Solda de Aço vs Base de Máquina de Fundição Mineral para Amortecimento de Vibração

PFT, Shenzhen

Resumo

O design da base da máquina desempenha um papel crucial na estabilização da precisão de usinagem ao controlar a vibração. Este estudo compara as bases de estrutura soldada em aço e de concreto mineral quanto à eficiência de amortecimento de vibrações. Foram desenvolvidos modelos de elementos finitos, e testes modais foram realizados para avaliar a frequência natural, a taxa de amortecimento e a resposta de deslocamento sob cargas de corte simuladas. Os resultados indicam que as bases de concreto mineral apresentam uma capacidade de amortecimento 18–25% maior do que as estruturas soldadas em aço, especialmente na faixa de frequência de 200–500 Hz. No entanto, as estruturas soldadas em aço mostram vantagens em rigidez estrutural e menor custo inicial. Os resultados fornecem evidências quantitativas para a seleção de materiais para bases de máquinas de acordo com as prioridades de desempenho.

1 introdução

As bases de ferramentas de máquina são fundamentais para a estabilidade geral do sistema. A vibração que ocorre durante a usinagem de alta velocidade afeta diretamente a precisão dimensional, o desgaste da ferramenta e a qualidade da superfície. A seleção do material para a estrutura da base determina a rigidez e a capacidade de amortecimento. Embora estruturas soldadas de aço tenham sido amplamente adotadas devido à facilidade de fabricação, as bases em fundição mineral têm recebido atenção por oferecerem um desempenho superior em amortecimento. Este artigo investiga as diferenças quantitativas entre esses dois materiais sob condições experimentais controladas.

2 Método de Pesquisa

2.1 Abordagem do Design

Dois protótipos de bases com geometria idêntica foram construídos: um a partir de chapas de aço soldadas e outro de compósito de fundição mineral. Ambos os projetos seguiram as dimensões padrão para bases de ferramentas de máquina (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Fontes de Dados

• As propriedades dos materiais foram obtidas a partir das fichas técnicas dos fornecedores e verificadas por meio de testes de tração e resistência à compressão.

• Dados de teste de vibração foram coletados a partir de experimentos internos realizados entre maio e julho de 2025.

2.3 Ferramentas e Modelos Experimentais

• Análise por Elementos Finitos (FEA): O ANSYS 2024 foi utilizado para modelar as frequências modais e distribuições de tensão.

• Teste Modal: Um martelo instrumentado e acelerômetros (PCB Piezotronics, Modelo 352C) registraram a resposta dinâmica.

• Processamento de sinal: Funções de resposta em frequência foram analisadas com o MATLAB R2024b para extrair as taxas de amortecimento.

Todos os procedimentos foram repetidos três vezes para garantir a reprodutibilidade.

3 Resultados e Análise

3.1 Frequência Natural

A Tabela 1 resume as três primeiras frequências naturais. A estrutura soldada em aço apresentou valores ligeiramente mais altos devido à maior rigidez.

Tabela 1 Frequências naturais de bases de aço versus de fundição mineral

3.2 Razão de Amortecimento

A Figura 1 ilustra a comparação da razão de amortecimento. A fundição mineral atingiu até 0,042, enquanto o aço permaneceu abaixo de 0,034.

Figura 1 Razões de amortecimento para bases de aço e fundição mineral (medidas entre 200–500 Hz)

3.3 Resposta de Deslocamento

Sob força de excitação equivalente (300 N), as bases de fundição mineral reduziram a amplitude de deslocamento de pico em média de 21%.

3.4 Análise Comparativa

Estudos existentes [1–2] relataram melhorias de 15–20% no amortecimento para materiais de fundição mineral. Os resultados atuais confirmam e estendem esses resultados com protótipos estruturais diretos, destacando vantagens consistentes de desempenho nas faixas de frequência média.

4 Discussão

O comportamento de amortecimento superior do mineral fundido é principalmente atribuído à sua microestrutura composta, onde agregados ligados por polímero dissipam energia vibracional por meio de fricção interna. Estruturas soldadas de aço, embora menos eficientes em amortecimento, oferecem maior rigidez estrutural, o que beneficia aplicações com cargas pesadas.

Limitações:

• Efeitos térmicos não foram incluídos neste estudo, apesar de poderem influenciar a estabilidade a longo prazo.

• Apenas uma configuração geométrica foi testada, limitando a generalização para outros projetos de máquinas.

Implicações Práticas:

• O mineral fundido é recomendado para centros de usinagem de alta velocidade onde o amortecimento de vibrações melhora diretamente a vida útil da ferramenta e o acabamento superficial.

• Estruturas soldadas de aço continuam adequadas para aplicações sensíveis ao custo com cargas elevadas de corte.

5 Conclusão

Testes quantitativos demonstraram que bases em fundição mineral proporcionam um amortecimento de vibrações 18–25% melhor do que estruturas soldadas de aço, especialmente na faixa de 200–500 Hz. As estruturas soldadas de aço mantêm vantagens em rigidez e menor custo de produção. Pesquisas futuras devem incluir testes de ciclagem térmica e estruturas híbridas de base, para combinar os benefícios de ambos os materiais.