Bază de Mașină Sudată din Oțel vs Bază Turnată Minerală pentru Amortizarea Vibrațiilor

PFT, Shenzhen

Abstract

Baza mașinii joacă un rol crucial în stabilizarea preciziei de prelucrare prin controlul vibrațiilor. Acest studiu compară bazele realizate din oțel sudat și din beton mineral în termeni de eficiență a amortizării vibrațiilor. Au fost dezvoltate modele cu elemente finite și s-au efectuat teste modale pentru a evalua frecvența naturală, raportul de amortizare și răspunsul deplasării sub sarcini de tăiere simulate. Rezultatele indică faptul că bazele din beton mineral prezintă o capacitate de amortizare cu 18–25% mai mare decât sudurile din oțel, în special în intervalul de frecvență de 200–500 Hz. Totuși, sudurile din oțel oferă avantaje în ceea ce privește rigiditatea structurală și costul inițial mai scăzut. Concluziile oferă dovezi cantitative pentru alegerea materialelor pentru bazele mașinilor în funcție de prioritățile de performanță.

1 Introducere

Bazele mașinilor-unelte sunt fundamentale pentru stabilitatea generală a sistemului. Vibrațiile care apar în timpul prelucrării la viteze mari afectează direct precizia dimensională, uzura sculei și calitatea suprafeței. Alegerea materialului pentru structura de bază determină rigiditatea și capacitatea de amortizare. Deși construcțiile sudate din oțel sunt larg utilizate datorită ușurinței de fabricație, bazele din turnos mineral au câștigat atenția prin performanțele superioare de amortizare. Acest studiu investighează diferențele cantitative dintre aceste două materiale în condiții experimentale controlate.

2 Metoda de cercetare

2.1 Abordarea proiectării

Două baze prototip cu aceeași geometrie au fost construite: una din plăci sudate din oțel și una din compozit turnat mineral. Ambele proiecte respectă dimensiunile standard pentru bazele mașinilor-unelte (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Surse de date

• Proprietățile materialelor au fost preluate din fișele tehnice ale furnizorilor și verificate prin teste de tracțiune și compresiune.

• Datele privind testele de vibrație au fost colectate din experimente efectuate în cadrul companiei între mai–iulie 2025.

2.3 Instrumente și Modele Experimentale

• Analiza Elementului Finit (FEA): ANSYS 2024 a fost utilizat pentru a modela frecvențele modale și distribuțiile de stres.

• Testare Modală: Un ciocan instrumentat și accelerometre (PCB Piezotronics, Modelul 352C) au înregistrat răspunsul dinamic.

• Procesare semnal: Funcțiile de răspuns în frecvență au fost analizate cu MATLAB R2024b pentru a extrage rapoartele de amortizare.

Toate procedurile au fost repetate de trei ori pentru a asigura reproductibilitatea.

3 Rezultate și Analiză

3.1 Frecvență Naturală

Tabelul 1 rezumă primele trei frecvențe naturale. Sudura din oțel a prezentat valori ușor mai mari datorită rigidității mai mari.

Tabelul 1 Frecvențele naturale ale bazelor din oțel comparativ cu cele din turnos minier

3.2 Raportul de amortizare

Figura 1 ilustrează comparația raportului de amortizare. Turnosul minier a atins 0,042, în timp ce oțelul a rămas sub 0,034.

Figura 1 Raporturile de amortizare pentru baze din oțel și turnos minier (măsurate între 200–500 Hz)

3.3 Răspunsul de deplasare

În condiții egale de forță de excitație (300 N), bazele din turnos minier au redus amplitudinea maximă de deplasare în medie cu 21%.

3.4 Analiza comparativă

Studiile existente [1–2] au raportat îmbunătățiri de 15–20% în amortizare pentru materialele din turnos minier. Rezultatele actuale confirmă și extind aceste constatări cu prototipuri structurale directe, evidențiind avantaje constante de performanță în gamele de frecvență medii.

4 Discuții

Comportamentul superior de amortizare al turnatului mineral se datorează în primul rând microstructurii sale compozite, unde agregatele legate de polimer disipă energia vibrațională prin fricțiune internă. Sudurile din oțel, deși mai puțin eficiente în amortizare, oferă o rigiditate structurală mai mare, ceea ce beneficiază aplicațiile cu sarcini grele.

Limitări:

• Efectorile termice nu au fost incluse în acest studiu, deși pot influența stabilitatea pe termen lung.

• A fost testată doar o singură configurație geometrică, limitând generalizarea la alte designuri de mașini.

Implicații practice:

• Turnatul mineral este recomandat pentru centre de prelucrare înalte viteze unde amortizarea vibrațiilor contribuie direct la durata sculei și la calitatea suprafeței.

• Sudurile din oțel rămân potrivite pentru aplicații sensibile la costuri cu sarcini mari de așchiere.

5 Concluzie

Testele cantitative au demonstrat că bazele realizate din turnat mineral asigură o reducere a vibrațiilor cu 18–25% mai bună decât sudurile din oțel, în special în intervalul de 200–500 Hz. Sudurile din oțel își păstrează avantajele în ceea ce privește rigiditatea și costul mai scăzut de producție. Cercetările viitoare ar trebui să includă teste de ciclare termică și structuri hibride de bază, pentru a combina beneficiile ambelor materiale.