Conxunto soldado de aceiro vs base de máquina de fundición mineral para amortecemento de vibracións

PFT, Shenzhen

Resumo

O deseño da base da máquina desempeña un papel crucial na estabilización da precisión de mecanizado ao controlar a vibración. Este estudo compara as bases de acero soldado e de fundición mineral en termos de eficiencia no amortecemento de vibracións. Desenvolvéronse modelos de elementos finitos, e realizouse unha proba modal para avaliar a frecuencia natural, a relación de amortecemento e a resposta de desprazamento baixo cargas de corte simuladas. Os resultados indican que as bases de fundición mineral presentan unha capacidade de amortecemento un 18–25% maior que as de acero soldado, especialmente na gama de frecuencias de 200–500 Hz. Non obstante, as estruturas de acero soldado mostran vantaxes na rigidez estrutural e nun menor custo inicial. Os resultados proporcionan evidencia cuantitativa para a selección de materiais para as bases das máquinas en función das prioridades de rendemento.

1 Introdución

As bases das máquinas-ferramenta son fundamentais para a estabilidade xeral do sistema. A vibración que se produce durante o mecanizado a alta velocidade afecta directamente á precisión dimensional, ao desgaste da ferramenta e á calidade da superficie. A selección do material para a estrutura da base determina a rigidez e a capacidade de amortecemento. Aínda que as estruturas soldadas de acero foron amplamente adoptadas debido á facilidade de fabricación, as bases de fundición mineral gañaron atención por ofrecer un mellor rendemento en amortecemento. Este artigo investiga as diferenzas cuantitativas entre estes dous materiais baixo condicións experimentais controladas.

2 Método de Investigación

2.1 Enfoque do deseño

Construíronse dous prototipos de bases coa mesma xeometría: unha con chápas soldadas de acero e outra con material composto de fundición mineral. Ambos os deseños seguen as dimensións estándar para bases de máquinas-ferramenta (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Fontes de datos

• As propiedades dos materiais obtivéronse das fichas técnicas dos fornecedores e verificáronse mediante probas de resistencia á tracción e á compresión.

• Recolléronse datos de probas de vibración a partir de experimentos internos realizados entre maio e xullo do 2025.

2.3 Ferramentas e Modelos Experimentais

• Análise de Elementos Finitos (FEA): Utilizouse ANSYS 2024 para modelar frecuencias modais e distribucións de tensión.

• Probas Modais: Un martelo instrumentado e acelerómetros (PCB Piezotronics, Modelo 352C) rexistraron a resposta dinámica.

• Procesamento de sinal: As funcións de resposta en frecuencia analizaronse con MATLAB R2024b para extraer as relacións de amortecemento.

Repetíronse todos os procedementos tres veces para garantir a reproducibilidade.

3 Resultados e Análise

3.1 Frecuencia Natural

A Táboa 1 resume as tres primeiras frecuencias naturais. O conxunto soldado de aceiro mostrou valores lixeiramente superiores debido a unha maior rigidez.

Táboa 1 Frecuencias naturais de bases de aceiro vs fundición mineral

3.2 Relación de amortecemento

A figura 1 ilustra a comparación da relación de amortecemento. A fundición mineral acadou ata 0,042, mentres que o aceiro permaneceu por debaixo de 0,034.

Figura 1 Relacións de amortecemento para bases de aceiro e fundición mineral (medidas entre 200–500 Hz)

3.3 Resposta de desprazamento

Bajo unha forza de excitación equivalente (300 N), as bases de fundición mineral reduciron a amplitude máxima de desprazamento nun 21% de media.

3.4 Análise comparativa

Os estudos existentes [1–2] informaron melloras do 15–20% no amortecemento para materiais de fundición mineral. Os resultados actuais confirman e amplían estes resultados con prototipos estruturais directos, destacando vantaxes de rendemento consistentes nas gamas de frecuencia media.

4 Discusión

O comportamento de amortecemento superior da fundición mineral debese principalmente á súa microestrutura composta, onde os agregados unidos por polímeros disipan a enerxía vibracional a través do froito interno. As soldaduras de aceiro, aínda que menos eficientes no amortecemento, proporcionan maior rigidez estrutural, o que beneficia as aplicacións de carga pesada.

Limitacións:

• Os efectos térmicos non se incluíron neste estudo, aínda que podan influír na estabilidade a longo prazo.

• Só se probou unha configuración xeométrica, o que limita a súa xeneralización a outros deseños de máquinas.

Implicacións Prácticas:

• Recoméndase a fundición mineral para centros de mecanizado de alta velocidade onde o amortecemento de vibracións mellora directamente a vida da ferramenta e o acabado superficial.

• As soldaduras de aceiro seguen sendo axeitadas para aplicacións con cargas de corte pesadas e sensibles ao custo.

5 Conclusión

As probas cuantitativas demostraron que as bases de fundición mineral proporcionan un 18–25% mellor amortecemento de vibracións que as estruturas soldadas de aceiro, especialmente na faixa de 200–500 Hz. As estruturas soldadas de aceiro conservan vantaxes en rigidez e menor custo de produción. A investigación futura debería incluír probas de ciclaxe térmica e estruturas de base híbridas para combinar os beneficios dos dous materiais.