Čelična zavarivanja naspram baze stroja od mineralnog liva za prigušenje vibracija

PFT, Shenzhen

Apstraktno

Konstrukcija baze stroja igra ključnu ulogu u stabilizaciji točnosti obrade kontroliranjem vibracija. Ova studija uspoređuje baze od čeličnih zavarivanja i mineralnih uljeva s obzirom na učinkovitost prigušivanja vibracija. Razvijeni su modeli konačnih elemenata, a provedeno je i modalno testiranje za procjenu prirodne frekvencije, faktora prigušenja i odziva pomaka pod simuliranim silezima rezanja. Rezultati pokazuju da baze od mineralnih uljeva imaju 18–25% veću sposobnost prigušenja u odnosu na čelična zavarivanja, posebno u frekvencijskom području od 200–500 Hz. Međutim, čelična zavarivanja pokazuju prednosti u smislu krutosti konstrukcije i niže početne cijene. Dobiveni rezultati pružaju kvantitativne dokaze za odabir materijala baza strojeva u skladu s prioritetima performansi.

1 Uvod

Baze alatnih strojeva ključne su za ukupnu stabilnost sustava. Vibracije koje nastaju tijekom obrade na visokoj brzini izravno utječu na dimenzionalnu točnost, trošenje alata i kvalitetu površine. Odabir materijala za konstrukciju baze određuje krutost i sposobnost prigušivanja. Iako su čelične zavarane konstrukcije široko prihvaćene zbog jednostavnosti izrade, baze od mineralnog lijevka dobivaju pažnju zbog boljih performansi prigušivanja. Ovaj rad istražuje kvantitativne razlike između ta dva materijala u kontroliranim eksperimentalnim uvjetima.

2 Metode istraživanja

2.1 Metodologija dizajna

Izrađena su dva prototipska nosača identične geometrije: jedan od zavaranih čeličnih ploča, a drugi od kompozitnog materijala na bazi mineralnog lijevka. Oba dizajna pridržavala su se standardnih dimenzija baza alatnih strojeva (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Izvori podataka

• Svojstva materijala preuzeta su iz tehničkih listova dobavljača i potvrđena testovima vlačne i tlačne čvrstoće.

• Podaci o vibracijama prikupljeni su iz vlastitih eksperimenata provedenih svibanj–srpanj 2025.

2.3 Eksperimentalni alati i modeli

• Analiza konačnih elemenata (FEA): ANSYS 2024. korišten je za modeliranje modalnih frekvencija i raspodjele naprezanja.

• Modalno testiranje: Instrumentirani čekić i akcelerometri (PCB Piezotronics, Model 352C) zabilježili su dinamički odziv.

• Obrada signala: Funkcije frekvencijskog odziva analizirane su programom MATLAB R2024b kako bi se izvukli faktori prigušenja.

Svi postupci ponovljeni su tri puta kako bi se osigurala reproducibilnost.

3 Rezultati i analiza

3.1 Prirodna frekvencija

Tablica 1. sažima prve tri prirodne frekvencije. Čelična zavarivačka konstrukcija pokazala je nešto više vrijednosti zbog veće krutosti.

Tablica 1 Prirodne frekvencije čeličnih i baza od mineralnog lijeva

3.2 Omjer prigušenja

Slika 1 prikazuje usporedbu omjera prigušenja. Mineralni lijev postizao je do 0,042, dok je čelik ostao ispod 0,034.

Slika 1 Omjeri prigušenja za čelične i baze od mineralnog lijeva (izmjereno u rasponu 200–500 Hz)

3.3 Odziv pomaka

Pod jednakom pobudnom silom (300 N), baze od mineralnog lijeva smanjile su amplitudu vršnog pomaka u prosjeku za 21%.

3.4 Usporedna analiza

Postojeće studije [1–2] prijavile su poboljšanje prigušenja kod mineralnog lijeva od 15–20%. Trenutni rezultati potvrđuju i proširuju te nalaze izravnim strukturnim prototipima, ističući dosljedne prednosti u rasponu srednjih frekvencija.

4 Rasprava

Nadmoćno prigušivanje vibracija mineralnog lijeva prije svega se pripisuje njegovoj kompozitnoj mikrostrukturi, pri čemu agregati vezani polimerom rasipaju vibracijsku energiju kroz unutarnje trenje. Čelični zavari, iako manje učinkoviti u prigušivanju, pružaju veću strukturnu krutost, što je korisno za primjene s teškim opterećenjima.

Ograničenja:

• Toplinski efekti nisu uključeni u ovu studiju, iako mogu utjecati na dugoročnu stabilnost.

• Testirana je samo jedna geometrijska konfiguracija, čime je opća primjenjivost ograničena na druge konstrukcije strojeva.

Praktične implikacije:

• Mineralni lijev preporučuje se za središta brzog rezanja gdje prigušivanje vibracija izravno produljuje vijek trajanja alata i poboljšava kvalitetu površine.

• Čelični zavari ostaju prikladni za primjene osjetljive na troškove s teškim reznom opterećenjem.

5 Zaključak

Kvantitativna ispitivanja su pokazala da baze od mineralnog lijeva pružaju 18–25% bolje prigušenje vibracija u odnosu na čelične zavarivanje, posebno u rasponu od 200–500 Hz. Čelična zavarivanja zadržavaju prednosti u krutosti i nižoj proizvodnoj cijeni. Buduća istraživanja trebaju uključiti testove termalnog cikliranja i hibridne baze kako bi se kombinirale prednosti oba materijala.