Staallassen versus machinebasis van mineraalgiet voor trillingsdemping

PFT, Shenzhen

Abstract

Het basisontwerp van de machine speelt een cruciale rol bij het stabiliseren van de bewerkingsnauwkeurigheid door trillingen te beheersen. In deze studie worden stalen gelaste en mineralengiet bases met elkaar vergeleken wat betreft trillingsdempende efficiëntie. Er zijn eindige-elementenmodellen ontwikkeld en modale tests uitgevoerd om de natuurlijke frequentie, dempingsfactor en verplaatsingsrespons onder gesimuleerde snijbelastingen te evalueren. De resultaten tonen aan dat mineralengiet bases 18–25% hogere dempingseigenschappen vertonen dan stalen constructies, met name in het frequentiebereik van 200–500 Hz. Stalen constructies hebben echter voordelen qua constructieve stijfheid en lagere initiële kosten. De bevindingen leveren kwantitatief bewijs voor het selecteren van materiaal voor machinebases, afhankelijk van de prioriteiten voor prestaties.

1 inleiding

Machine tool bases zijn fundamenteel voor de algehele systeemstabiliteit. Trillingen die ontstaan tijdens het snijden op hoge snelheid, beïnvloeden rechtstreeks de maatnauwkeurigheid, slijtage van het gereedschap en de oppervlaktekwaliteit. De keuze van het materiaal voor de basisstructuur bepaalt zowel de stijfheid als het dempingsvermogen. Hoewel gelaste stalen constructies breed worden toegepast vanwege de eenvoud van fabricage, hebben mineralengiet bases meer aandacht gekregen vanwege hun uitstekende dempingseigenschappen. In dit artikel worden de kwantitatieve verschillen tussen deze twee materialen onderzocht onder gecontroleerde experimentele omstandigheden.

2 Onderzoeksmethode

2.1 Ontwerpaanpak

Twee prototype bases met identieke geometrie zijn gebouwd: één van gelaste stalen platen en één van composietmateriaal op basis van mineralen. Beide ontwerpen voldeden aan de standaardafmetingen voor machine tool bases (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Gegevensbronnen

• Materiaaleigenschappen zijn afkomstig van leveranciersdatasheets en geverifieerd door trek- en druksterkteproeven.

• Vibrationstestgegevens werden verzameld uit interne experimenten uitgevoerd tussen mei en juli 2025.

2.3 Experimentele tools en modellen

• Eindige-elementenanalyse (FEA): ANSYS 2024 werd gebruikt om modale frequenties en spanningverdelingen te modelleren.

• Modale testen: Een geïnstrumenteerde hamer en versnellingsmeters (PCB Piezotronics, model 352C) registreerden het dynamische antwoord.

• Signaalverwerking: Frequentieresponsfuncties werden geanalyseerd met MATLAB R2024b om dempingsverhoudingen te verkrijgen.

Alle procedures werden driemaal herhaald om reproduceerbaarheid te waarborgen.

3 Resultaten en Analyse

3.1 Eigenfrequentie

Tabel 1 vat de eerste drie eigenfrequenties samen. De stalen lasconstructie toonde licht hogere waarden als gevolg van grotere stijfheid.

Tabel 1 Natuurlijke frequenties van stalen versus mineralen gietconstructies

3.2 Dempingsfactor

Figuur 1 toont de vergelijking van de dempingsfactor. Mineraal gietmateriaal bereikte tot 0,042, terwijl staal onder de 0,034 bleef.

Figuur 1 Dempingsfactoren voor stalen en mineralen gietconstructies (gemeten tussen 200–500 Hz)

3.3 Verplaatsingsrespons

Bij gelijkwaardige aandrijfkracht (300 N) verminderden constructies van mineraal gietmateriaal de piekverplaatsingsamplitude gemiddeld met 21%.

3.4 Vergelijkende analyse

Bestaande studies [1–2] meldden 15–20% verbetering in demping voor mineraal gietmateriaal. De huidige bevindingen bevestigen en versterken deze resultaten met directe structuurprototypes en benadrukken consistente prestatievoordelen in de middenfrequentiebereiken.

4 Discussie

Het superieure dempingsgedrag van mineralengiet is voornamelijk te wijten aan zijn compositiemicrostructuur, waarin met polymeer gebonden aggregaten trillingsenergie dissiperen via interne wrijving. Staalconstructies, hoewel minder efficiënt in demping, bieden een hogere structurele stijfheid, wat voordelen oplevert voor toepassingen met zware belasting.

Beperkingen:

• Thermische effecten zijn niet opgenomen in deze studie, hoewel zij de langetermijnstabiliteit kunnen beïnvloeden.

• Er is slechts één geometrische configuratie getest, waardoor de generalisatie naar andere machinetechnische ontwerpen beperkt is.

Praktische Implicaties:

• Mineralengiet wordt aanbevolen voor high-speed bewerkingscentra waarbij demping van trillingen direct bijdraagt aan een langere levensduur van het gereedschap en een betere oppervlaktekwaliteit.

• Staalconstructies blijven geschikt voor kostengevoelige toepassingen met zware snijbelastingen.

5 Conclusie

Kwantitatieve tests hebben aangetoond dat mineralengiet bases 18–25% betere trillingsdemping bieden dan stalen lastochten, met name in het bereik van 200–500 Hz. Stalen lastochten behouden voordelen qua stijfheid en lagere productiekosten. Toekomstig onderzoek zou thermische cyclustests en hybride basisstructuren moeten omvatten om de voordelen van beide materialen te combineren.