Сравнение сварных стальных и минералокомпозитных основ станков по эффективности гашения вибрации

PFT, Шэньчжэнь

Реферат

Конструкция основания станка играет важную роль в обеспечении стабильности точности обработки за счет контроля вибрации. В данном исследовании сравниваются сварные стальные и минералокастные основания с точки зрения эффективности демпфирования вибрации. Были разработаны модели метода конечных элементов, а также проведены модальные испытения для оценки собственной частоты, коэффициента демпфирования и реакции смещения под действием моделируемых нагрузок резания. Результаты показывают, что минералокастные основания обладают на 18–25% более высокой способностью демпфирования по сравнению со сварными стальными конструкциями, особенно в диапазоне частот 200–500 Гц. Однако сварные стальные конструкции имеют преимущества в отношении жесткости каркаса и более низкой начальной стоимости. Полученные данные предоставляют количественное обоснование выбора материалов для основания станка в зависимости от приоритетов производительности.

1 введение

Основания станков играют ключевую роль в общей устойчивости системы. Вибрация, возникающая при высокоскоростной обработке, напрямую влияет на размерную точность, износ инструмента и качество поверхности. Выбор материала для конструкции основания определяет жесткость и способность к демпфированию. Хотя сварные стальные конструкции широко используются благодаря простоте изготовления, основания из минерального литого материала привлекают внимание благодаря превосходным демпфирующим характеристикам. В данной статье рассматриваются количественные различия между этими двумя материалами в контролируемых экспериментальных условиях.

2 Метод исследования

2.1 Метод проектирования

Были созданы два прототипа оснований с одинаковой геометрией: одно из сварных стальных пластин, а другое — из композитного материала минерального литья. Оба проекта соответствовали стандартным размерам оснований станков (1,2 м × 0,8 м × 0,6 м).

2.2 Источники данных

• Свойства материалов были взяты из технических спецификаций поставщиков и подтверждены испытаниями на растяжение и сжатие.

• Данные вибрационных испытаний были собраны в ходе внутренних экспериментов, проведенных в период с мая по июль 2025 года.

2.3 Экспериментальные инструменты и модели

• Метод конечных элементов (FEA): Для моделирования модальных частот и распределения напряжений использовался ANSYS 2024.

• Модальные испытания: Инструментальный молоток и акселерометры (PCB Piezotronics, модель 352C) записывали динамический отклик.

• Обработка сигналов: Функции частотной характеристики анализировались с помощью MATLAB R2024b для определения коэффициентов демпфирования.

Все процедуры повторялись три раза для обеспечения воспроизводимости.

3 Результаты и анализ

3.1 Собственная частота

Таблица 1 содержит сводку первых трех собственных частот. Стальной сварной узел показал немного более высокие значения из-за большей жесткости.

Таблица 1 Собственные частоты стальных и минералоотливных оснований

3.2 Коэффициент демпфирования

На рисунке 1 показано сравнение коэффициентов демпфирования. Для минералоотливных оснований этот показатель достигал 0,042, тогда как у стали он оставался ниже 0,034.

Рисунок 1 Коэффициенты демпфирования для стальных и минералоотливных оснований (измерено в диапазоне 200–500 Гц)

3.3 Отклик на смещение

При одинаковой возбуждающей силе (300 Н) минералоотливные основания снизили амплитуду пикового смещения в среднем на 21%.

3.4 Сравнительный анализ

Существующие исследования [1–2] показали улучшение демпфирования минералоотливных материалов на 15–20%. Полученные результаты подтверждают и дополняют эти данные испытаниями реальных конструкций, демонстрируя стабильные эксплуатационные преимущества в среднечастотном диапазоне.

4 Обсуждение

Превосходные демпфирующие свойства минерального литья в первую очередь обусловлены его композитной микроструктурой, где заполнители, связанные полимером, рассеивают вибрационную энергию посредством внутреннего трения. Стальные сварные конструкции, хотя и менее эффективны в плане демпфирования, обеспечивают более высокую структурную жесткость, что выгодно для применений с высокими нагрузками.

Ограничения:

• Тепловые эффекты не были включены в это исследование, хотя они могут влиять на долгосрочную стабильность.

• Была испытана только одна геометрическая конфигурация, что ограничивает применимость результатов к другим конструкциям машин.

Практические выводы:

• Минеральное литье рекомендуется использовать в высокоскоростных обрабатывающих центрах, где демпфирование вибраций напрямую улучшает срок службы инструмента и качество обработанной поверхности.

• Стальные сварные конструкции остаются подходящим выбором для экономичных применений с высокими нагрузками при резке.

5 Заключение

Количественные испытания показали, что основания из минерального литья обеспечивают на 18–25% лучшее подавление вибраций по сравнению со стальными сварными конструкциями, особенно в диапазоне 200–500 Гц. Стальные сварные конструкции сохраняют преимущества в жесткости и более низкой себестоимости производства. В дальнейших исследованиях следует включить испытания на термоциклирование и гибридные конструкции оснований, чтобы объединить преимущества обоих материалов.