Stålsvetsat mot mineralgjuten maskinbas för vibrationsdämpning

PFT, Shenzhen

Abstrakt

Maskinbaskonstruktion spelar en avgörande roll för att stabilisera bearbetningsprecision genom att kontrollera vibrationer. Denna studie jämför stålsvetsningar och mineralgjutna baser vad gäller effektivitet i vibrationsdämpning. Finita elementmodeller utvecklades och modelltester genomfördes för att utvärdera naturlig frekvens, dämpningskvot och förskjutningsrespons under simulerade skärbelastningar. Resultaten visar att mineralgjutna baser uppvisar 18–25 % högre dämpningskapacitet än stålsvetsningar, särskilt inom frekvensområdet 200–500 Hz. Stålsvetsningar visar dock fördelar vad gäller strukturell styvhet och lägre ursprungskostnad. Resultaten ger kvantitativ evidens för val av material till maskinbaser beroende på prestandafokus.

1 inledning

Maskinverktygsbaser är grundläggande för hela systemets stabilitet. Vibrationer som uppstår vid höghastighetsbearbetning påverkar direkt måttlig precision, verktygs slitage och ytans kvalitet. Valet av material för basstrukturen bestämmer både styvhet och dämpningsförmåga. Även om stålkonstruktioner har använts flitigt på grund av enkel tillverkning, så har mineralgjutna baser fått ökad uppmärksamhet för sin överlägsna dämpningsförmåga. Denna studie undersöker kvantitativa skillnader mellan dessa två material under kontrollerade experimentella förhållanden.

2 Forskningsmetod

2.1 Designmetodik

Två prototypbaser med identisk geometri konstruerades: en av svetsade stålplåtar och en av mineralgjuten komposit. Båda konstruktionerna följde standardmått för maskinverktygsbaser (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Datakällor

• Materialens egenskaper hämtades från leverantörens datablad och verifierades genom drag- och tryckhållfasthetstester.

• Vibrationsdata samlades in från interna experiment som genomfördes mellan maj–juli 2025.

2.3 Experimentella verktyg och modeller

• Finita elementanalys (FEA): ANSYS 2024 användes för att modellera modalfrekvenser och spänningsfördelningar.

• Modalexperiment: En instrumenterad hammare och accelerometrar (PCB Piezotronics, modell 352C) registrerade dynamiska responsen.

• Signalbehandling: Frekvenssvarsfunktioner analyserades med MATLAB R2024b för att extrahera dämpningskvoter.

Alla procedurer upprepades tre gånger för att säkerställa reproducerbarhet.

3 Resultaten och analysen

3.1 Egenfrekvens

Tabell 1 sammanfattar de tre första egenfrekvenserna. Stålsvetskonstruktionen visade något högre värden på grund av större styvhet.

Tabell 1 Naturliga frekvenser för stål jämfört med baser av mineralgjutgods

3.2 Dämpningskvot

Figur 1 illustrerar jämförelsen av dämpningskvoten. Mineralgjutgods uppnådde upp till 0,042, medan stål förblev under 0,034.

Figur 1 Dämpningskvoter för stål- och mineralgjutgodsbaser (mätningar i intervallet 200–500 Hz)

3.3 Förskjutningsrespons

Under ekvivalent exiteringskraft (300 N) minskade baser av mineralgjutgods amplituden för toppförskjutning med i genomsnitt 21 %.

3.4 Jämförande analys

Befintliga studier [1–2] rapporterade 15–20 % förbättringar i dämpning för mineralgjutgods. Dessa resultat bekräftar och utökar dessa slutsatser med direkta strukturella prototyper och visar tydliga prestandafördelar i medelfrekvensområdena.

4 Diskussion

Den överlägsna dämpningsförmågan hos mineralgjut beror huvudsakligen på dess sammansatta mikrostruktur, där polymerbundna aggregat förbrukar vibrerande energi genom inre friktion. Stålsvetsningar, även om de är mindre effektiva vad gäller dämpning, erbjuder högre strukturell styvhet, vilket gynnar applikationer med tunga laster.

Begränsningar:

• Termiska effekter inkluderades inte i denna studie, även om de kan påverka långsiktig stabilitet.

• Endast en geometrisk konfiguration testades, vilket begränsar generaliseringen till andra maskinmodeller.

Praktiska implikationer:

• Mineralgjut rekommenderas för höghastighetsmaskincenter där vibrationsdämpning direkt förbättrar verktygslivslängd och ytfinish.

• Stålsvetsningar är fortfarande lämpliga för kostnadskänsliga applikationer med tunga skärningsbelastningar.

5 Slutsatser

Kvantitativa tester visade att mineralgjutna baser ger 18–25 % bättre vibrationsdämpning än stålsvetsningar, särskilt inom området 200–500 Hz. Stålsvetsningar behåller fördelar vad gäller styvhet och lägre produktionskostnad. Framtida forskning bör omfatta termocyklertest och hybrida basstrukturer för att kombinera fördelarna med båda materialen.