Kerangka Keluli Berbanding Tapak Mesin dari Bahan Mineral untuk Penyerapan Getaran

PFT, Shenzhen

Abstrak

Reka bentuk asas mesin memainkan peranan penting dalam menstabilkan kejituan pemesinan dengan mengawal gegaran. Kajian ini membandingkan asas keluli kimpalan dan tuangan mineral dari segi kecekapan pemadaman gegaran. Model elemen terhingga telah dibangunkan, dan ujian mod telah dijalankan untuk menilai frekuensi semula jadi, nisbah pemadaman, dan sambutan anjakan di bawah beban potongan simulasi. Keputusan menunjukkan bahawa asas tuangan mineral mempamerkan keupayaan pemadaman yang 18–25% lebih tinggi berbanding keluli kimpalan, terutamanya dalam julat frekuensi 200–500 Hz. Walau bagaimanapun, keluli kimpalan menunjukkan kelebihan dari segi kekakuan struktur dan kos permulaan yang lebih rendah. Penemuan ini memberikan bukti kuantitatif untuk memilih bahan asas mesin mengikut keutamaan prestasi.

1 pengenalan

Tapak alat mesin adalah asas kepada kestabilan sistem secara keseluruhannya. Getaran yang berlaku semasa pemesinan kelajuan tinggi secara langsung menjejaskan kejituan dimensi, kehausan alat, dan kualiti permukaan. Pemilihan bahan untuk struktur tapak menentukan kekakuan dan keupayaan penyerap getaran. Walaupun kerangka keluli kimpalan telah banyak digunakan disebabkan kemudahan dalam pembinaan, tapak daripada bahan tuang mineral semakin mendapat perhatian kerana prestasi penyerap getaran yang lebih baik. Kertas kerja ini mengkaji perbezaan kuantitatif antara kedua-dua bahan ini dalam keadaan eksperimen yang terkawal.

2 Kaedah Penyelidikan

2.1 Pendekatan Reka Bentuk

Dua prototaip tapak dengan geometri yang sama telah dibina: satu daripada plat keluli dikimpal dan satu lagi daripada komposit bahan tuang mineral. Kedua-dua reka bentuk mematuhi dimensi piawaian tapak alat mesin (1.2 m × 0.8 m × 0.6 m).

2.2 Sumber Data

• Ciri-ciri bahan diperoleh daripada lembaran data pembekal dan disahkan melalui ujian kekuatan tegangan dan mampatan.

• Data ujian getaran telah dikumpulkan daripada eksperimen dalaman yang dijalankan antara Mei hingga Julai 2025.

2.3 Alat dan Model Eksperimen

• Analisis Elemen Terhingga (FEA): ANSYS 2024 digunakan untuk memodelkan kekerapan mod dan taburan tegasan.

• Ujian Mod: Sebuah tukul berinstitusi dan pengaccelerometer (PCB Piezotronics, Model 352C) merekodkan sambutan dinamik.

• Pemprosesan isyarat: Fungsi Sambutan Frekuensi dianalisis dengan MATLAB R2024b untuk mengekstrak nisbah redaman.

Semua prosedur diulang sebanyak tiga kali untuk memastikan kebolehulangan.

3 Keputusan dan Analisis

3.1 Frekuensi Semulajadi

Jadual 1 merumumkan tiga frekuensi semulajadi yang pertama. Kimpalan keluli menunjukkan nilai yang sedikit lebih tinggi disebabkan oleh kekakuan yang lebih besar.

Jadual 1 Frekuensi semula jadi besi keluli berbanding pangkalan tuangan mineral

3.2 Nisbah Redaman

Rajah 1 menunjukkan perbandingan nisbah redaman. Tuangan mineral mencapai sehingga 0.042, manakala keluli kekal di bawah 0.034.

Rajah 1 Nisbah redaman untuk pangkalan keluli dan tuangan mineral (diukur antara 200–500 Hz)

3.3 Sambutan Anjakan

Di bawah daya pengujud yang setara (300 N), pangkalan tuangan mineral mengurangkan amplitud anjakan puncak sebanyak purata 21%.

3.4 Analisis Perbandingan

Kajian sedia ada [1–2] melaporkan peningkatan redaman sebanyak 15–20% bagi bahan tuangan mineral. Keputusan kini mengesahkan dan memperluaskan dapatan ini dengan menggunakan prototaip struktur langsung, menekankan kelebihan prestasi yang konsisten dalam julat frekuensi sederhana.

4 Perbincangan

Kelakuan penyerap getaran yang unggul pada tuangan mineral terutamanya disebabkan oleh struktur mikro kompositnya, di mana agregat yang diikat dengan polimer dapat menghakis tenaga getaran melalui geseran dalaman. Keluli kimpalan, walaupun kurang cekap dalam penyerapan getaran, memberikan kekakuan struktur yang lebih tinggi, yang memberi kelebihan dalam aplikasi beban berat.

Kekangan:

• Kesan-kesan termal tidak dimasukkan dalam kajian ini, walaupun ia boleh mempengaruhi kestabilan jangka panjang.

• Hanya satu konfigurasi geometri yang diuji, menyebabkan pengitlakan terhadap reka bentuk mesin lain terhad.

Implikasi Praktikal:

• Tuangan mineral digalakkan untuk digunakan pada pusat pemotongan kelajuan tinggi di mana penyerapan getaran secara langsung meningkatkan jangka hayat alat pemotong dan kemasan permukaan.

• Keluli kimpalan kekal sesuai untuk aplikasi yang sensitif terhadap kos dengan beban pemotongan yang berat.

5 Kesimpulan

Ujian kuantitatif menunjukkan bahawa tapak tuangan mineral memberikan penyerapan getaran yang lebih baik sebanyak 18–25% berbanding kimpalan keluli, terutamanya dalam julat 200–500 Hz. Kimpalan keluli masih mempunyai kelebihan dari segi kekakuan dan kos pengeluaran yang lebih rendah. Kajian pada masa depan sepatutnya merangkumi ujian kitaran haba dan struktur tapak hibrid untuk menggabungkan kelebihan kedua-dua bahan.