Fusione d'acciaio contro basamento in calcestruzzo minerale per l'attenuazione delle vibrazioni

PFT, Shenzhen

Riassunto

La progettazione della base della macchina svolge un ruolo fondamentale nel stabilizzare la precisione di lavorazione, controllando le vibrazioni. Questo studio confronta le basi in acciaio saldato e quelle in calcestruzzo minerale in termini di efficienza nell'assorbire le vibrazioni. Sono stati sviluppati modelli a elementi finiti e sono state effettuate prove modali per valutare la frequenza naturale, il rapporto di smorzamento e la risposta allo spostamento sotto carichi di taglio simulati. I risultati indicano che le basi in calcestruzzo minerale presentano una capacità di smorzamento superiore del 18–25% rispetto alle strutture in acciaio saldato, in particolare nell'intervallo di frequenza di 200–500 Hz. Tuttavia, le strutture in acciaio saldato mostrano vantaggi in termini di rigidità strutturale e costo iniziale inferiore. Questi risultati forniscono evidenze quantitative per la selezione dei materiali per le basi delle macchine in base alle priorità di prestazione.

1 introduzione

Le basi per macchine utensili sono fondamentali per la stabilità complessiva del sistema. Le vibrazioni che si verificano durante la lavorazione ad alta velocità influenzano direttamente la precisione dimensionale, l'usura degli utensili e la qualità superficiale. La scelta del materiale per la struttura della base determina sia la rigidità che la capacità di smorzamento. Sebbene le strutture saldate in acciaio siano state ampiamente adottate per la facilità di lavorazione, le basi in ghisa minerale hanno attirato l'attenzione per le loro superiori prestazioni di smorzamento. Questo studio analizza le differenze quantitative tra questi due materiali in condizioni sperimentali controllate.

2 Metodo di Ricerca

2.1 Approccio alla Progettazione

Due prototipi di base con la medesima geometria sono stati realizzati: uno in lastre d'acciaio saldate e l'altro in composito di ghisa minerale. Entrambe le soluzioni rispettavano le dimensioni standard per basi di macchine utensili (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Fonti di Dati

• Le proprietà dei materiali sono state desunte dalle schede tecniche dei fornitori e verificate tramite test di trazione e di compressione.

• I dati dei test sulle vibrazioni sono stati raccolti da esperimenti interni condotti tra maggio e luglio 2025.

2.3 Strumenti e Modelli Sperimentali

• Analisi agli Elementi Finiti (FEA): ANSYS 2024 è stato utilizzato per modellare le frequenze modali e le distribuzioni di stress.

• Test Modale: Un martello strumentale e accelerometri (PCB Piezotronics, Modello 352C) hanno registrato la risposta dinamica.

• Processo di elaborazione del segnale: Le funzioni di risposta in frequenza sono state analizzate con MATLAB R2024b per estrarre i rapporti di smorzamento.

Tutte le procedure sono state ripetute tre volte per garantire la riproducibilità.

3 Risultati e Analisi

3.1 Frequenza Naturale

La Tabella 1 riassume le prime tre frequenze naturali. La struttura saldata in acciaio ha mostrato valori leggermente superiori a causa della maggiore rigidezza.

Tabella 1 Frequenze naturali di basi in acciaio vs in ghisa minerale

3.2 Rapporto di smorzamento

La figura 1 illustra il confronto del rapporto di smorzamento. La ghisa minerale ha raggiunto fino a 0,042, mentre l'acciaio è rimasto al di sotto di 0,034.

Figura 1 Rapporti di smorzamento per basi in acciaio e ghisa minerale (misurati tra 200–500 Hz)

3.3 Risposta di spostamento

Sotto una forza di eccitazione equivalente (300 N), le basi in ghisa minerale hanno ridotto l'ampiezza del picco di spostamento in media del 21%.

3.4 Analisi comparativa

Studi esistenti [1–2] hanno riportato miglioramenti dello smorzamento del 15–20% per materiali in ghisa minerale. I risultati attuali confermano ed estendono tali risultati con prototipi strutturali diretti, evidenziando vantaggi di prestazione costanti nelle gamme di frequenza medie.

4 Discussione

Il superiore comportamento di smorzamento del materiale composito minerale è principalmente attribuibile alla sua microstruttura composita, dove aggregati legati da polimeri dissipano l'energia vibrazionale attraverso attrito interno. Le strutture saldate in acciaio, sebbene meno efficienti nello smorzamento, offrono una maggiore rigidità strutturale, vantaggiosa per applicazioni con carichi elevati.

Limitazioni:

• Gli effetti termici non sono stati inclusi in questo studio, anche se potrebbero influenzare la stabilità a lungo termine.

• È stata testata una sola configurazione geometrica, limitando la generalizzazione ad altri design di macchine.

Implicazioni pratiche:

• Il materiale composito minerale è consigliato per centri di lavorazione ad alta velocità dove lo smorzamento delle vibrazioni migliora direttamente la durata degli utensili e la finitura superficiale.

• Le strutture saldate in acciaio restano adatte per applicazioni sensibili ai costi con carichi di taglio elevati.

5 Conclusione

I test quantitativi hanno dimostrato che le basi in ghisa minerale offrono un'attenuazione delle vibrazioni superiore del 18–25% rispetto alle strutture saldate in acciaio, in particolare nell'intervallo 200–500 Hz. Le strutture saldate in acciaio mantengono vantaggi in termini di rigidità e minor costo di produzione. Le future ricerche dovrebbero includere test di ciclatura termica e strutture di base ibride per combinare i vantaggi di entrambi i materiali.