שרף פליז מול בסיס מכונה מمعدן דamped למניעת ויברציה

PFT, שנזן

מופשט

עיצוב בסיס מכונה מושך תפקיד מרכזי בהגבלת רעידות וביצירת יציבות בדיוק עיבוד. מחקר זה משווה בין בסיסים מברזל מלווה לבין בסיסים ממזון מינרלי (Cast Iron) מבחינת יעילות הדämpה של רעידות. נבנו מודלי אלמנטים סופיים, ובוצעו מבחני מודים כדי להעריך את התדירות הטבעית, יחס הדämpה והתגובה בשינוי מיקום תחת עומסים סימולטיביים של חיתוך. התוצאות מצביעות על כך שבסיסים ממזון מינרלי מציגים כושר דämpה גבוה ב-18–25% מאשר בסיסים מברזל מלווה, במיוחד בטווח התדרים של 200–500 הרץ. עם זאת, לבסיסים מברזל מלווה יש יתרונות בصلבность המבנית ובמחיר התחלי הנמוך יותר. הממצאים מספקים ראיות כמותיות לבחירת חומרי בסיס מכונה בהתאם עדיפויות הביצועים.

1 מבוא

בסיסים של מכונות עיבוד מהווים אבן יסוד לעמידות המערכת בכללותה. רעידות הנוצרות במהלך עיבוד במהירות גבוהה משפיעות ישירות על דיוק הממדים, בלאי הכלים ואיכות השטח. בחירת החומר לבניית הבסיס קובעת הן את הקשיחות והן את היכולת לספוג רעידות. בעוד ששרשראות פלדה הפכו לנפוצות עקב קלות הייצור שלהן, הבסיסים המורכבים ממטלנים מינרליים זכו להתייחסות עקב ביצועים מרשימים בספיגת רעידות. המאמר הזה חוקק את ההבדלים הכמותיים בין שני החומרים בתנאים ניסיוניים מבוקרים.

2 שיטת מחקר

2.1 גישת עיצוב

שניים בסיסים פרוטוטיפיים בעלי גאומטריה זהה נבנו: אחד מפלטות פלדה מلحמות ואחד מהרכב מינרלי. שני העיצובים עמדו בממדים סטנדרטיים של בסיסים למכונות עיבוד (1.2 מטר × 0.8 מטר × 0.6 מטר).

2.2 מקורות נתונים

• התכונות הפיזיקליות נלקחו מדפי מפרט של הספקים ומאומתו על ידי מבחני מתיחה ולחיצה.

• נתוני בדיקת ויברציה נאספו מניסויים פנימיים שבוצעו בין מאי–יולי 2025.

2.3 כלים ומודלים ניסיוניים

• אנליזת אלמנטים סופיים (FEA): ב-ANSYS 2024 נעשה מודל של תדירויות מודאליות והפצות מתח.

• בדיקת מודים (Modal Testing): פטיש מכשירי ומאיצי מדידה (PCB Piezotronics, דגם 352C) רשומים את התגובה הדינמית.

• עיבוד אות: פונקציות תגובת התדירות נanalיזו באמצעות MATLAB R2024b כדי לחלץ את מקדמי הדämpה.

כל ההליכים בוצעו שלוש פעמים כדי להבטיח שחזור.

3 תוצאות וניתוח

3.1 תדירות טבעית

טבלה 1 מסכמת את שלוש התדירויות הטבעיות הראשונות. מבנה הלחימה מפליז הראה ערכים מעט גבוהים יותר עקב קשיחות רבה יותר.

טבלה 1 תדירויות טבעיות של בסיסים מפליז לעומת בסיסים מمعدן מינרלי

3.2 יחס הדämpה

איור 1 מציג את ההשוואה של יחס הדämpה.معدן מינרלי הגיע עד 0.042, בעוד שפליז נותר מתחת ל-0.034.

איור 1 יחסי דämpה עבור בסיסים מפליז וμمعدן מינרלי (נמדד בטווח 200–500 הרץ)

3.3 תגובה להעתקה

תחת כוח העירור שווה (300 ניוטון), הבסיסים מمعدן מינרלי הפחיתו את משרעת העקירה המקסימלית ב-21% בממוצע.

3.4 ניתוח השוואתי

מחקרים קיימים [1–2] דיווחו על שיפורים של 15–20%בדämpה בחומרים מمعدן מינרלי. הממצאים הנוכחיים מאשרים וממשיכים את התוצאות האלה בעזרת פרוטוטיפים מבניים пряומים, ומדגישים יתרונות ביצועים עקביים בטווחי תדרים בינוניים.

4 דיון

ההתנהגות הטובה יותר של ספיגת הלכלוך במינרל קסט נובעת בעיקר מהמבנה המיקרוסקופי המורכב שלו, שבו אגרגטים הקשורים בפולימר מפזרים את האנרגיה התורמלית דרך החיכוך הפנימי. פלדות לحام, אם כי פחות יעילות בספיגת הלכלוך, מספקות קשיחות מבנית גבוהה יותר, מה שמועיל ליישומים של עומסים כבדים.

הגבלה:

• ההשפעות התרמיות לא נכללו במחקר זה, אם כי הן עשויות להשפיע על היציבות לטווח ארוך.

• רק צורת גאומטריה אחת נבדקה, מה שמצמצם את היכולת להכליל את הממצאים לשרשראות מכונה אחרות.

מסקנות מעשיות:

• מומלץ להשתמש במינרל קסט במרכזי עיבוד במהירות גבוהה שבהם ספיגת הלכלוך משפיעה ישירות על אורך חיי הכלים ועל גימור פני השטח.

• פלדות הלحام נותרו מתאימות ליישומים רגישים למחיר עם עומסי חיתוך כבדים.

5 סיכום

בדיקות כמותיות הראו כי בסיסים ממזון מינרלי מציגים כביכול 18–25% שיפור בכיבוי ויברציות לעומת מבניות פליז, במיוחד בטווח של 200–500 הרץ. מבניות פליז שומרות על יתרונות של קשיחות ומחיר ייצור נמוך יותר. מחקר עתידי אמור לכלול מבחני מחזור טמפרטורה ומבנים בסיסיים היברידיים כדי לשלב את היתרונות של שני החומרים.