Weldment stalowy a podstawa maszynowa z betonu mineralnego pod względem tłumienia drgań

PFT, Shenzhen

Abstrakcja

Projekt podstawy maszyn ma kluczowe znaczenie dla stabilizacji dokładności obróbki poprzez kontrolowanie drgań. W tej pracy porównano podstawy wykonane ze stali spawanej i z odlewu mineralnego pod względem skuteczności tłumienia drgań. Opracowano modele elementów skończonych i przeprowadzono testy modalne w celu oceny częstotliwości własnych, współczynnika tłumienia oraz odpowiedzi przemieszczenia pod obciążeniem symulującym cięcie. Wyniki wskazują, że podstawy z odlewu mineralnego wykazują 18–25% większą pojemność tłumienia niż podstawy stalowe, szczególnie w zakresie częstotliwości 200–500 Hz. Jednakże podstawy stalowe posiadają zalety w zakresie sztywności konstrukcji oraz niższego początkowego kosztu. Uzyskane wyniki dostarczają podstaw do ilościowego wyboru materiału podstawy maszyny w zależności od priorytetów związanych z jej eksploatacją.

1 wprowadzenie

Podstawy obrabiarek są podstawą całej stabilności systemu. Wibracje powstające podczas obróbki wysokoprędkościowej bezpośrednio wpływają na dokładność wymiarową, zużycie narzędzi oraz jakość powierzchni. Dobór materiału konstrukcji podstawy decyduje zarówno o jej sztywności, jak i zdolności tłumienia drgań. Choć spawane konstrukcje stalowe są powszechnie stosowane ze względu na łatwość wykonania, to podstawy wykonane z kompozytu mineralnego zyskują na popularności dzięki lepszym właściwościom tłumienia. W niniejszym artykule zbadano ilościowe różnice między tymi dwoma materiałami w kontrolowanych warunkach eksperymentalnych.

2 Metody badań

2.1 Podejście projektowe

Zbudowano dwa prototypy podstaw o identycznej geometrii: jeden z blach stalowych spawanych, a drugi z kompozytu mineralnego. Obie konstrukcje odpowiadały standardowym wymiarom podstaw obrabiarek (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Źródła danych

• Właściwości materiałów pobrano z kart danych producenta i zweryfikowano poprzez testy wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie.

• Dane z testów wibracyjnych pochodziły z eksperymentów wewnętrznych przeprowadzonych w maju–lipcu 2025 roku.

2.3 Narzędzia i modele eksperymentalne

• Analiza elementów skończonych (FEA): Program ANSYS 2024 został wykorzystany do modelowania częstotliwości modalnych i rozkładów naprężeń.

• Testy modalne: Za pomocą młotka pomiarowego i akcelerometrów (PCB Piezotronics, model 352C) zarejestrowano odpowiedź dynamiczną.

• Przetwarzanie sygnału: Funkcje odpowiedzi częstotliwościowej przeanalizowano w programie MATLAB R2024b w celu wyznaczenia współczynników tłumienia.

Wszystkie procedury powtórzono trzykrotnie, aby zapewnić odtwarzalność.

3 Wyniki i analiza

3.1 Częstotliwość własna

Tabela 1 zawiera podsumowanie trzech pierwszych częstotliwości własnych. Spawane konstrukcje stalowe wykazały nieco wyższe wartości wynikające z większej sztywności.

Tabela 1 Częstości własne podstaw stalowych w porównaniu z podstawami z odlewu mineralnego

3.2 Współczynnik tłumienia

Rysunek 1 przedstawia porównanie współczynnika tłumienia. Dla odlewu mineralnego osiągnięto wartość do 0,042, podczas gdy dla stali była ona poniżej 0,034.

Rysunek 1 Współczynniki tłumienia dla podstaw stalowych i z odlewu mineralnego (zmierzone w zakresie 200–500 Hz)

3.4 Odpowiedź przemieszczenia

Przy równoważnej sile pobudzenia (300 N), podstawy z odlewu mineralnego zmniejszyły amplitudę przemieszczenia o średnio 21%.

3.4 Analiza porównawcza

W istniejących badaniach [1–2] zaobserwowano poprawę tłumienia materiałów z odlewu mineralnego o 15–20%. Obecne wyniki potwierdzają i rozszerzają te ustalenia za pomocą bezpośrednich prototypów konstrukcyjnych, pokazując spójne zalety eksploatacyjne w średnich zakresach częstotliwości.

4 Dyskusja

Nad superiorne właściwości tłumienia drgań masy mineralnej przede wszystkim odpowiada jej mikrostruktura kompozytowa, w której agregaty związane polimerem rozpraszają energię wibracyjną poprzez tarcie wewnętrzne. Spawane konstrukcje stalowe, choć mniej skuteczne w tłumieniu drgań, zapewniają większą sztywność konstrukcyjną, co korzystnie wpływa na zastosowanie w warunkach dużych obciążeń.

Ograniczenia:

• Wpływ efektów termicznych nie został uwzględniony w tej analizie, mimo że mogą one wpływać na długoterminową stabilność.

• Zbadano jedynie jedną konfigurację geometryczną, co ogranicza możliwość uogólnienia wyników na inne konstrukcje maszyn.

Implikacje praktyczne:

• Masę mineralną zaleca się stosować w centrach obróbczych o wysokiej prędkości, gdzie tłumienie drgań bezpośrednio wydłuża żywotność narzędzi i poprawia jakość powierzchni.

• Konstrukcje spawane ze stali pozostają odpowiednie do zastosowań wrażliwych na koszty, przy dużych obciążeniach skrawania.

5 Wnioski

Badania ilościowe wykazały, że podstawy odlewane z tworzywa mineralnego zapewniają o 18–25% lepsze tłumienie drgań niż konstrukcje spawane ze stali, szczególnie w zakresie 200–500 Hz. Konstrukcje stalowe zachowują zalety w zakresie sztywności i niższego kosztu produkcji. Przyszłe badania powinny obejmować testy cykli termicznych oraz struktury podstaw hybrydowych, aby połączyć zalety obu materiałów.