โครงสร้างเหล็กเชื่อมแบบสตีลเทียบกับฐานเครื่องจักรแบบหล่อจากแร่ธาตุสำหรับการดูดซับการสั่นสะเทือน

PFT, Shenzhen

ภาพย่อ

การออกแบบฐานเครื่องจักรมีบทบาทสำคัญในการควบคุมการสั่นสะเทือนเพื่อให้ได้ความแม่นยำในการกลึงที่คงที่ การศึกษานี้เปรียบเทียบฐานที่ทำจากเหล็กเชื่อมและฐานที่ทำจากคอนกรีตแร่ในแง่ของประสิทธิภาพในการดูดซับการสั่นสะเทือน มีการพัฒนาแบบจำลองไฟไนต์อีเลเมนต์ และดำเนินการทดสอบเชิงโหมดเพื่อประเมินความถี่ธรรมชาติ อัตราส่วนการดับสั่น และการตอบสนองการเคลื่อนที่ภายใต้ภาระงานจำลองในการตัดวัสดุ ผลการศึกษาชี้ให้เห็นว่าฐานที่ทำจากคอนกรีตแร่มีความสามารถในการดับสั่นสะเทือนสูงกว่าฐานเหล็กเชื่อม 18–25% โดยเฉพาะในช่วงความถี่ 200–500 เฮิรตซ์ อย่างไรก็ตาม ฐานเหล็กเชื่อมมีข้อได้เปรียบในด้านความแข็งแรงของโครงสร้างและความเสียหายเริ่มต้นที่ต่ำกว่า ผลลัพธ์ที่ได้ให้หลักฐานเชิงปริมาณสำหรับการเลือกวัสดุฐานเครื่องจักรตามลำดับความสำคัญของประสิทธิภาพ

1 การนําเสนอ

ฐานเครื่องมือกลถือเป็นพื้นฐานสำคัญต่อความเสถียรโดยรวมของระบบ การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นระหว่างการกลึงความเร็วสูงมีผลโดยตรงต่อความแม่นยำด้านมิติ อัตราการสึกหรอของเครื่องมือ และคุณภาพพื้นผิว การเลือกวัสดุสำหรับโครงสร้างฐานเป็นสิ่งที่กำหนดทั้งความแข็งแกร่งและการดูดซับแรงสั่นสะเทือน ในขณะที่โครงสร้างแบบเชื่อมเหล็กถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจากความสะดวกในการผลิต ฐานที่ทำจากคอนกรีตแร่กลับได้รับความสนใจมากขึ้นเนื่องจากมีสมรรถนะการดูดซับแรงสั่นสะเทือนที่ดีกว่า บทความนี้มีการศึกษาและเปรียบเทียบความแตกต่างเชิงปริมาณระหว่างวัสดุทั้งสองชนิดภายใต้เงื่อนไขการทดลองที่ควบคุมไว้

2 วิธีการวิจัย

2.1 แนวทางการออกแบบ

สร้างต้นแบบฐานสองชิ้นที่มีรูปทรงเรขาคณิตเหมือนกัน โดยชิ้นหนึ่งทำจากแผ่นเหล็กเชื่อม และอีกชิ้นหนึ่งทำจากคอมโพสิตคอนกรีตแร่ ทั้งสองแบบออกแบบให้เป็นไปตามมิติมาตรฐานของฐานเครื่องมือกล (1.2 เมตร × 0.8 เมตร × 0.6 เมตร)

2.2 แหล่งข้อมูล

• คุณสมบัติของวัสดุถูกอ้างอิงจากข้อมูลทางเทคนิคของผู้จัดจำหน่าย และตรวจสอบยืนยันด้วยการทดสอบแรงดึงและแรงอัด

• ข้อมูลการทดสอบการสั่นสะเทือนได้รับการเก็บรวบรวมจากการทดลองภายในระหว่างเดือนพฤษภาคมถึงกรกฎาคม 2025

2.3 เครื่องมือและแบบจำลองในการทดลอง

• การวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์อีเลเมนต์ (FEA): ANSYS 2024 ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบบจำลองความถี่เชิงโหมดและการกระจายแรงดันเครียด

• การทดสอบเชิงโหมด (Modal Testing): ค้อนที่ติดตั้งเครื่องมือและเครื่องตรวจวัดความเร่ง (PCB Piezotronics, รุ่น 352C) ใช้สำหรับบันทึกการตอบสนองแบบไดนามิก

• การประมวลผลสัญญาณ: ฟังก์ชันตอบสนองความถี่ได้รับการวิเคราะห์ด้วย MATLAB R2024b เพื่อแยกอัตราการลดแรงสั่นสะเทือน

