Stålsvets mot mineralstøpt maskinbase for vibrasjonsdemping

PFT, Shenzhen

Abstrakt

Maskinbasert design spiller en avgjørende rolle for å stabilisere maskineringsnøyaktighet ved å kontrollere vibrasjoner. Denne studien sammenligner stålbaserte svetskonstruksjoner og mineralstøpte baser med hensyn til vibrasjonsdempingseffektivitet. FEM-modeller (Finite Element Method) ble utviklet, og modale tester ble gjennomført for å evaluere naturlig frekvens, dempingsforhold og forskyvningsrespons under simulerte skjærelaster. Resultatene viser at mineralstøpte baser har 18–25 % høyere dempingsevne enn stålsvetskonstruksjoner, spesielt i frekvensområdet 200–500 Hz. Stålsvetskonstruksjoner viser imidlertid fordeler med hensyn til strukturell stivhet og lavere innledende kostnad. Funnet gir kvantitativ dokumentasjon for valg av materialer til maskinbasen avhengig av prestasjonskrav.

1 Innføring

Verktøybasen er grunnleggende for systemets stabilitet. Vibrasjoner som oppstår under høyhastighetsmaskinering, påvirker direkte dimensjonell nøyaktighet, verktøydrift og overflatekvalitet. Valg av materialer for basekonstruksjon bestemmer både stivhet og dempingsevne. Selv om stålkonstruksjoner har vært mye brukt på grunn av enkel tilvirkning, har mineralstøpte baser fått oppmerksomhet for bedre dempingsegenskaper. Denne artikkelen undersøker de kvantitative forskjellene mellom disse to materialene under kontrollerte eksperimentelle forhold.

2 Forskningsmetode

2.1 Designmetodikk

To prototype-baser med identisk geometri ble konstruert: en av sveiste stålplater og en av mineralstøpt kompositt. Begge designene fulgte standard dimensjoner for verktøybaser (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Datakilder

• Materialdata ble hentet fra leverandørens datablad og verifisert med strekk- og trykkfasthetstester.

• Vibrasjonstestdata ble samlet inn fra interne eksperimenter gjennomført mellom mai og juli 2025.

2.3 Eksperimentelle verktøy og modeller

• Finite element analyse (FEA): ANSYS 2024 ble brukt til å modellere modalfrekvenser og spenndingsfordelinger.

• Modale testing: En instrumentert hammer og akselerometre (PCB Piezotronics, modell 352C) registrerte dynamisk respons.

• Signalbehandling: Frekvensresponsfunksjoner ble analysert med MATLAB R2024b for å trekke ut dempningsforhold.

Alle prosedyrer ble gjentatt tre ganger for å sikre reproduserbarhet.

3 Resultater og Analyse

3.1 Naturlig frekvens

Tabell 1 oppsummerer de tre første naturlige frekvensene. Stålsveisingen viste litt høyere verdier på grunn av større stivhet.

Tabell 1 Naturlige frekvenser for stål sammenlignet med baser av mineralstøp

3.2 Dempeforhold

Figur 1 illustrerer sammenligningen av dempeforholdet. Mineralstøp oppnådde opptil 0,042, mens stål lå under 0,034.

Figur 1 Dempeforhold for stål- og mineralstøpbaser (målt i området 200–500 Hz)

3.3 Forskyvningsrespons

Under tilsvarende eksitasjonskraft (300 N) reduserte baser av mineralstøp amplituden til maksimal forskyvning med i gjennomsnitt 21 %.

3.4 Sammenlignende analyse

Eksisterende studier [1–2] rapporterte 15–20 % forbedring i demping for materialer av mineralstøp. De nåværende funnene bekrefter og utvider disse resultatene med direkte strukturelle prototyper og understreker konsistente ytelsesfordele i midtfrekvensområdene.

4 Drøfting

Den overlegne dempningsevnen til mineralstøp er først og fremst tilskrevet sammensetningen av mikrostruktur, hvor polymerbundne aggregater dissiperer vibrasjonsenergi gjennom indre friksjon. Stålsveiser, selv om de er mindre effektive i dempning, gir høyere strukturell stivhet, noe som er fordelaktig for applikasjoner med tung belastning.

Begrensninger:

• Termiske effekter ble ikke inkludert i denne studien, selv om de kan påvirke langsiktig stabilitet.

• Bare én geometrisk konfigurasjon ble testet, noe som begrenser generaliseringen til andre maskinkonstruksjoner.

Praktiske implikasjoner:

• Mineralstøp anbefales for høyhastighetsmaskinsenter hvor vibrasjonsdempning direkte forbedrer verktøyliv og overflatekvalitet.

• Stålsveiser er fortsatt egnet for kostnadssensitive applikasjoner med tung slaglast.

5 Konklusjon

Kvantitative tester viste at mineralstøpte baser gir 18–25 % bedre vibrasjonsdemping enn stålkonstruksjoner, spesielt i frekvensområdet 200–500 Hz. Stålkonstruksjoner beholder fordeler med hensyn til stivhet og lavere produksjonskostnad. Fremtidig forskning bør inkludere termiske sykkletester og hybridbasestrukturer for å kombinere fordelene med begge materialene.