Acél hegesztett szerkezet vs. ásványi öntvény gépalap rezgéscsillapításra

PFT, Shenzhen

Absztrakt

A gépalap kialakításnak nagy szerepe van a megmunkálási pontosság stabilizálásában a rezgés vezérlésével. Ez a tanulmány az acélszerkezetes és az ásványi öntvény alapok összehasonlítását végzi a rezgéselnyelési hatékonyság szempontjából. Véges elemes modelleket dolgoztak ki, és modális vizsgálatokat végeztek a sajtfrekvencia, a csillapítási arány és az elmozdulás-válasz értékeléséhez szimulált vágóterhelések alatt. Az eredmények azt mutatják, hogy az ásványi öntvény alapok csillapítóképessége 18–25%-kal magasabb, mint az acélszerkezeteké, különösen a 200–500 Hz-es frekvenciatartományban. Ugyanakkor az acélszerkezetes alapoknak vannak előnyei a szerkezeti merevség és az alacsonyabb kezdeti költség szempontjából. A kutatási eredmények mennyiségi alapot nyújtanak a gépalap anyagának kiválasztásához a teljesítményre vonatkozó prioritások függvényében.

1 Bevezetés

A gépi szerszámok alapjai alapvetőek az egész rendszer stabilitásához. A magas sebességű megmunkálás során keletkező rezgés közvetlenül befolyásolja a méretpontosságot, a szerszám kopását és a felület minőségét. Az alap szerkezetéhez használt anyag kiválasztása meghatározza a merevséget és a csillapító képességet egyaránt. Habár az acélhegesztett szerkezeteket a gyártás egyszerűsége miatt eddig széles körben alkalmazták, a mineralöntvény alapok egyre nagyobb figyelmet kapnak a kiváló csillapító képességük miatt. Ez a tanulmány mennyiségi különbségeket vizsgál a két anyag között kontrollált kísérleti körülmények között.

2 Kutatási módszer

2.1 Tervezési módszer

Két azonos geometriájú prototípus alapot építettek: egyet hegesztett acéllemezekből, egyet pedig mineralöntvény kompozitból. Mindkét terv betartotta a szabványos gépi szerszám alap méreteket (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Adatforrások

• Az anyagjellemzőket a gyártók által biztosított adatlapokból vették, majd húzó- és nyomószilárdsági tesztekkel ellenőrizték.

• Rezgési tesztadatokat gyűjtöttek a május–július 2025 között végzett belső kísérletekből.

2.3 Kísérleti eszközök és modellek

• Véges elemes analízis (FEA): Az ANSYS 2024-et használták a módusfrekvenciák és feszültségeloszlás modellezésére.

• Módusvizsgálat: Egy műszeres kalapács és gyorsulásmérők (PCB Piezotronics, Modell 352C) rögzítették a dinamikus választ.

• Jel feldolgozás: A frekvenciaátviteli függvényeket MATLAB R2024b segítségével elemezték a csillapítási arányok kinyeréséhez.

Az összes eljárást háromszor megismételték a reprodukálhatóság biztosítása érdekében.

3 Eredmények és elemzés

3.1 Természetes frekvencia

Az 1. táblázat összefoglalja az első három természetes frekvenciát. A hegesztett acél szerkezet enyhén magasabb értékeket mutatott a nagyobb merevség miatt.

1. táblázat A természetes frekvenciák összehasonlítása acél- és ásványi öntvény alapok között

3.2 Csillapítási arány

Az 1. ábra a csillapítási arányok összehasonlítását szemlélteti. Az ásványi öntvény esetében a csillapítási arány akár 0,042 volt, míg az acélnál ez 0,034 alatt maradt.

1. ábra Az acélhegesztett és ásványi öntvény alapok csillapítási arányai (a mérések 200–500 Hz tartományban készültek)

3.3 Elmozdulási válasz

Egyenértékű gerjesztőerő (300 N) alatt az ásványi öntvény alapok csökkentették az elmozdulás amplitúdójának csúcsértékét átlagosan 21%-kal.

3.4 Összehasonlító elemzés

Korábbi tanulmányok [1–2] 15–20% javulást jelentettek a csillapításban ásványi öntvény anyagok esetében. Jelen vizsgálat megerősíti és kiterjeszti ezeket az eredményeket közvetlen szerkezeti prototípusokkal, kiemelve az állandó teljesítményelőnyöket közepes frekvenciatartományban.

4 Megbeszélés

A mineralöntvény kiváló csillapító viselkedésének elsődleges oka a kompozit mikroszerkezetében rejlik, ahol a polimerhez kötött adalékanyagok a belső súrlódáson keresztül disszipálják a rezgési energiát. Az acélhegesztett szerkezetek bár kevésbé hatékonyak a csillapításban, viszont nagyobb szerkezeti merevséget biztosítanak, ami előnyös nehéz terhelésű alkalmazásoknál.

Korlátozások:

• A termikus hatásokat ebben a vizsgálatban nem vették figyelembe, bár ezek befolyásolhatják a hosszú távú stabilitást.

• Csak egyetlen geometriai konfigurációt teszteltek, ami korlátozza az általánosítást más gépdesignokra.

Gyakorlati következmények:

• A mineralöntvény ajánlott nagy sebességű megmunkáló központokhoz, ahol a rezgés csillapítása közvetlenül javítja az élőrét élettartamát és a felületminőséget.

• Az acélhegesztett szerkezetek továbbra is alkalmasak költségérzékeny alkalmazásokra, ahol nagy vágóterhelések jellemzőek.

5 Következtetés

Mennyiségi vizsgálatok bebizonyították, hogy az ásványi öntvényből készült alaptestek 18–25%-kal jobb rezgéscsillapítást nyújtanak az acélszerkezetekhez képest, különösen a 200–500 Hz-es tartományban. Az acélszerkezetek megőrzik az előnyeiket a merevség és az alacsonyabb gyártási költségek terén. A jövőbeli kutatásoknak termikus ciklusvizsgálatokat és hibrid alapkonstrukciókat kell tartalmazniuk, hogy ötvözni lehessen mindkét anyag előnyeit.