli 352C) nauhoittivat dynaamista vastetta.

• Signaalikäsittely: Taajuusvasteiden funktioita analysoitiin MATLAB R2024b:llä erottamaan vaimennussuhteet.

Kaikki toimenpiteet toistettiin kolmesti varmistaakseen toistettavuus.

3 Tulokset ja analyysi

3.1 Luonnollinen taajuus

Taulukko 1 tiivistää kolme ensimmäistä luonnollista taajuutta. Teräshitsaus osoitti hieman korkeampia arvoja suuremman jäykkyyden vuoksi.

Kuva 1 Luonnonvärähtelyt taakse vs mineraalivalujen pohjat

3.2 Vaimennussuhde

Kuva 1 havainnollistaa vaimennussuhteen vertailua. Mineraalivalu saavutti jopa 0,042, kun taas teräs pysyi alle 0,034.

Kuva 1 Teräksen ja mineraalivalujen vaimennussuhteet (mitattu 200–500 Hz:n alueella)

3.4 Siirtymävaste

Vakiintuneella herätteellä (300 N) mineraalivalupohjat vähensivät huippusiirtymäamplitudia keskimäärin 21 %.

3.4 Vertaileva analyysi

Aiemmat tutkimukset [1–2] raportoivat 15–20 %:n parannuksia mineraalivalumateriaalien vaimennuksessa. Nykyiset tulokset vahvistavat ja laajentavat näitä tuloksia suorilla rakenneprototyypeillä, korostaen johdonmukaisia suorituskykyetuja keskitaajuusalueilla.

4 Keskustelu

Mineraalivalun erinomainen vaimennusteho johtuu ensisijaisesti sen komposiittimikrorakenteesta, jossa polymeerillä sidotut aggregaatit hajauttavat värähtelyenergiaa sisäisen kitkan kautta. Teräshitsaukset, vaikka ne olisivatkin vaimennuksessa tehottomampia, tarjoavat korkeamman rakenteellisen jäykkyyden, mikä hyödyttää suurikuormaisia sovelluksia.

Rajoitukset:

• Lämpövaikutukset eivät olleet mukana tässä tutkimuksessa, vaikka niillä saattaa olla vaikutusta pitkäaikaiseen stabiilisuuteen.

• Vain yhtä geometrista konfiguraatiota testattiin, mikä rajoittaa yleistämistä muihin konerakenteisiin.

Käytännön seuraukset:

• Mineraalivalua suositellaan käytettäväksi korkean nopeuden jyrsinkoneistossa, jossa värähtelyjen vaimennus parantaa suoraan työkalujen kesto-ikää ja pinnanlaatua.

• Teräshitsaukset säilyvät soveltuvina kustannusherkkoihin sovelluksiin, joissa on raskaita lastuamiskuormia.

5 Johtopäätös

Määrälliset kokeet osoittivat, että mineraalivalujen pohjarakenteet tarjoavat 18–25 % paremman värähtelyn vaimennuksen kuin teräshitsausten, erityisesti 200–500 Hz taajuusalueella. Teräshitsauksilla on edelleen etuja jäykkyydessä ja alhaisemmassa valmistuskustannuksessa. Tulevan tutkimuksen tulisi sisältää lämpötilan vaihtelukokeita ja hybridipohjarakenteita yhdistämään molempien materiaalien edut.