振動減衰における鋼溶接構造とミネラルキャスト機械ベースの比較

PFT、深圳

抽象

マシンベースの設計は、振動を制御することによって工作精度の安定化において重要な役割を果たす。本研究では、振動減衰効率の観点から、鋼溶接構造とミネラルキャスト製のベースを比較している。有限要素モデルを構築し、モード試験を実施して、自然周波数、減衰比、および模擬切削荷重下での変位応答を評価した。その結果、ミネラルキャスト製ベースは、特に200–500 Hzの周波数範囲において、鋼溶接構造に比べて18–25%高い減衰能力を示した。ただし、鋼溶接構造は構造剛性および初期コストの面で有利である。本研究成果は、性能の優先順位に応じてマシンベースの材料を選定するための定量的な根拠を提供するものである。

1 紹介

工作機械のベースは、全体的なシステムの安定性において基本的な要素です。高速切削中に発生する振動は、寸法精度、工具摩耗、表面品質に直接的な影響を与えます。ベース構造に使用される材料の選定は、剛性と減衰性能の両方に影響を与えます。鋼板溶接構造は製造が容易なため広く採用されてきましたが、鉱物鋳造ベースは優れた減衰性能を持つことから注目を集めています。本論文では、制御された実験条件下でのこれらの材料の定量的な差異について調査します。

2 研究方法

2.1 設計アプローチ

同一の幾何学的形状を持つ2つのプロトタイプベースを製作しました。一方は溶接鋼板製、もう一方は鉱物鋳造複合材製です。双方の設計は、工作機械ベースの標準的な寸法（1.2 m × 0.8 m × 0.6 m）に従っています。

2.2 データソース

• 材料の特性はサプライヤーのデータシートに基づき、引張および圧縮強度試験によって確認しました。

• 振動試験データは、2025年5月～7月に実施された社内実験から収集された。

2.3 実験機器およびモデル

• 有限要素解析（FEA）： ANSYS 2024を使用して、モード周波数および応力分布をモデル化した。

• モード解析： インストゥルメントドハンマーおよび加速度計（PCB Piezotronics、型番352C）により動的応答を記録した。

• 信号処理： MATLAB R2024bで周波数応答関数を分析し、減衰比を抽出した。

すべての手順は再現性を確保するために3回繰り返された。

3 結果と分析

3.1 固有周波数

表1は最初の3つの固有周波数を要約している。溶接構造の鋼材は剛性が高いため、若干高い値を示した。

表1 鋼とミネラルキャストベースの自然周波数

3.2 減衰比

図1は減衰比の比較を示しています。ミネラルキャストは最大0.042に達した一方、鋼は0.034以下で推移しました。

図1 鋼およびミネラルキャストベースの減衰比（200–500 Hz範囲で測定）

3.3 変位応答

同等の励起力（300 N）下で、ミネラルキャストベースはピーク変位振幅を平均して21％低減しました。

3.4 比較分析

既存の研究[1–2]では、ミネラルキャスト材料の減衰特性が15–20％改善されたと報告されています。本研究の結果は、直接的な構造プロトタイプを用いてこれらの結果を確認および拡張するものであり、中域周波数における一貫した性能上の利点を浮き彫りにしています。

4 考察

ミネラルキャストの優れた減衰特性は、主にその複合微細構造によるものです。この構造では、ポリマーで結合された骨材が内部摩擦を通じて振動エネルギーを散逸します。鋼溶接構造は減衰性においてはやや劣るものの、高剛性構造を提供するため、重荷重用途に適しています。

制限:

• 本研究では熱効果は考慮されていませんが、長期的な安定性には影響を与える可能性があります。

• 幾何学的構成は1種類のみを試験したため、他の機械設計への汎用性は限定的です。

実用上の含意：

• ミネラルキャストは、振動の減衰が直接工具寿命と表面仕上げ品質の向上に寄与する高速マシニングセンタに推奨されます。

• 鋼溶接構造は、重切削加工を伴うコスト重視の用途において引き続き適しています。

5 結論

定量化された試験の結果、ミネラルキャストベースは鋼溶接構造に比べて200～500Hz範囲において特に18～25％振動減衰性に優れていることが示された。鋼溶接構造は剛性および生産コスト低減の面での利点を維持している。今後の研究として、熱変化試験およびハイブリッドベース構造の検討を含め、両素材の利点を統合する検討が必要である。