Oceľová zváraná konštrukcia vs. základňa z minerálového liatu pre tlmenie vibrácií

PFT, Shenzhen

Abstraktné

Dizajn základne stroja zohráva dôležitú úlohu pri stabilizácii presnosti spracovania tým, že kontroluje vibrácie. Táto štúdia porovnáva základne zo zváraných ocelí a minerálnych liatin z hľadiska účinnosti tlmenia vibrácií. Boli vyvinuté modely metódou konečných prvkov a boli vykonané modálne testy na vyhodnotenie vlastnej frekvencie, pomeru tlmenia a odozvy posunutia pri simulovaných rezných zaťaženiach. Výsledky ukazujú, že základne z minerálnych liatin majú o 18–25 % vyššiu tlmiacu schopnosť v porovnaní so zváranými ocelovými konštrukciami, najmä v pásme frekvencií 200–500 Hz. Zvárané ocelové konštrukcie však vykazujú výhody z hľadiska tuhosti konštrukcie a nižšej počiatočnej ceny. Zistenia poskytujú kvantitatívne dôkazy pre výber materiálov pre základne strojov v závislosti od priorít výkonu.

1 Úvod

Základy strojov sú základom pre celkovú stabilitu systému. Vibrácie vznikajúce počas obrábyania vysokou rýchlosťou priamo ovplyvňujú rozmerovú presnosť, opotrebenie nástroja a kvalitu povrchu. Výber materiálu pre konštrukciu základne určuje tuhosť aj tlmenie. Zatiaľ čo zvárané konštrukcie zo ocele sú široko používané vďaka jednoduchej výrobe, základy z minerálneho liatu získali pozornosť vďaka vynikajúcemu tlmeniu. Táto štúdia preskúmava kvantitatívne rozdiely medzi týmito dvoma materiálmi v kontrolovaných experimentálnych podmienkach.

2 Výskumná metóda

2.1 Návrhový prístup

Dva prototypy základní s rovnakou geometriou boli vyrobené: jeden z oceľových zváraných plechov a jeden z kompozitu minerálneho liatu. Oba návrhy dodržiavali štandardné rozmery základní strojov (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Zdroje údajov

• Materiálové vlastnosti boli prevzaté z údajových listov výrobcov a overené skúškami pevnosti v ťahu a tlaku.

• Údaje z vibračných testov boli získané z vlastných experimentov vykonaných v máji až júli 2025.

2.3 Experimentálne nástroje a modely

• Metóda konečných prvkov (FEA): Program ANSYS 2024 bol použitý na modelovanie modálnych frekvencií a rozloženia napätia.

• Modálny testovací systém: Záznam dynamického odozvy bol uskutočnený pomocou vybaveného kladiva a akcelerometrov (PCB Piezotronics, Model 352C).

• Spracovanie signálu: Funkcie frekvenčnej odozvy boli analyzované v programe MATLAB R2024b za účelom určenia pomerov tlmenia.

Všetky postupy boli opakované trikrát, aby sa zabezpečila reprodukovateľnosť.

3 Výsledky a analýza

3.1 Vlastná frekvencia

Tabuľka 1 sumarizuje prvé tri vlastné frekvencie. Zváraná oceľová konštrukcia vykazovala mierne vyššie hodnoty v dôsledku väčšej tuhosti.

Tabuľka 1 Prirodzené frekvencie ocelových a minerálnych liatinových základov

3.2 Pomer tlmenia

Obrázok 1 ilustruje porovnanie pomeru tlmenia. Minerálna liatina dosiahla až 0,042, zatiaľ čo oceľ zostala pod 0,034.

Obrázok 1 Pomery tlmenia oceľových a minerálnych liatinových základov (namerané v rozsahu 200–500 Hz)

3.3 Odozva posunutia

Pri rovnakej budiacich sile (300 N) minerálne liatinové základy znížili amplitúdu vrcholového posunutia priemerne o 21 %.

3.4 Porovnávací rozbor

Existujúce štúdie [1–2] uvádzajú 15–20 % zlepšenie tlmenia u materiálov z minerálnej liatiny. Súčasné výsledky potvrdzujú a rozširujú tieto zistenia pomocou priamych konštrukčných prototypov a zdôrazňujú konzistentné výkonové výhody v strednom frekvenčnom rozsahu.

4 Diskusia

Vynikajúce tlmenie kmitania pri minerálnom liate je predovšetkým dôsledkom jeho kompozitnej mikroštruktúry, pričom polymérmi viazané agregáty rozptyľujú kmitavú energiu prostredníctvom vnútorného trenia. Oceľové zvárané konštrukcie, aj keď menej účinné pri tlmení, poskytujú vyššiu štrukturálnu tuhosť, čo je výhodné pre aplikácie s vysokou záťažou.

Obmedzenia:

• Tepelné efekty neboli zahrnuté do tejto štúdie, aj keď môžu ovplyvniť dlhodobú stabilitu.

• Bola testovaná iba jedna geometrická konfigurácia, čo obmedzuje možnosť zovšeobecnenia na iné konštrukcie strojov.

Praktické dôsledky:

• Minerálny liat je odporúčaný pre vysoce výkonné obrábacie centrá, kde tlmenie kmitania priamo predlžuje trvanlivosť nástroja a zlepšuje kvalitu povrchu.

• Oceľové zvárané konštrukcie ostávajú vhodné pre nákladovo citlivé aplikácie s vysokými reznými záťažami.

5 Záver

Kvantitatívne testovanie ukázalo, že základy z minerálneho liatu zabezpečujú o 18–25 % lepšie tlmenie vibrácií ako oceľové zvárané konštrukcie, najmä v rozsahu 200–500 Hz. Oceľové zvárané konštrukcie si zachovávajú výhody v tuhosti a nižších výrobných nákladoch. Budúci výskum by mal zahŕňať testy tepelného cyklovania a hybridné konštrukcie základov, aby sa kombinovali výhody oboch materiálov.