ขั้นตอนทั้งหมดได้รับการดำเนินการซ้ำสามครั้งเพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือ

3 ผลลัพธ์และการวิเคราะห์

3.1 ความถี่ธรรมชาติ

ตารางที่ 1 สรุปความถี่ธรรมชาติสามอันดับแรก โครงสร้างเชื่อมเหล็กให้ค่าที่สูงกว่าเล็กน้อยเนื่องจากความแข็งแกร่งที่มากกว่า

ตารางที่ 1 ความถี่ธรรมชาติของฐานเหล็กเทียบกับฐานแบบหล่อจากแร่

3.2 อัตราส่วนการลดแรงสั่นสะเทือน

รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบอัตราส่วนการลดแรงสั่นสะเทือน ฐานหล่อจากแร่ให้ค่าสูงสุดถึง 0.042 ในขณะที่ฐานเหล็กมีค่าต่ำกว่า 0.034

รูปที่ 1 อัตราส่วนการลดแรงสั่นสะเทือนของฐานเหล็กและฐานหล่อจากแร่ (วัดค่าในช่วง 200–500 Hz)

3.3 ปฏิกิริยาการเคลื่อนที่

ภายใต้แรงกระตุ้นเท่ากัน (300 N) ฐานหล่อจากแร่สามารถลดแอมพลิจูดการเคลื่อนที่สูงสุดลงได้เฉลี่ย 21%

3.4 การวิเคราะห์เปรียบเทียบ

งานวิจัยก่อนหน้านี้ [1–2] รายงานว่ามีการปรับปรุงประสิทธิภาพการลดแรงสั่นสะเทือนของวัสดุฐานหล่อจากแร่อยู่ที่ 15–20% ผลการวิจัยในปัจจุบันยืนยันและขยายผลจากงานวิจัยเดิมโดยใช้ต้นแบบโครงสร้างจริง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบในการทำงานที่สม่ำเสมอในช่วงความถี่ปานกลาง

4 การอภิปราย

คุณสมบัติการดูดซับแรงสั่นสะเทือนที่ยอดเยี่ยมของแร่ธาตุแบบหล่อ (mineral cast) มีสาเหตุหลักมาจากการจัดเรียงโครงสร้างจุลภาคแบบคอมโพสิต ซึ่งในที่นี้อนุภาคที่ยึดติดด้วยพอลิเมอร์จะช่วยกระจายพลังงานการสั่นสะเทือนผ่านแรงเสียดทานภายใน ส่วนโครงสร้างเหล็กเชื่อมแม้ว่าจะมีประสิทธิภาพในการดูดซับแรงสั่นสะเทือนต่ำกว่า แต่กลับให้ความแข็งแรงทนทานของโครงสร้างที่สูงกว่า ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการใช้งานที่ต้องรับน้ำหนักมาก

ข้อจำกัด:

• ผลกระทบจากอุณหภูมิไม่ได้ถูกรวมอยู่ในการศึกษานี้ แม้ว่าอาจมีผลต่อความเสถียรในระยะยาวก็ตาม

• มีการทดสอบเพียงแค่รูปแบบทางเรขาคณิตเดียว ซึ่งทำให้ข้อสรุปที่ได้มีข้อจำกัดในการนำไปประยุกต์ใช้กับการออกแบบเครื่องจักรรูปแบบอื่น

ข้อคิดเห็นเชิงปฏิบัติ:

• แร่ธาตุแบบหล่อ (mineral cast) ถูกแนะนำให้ใช้กับเครื่องจักรความเร็วสูง โดยเฉพาะในกรณีที่การลดแรงสั่นสะเทือนมีผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือและคุณภาพของพื้นผิวชิ้นงาน

• โครงสร้างเหล็กเชื่อมยังคงเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ต้องคำนึงถึงต้นทุนเป็นหลัก โดยเฉพาะงานที่เกี่ยวข้องกับแรงตัดที่สูง

5 สรุป

การทดสอบเชิงปริมาณแสดงให้เห็นว่า ฐานที่ผลิตจากแร่หล่อให้การดูดซับการสั่นสะเทือนได้ดีกว่าโครงสร้างเหล็กเชื่อมถึง 18–25% โดยเฉพาะในช่วงความถี่ 200–500 เฮิรตซ์ โครงสร้างเหล็กเชื่อมยังคงมีข้อได้เปรียบในด้านความแข็งแรงและการผลิตที่มีต้นทุนต่ำกว่า การวิจัยในอนาคตควรรวมถึงการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ และโครงสร้างฐานแบบผสม เพื่อรวมเอาข้อดีของวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกัน