Steel Weldment kumpara sa Mineral Cast Machine Base para sa Pagbawas ng Vibration

PFT, Shenzhen

Abstrak

Ang disenyo ng base ng makina ay gumaganap ng mahalagang papel sa pagpapanatili ng katiyakan sa pamamagitan ng kontrol sa pag-vibrate. Ito pag-aaral ay nagpapakita ng paghahambing sa pagitan ng bakal na pinagsama-samang base at mineral cast na base sa tuntunin ng kahusayan sa pagbawas ng pag-vibrate. Ginawa ang mga modelo ng finite element at isinagawa ang modal testing upang masuri ang natural na frequency, damping ratio, at tugon ng displacement sa ilalim ng mga pinagmumulan ng kuryente na pinagmamanan. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang mineral cast na base ay mayroong 18–25% mas mataas na kapasidad sa damping kumpara sa bakal na pinagsama-samang base, lalo na sa saklaw ng frequency na 200–500 Hz. Gayunpaman, ang bakal na pinagsama-samang base ay may mga bentahe sa kaligkasan ng istraktura at mas mababang paunang gastos. Ang mga natuklasan ay nagbibigay ng kwalitatibong ebidensya para sa pagpili ng mga materyales sa base ng makina ayon sa mga prayoridad ng pagganap.

1 pagpapakilala

Ang mga base ng machine tool ay mahalaga sa kabuuang istabilidad ng sistema. Ang pag-vibrate na nangyayari habang nangyayari ang high-speed machining ay direktang nakakaapekto sa dimensional accuracy, tool wear, at surface quality. Ang pagpili ng materyales para sa base structure ay nagdedetermine ng kahigpit at kakayahan ng damping. Bagama't ang mga steel weldment ay malawakang ginagamit dahil sa kadalian ng paggawa, ang mineral cast bases ay nakakuha ng atensyon dahil sa superior damping performance. Ito ay nag-iimbestiga sa quantitative differences sa pagitan ng dalawang materyales sa ilalim ng controlled experimental conditions.

2 Pamamaraan ng Pananaliksik

2.1 Diskarte sa Disenyo

Dalawang prototype bases na may parehong geometry ang ginawa: isa mula sa welded steel plates at isa mula sa mineral cast composite. Ang parehong disenyo ay sumunod sa standard na sukat ng machine tool base (1.2 m × 0.8 m × 0.6 m).

2.2 Mga Pinagkunan ng Datos

• Kinuha ang mga katangian ng materyales mula sa mga datasheet ng supplier at napatunayan sa pamamagitan ng tensile at compressive strength tests.

• Ang datos ng vibration test ay nakolekta mula sa mga eksperimento sa loob ng bahay na isinagawa noong May–Hulyo 2025.

2.3 Mga Kagamitan at Modelo sa Eksperimento

• Finite Element Analysis (FEA): Ginamit ang ANSYS 2024 upang modelo ang modal frequencies at stress distributions.

• Modal Testing: Isang instrumented hammer at accelerometers (PCB Piezotronics, Model 352C) ang nagrekord ng dynamic response.

• Pagproseso ng signal: Binigyang-analisa ang frequency response functions gamit ang MATLAB R2024b upang makuha ang damping ratios.

Ulitin nang tatlong beses ang lahat ng proseso upang matiyak ang reproducibility.

3 Mga Resulta at Pagsusuri

3.1 Natural Frequency

Ipinapakita ng Table 1 ang unang tatlong natural frequencies. Mas mataas ang mga halaga ng steel weldment dahil sa mas mataas na stiffness.

Talaan 1 Mga likas na dalas ng asero kumpara sa mga base na mineral cast

3.2 Damping Ratio

Nagpapakita ng Figure 1 ang paghahambing ng damping ratio. Nakamit ng mineral cast hanggang 0.042, samantalang nasa ilalim pa rin ng 0.034 ang asero.

Figure 1 Mga damping ratio para sa asero at mineral cast na base (na sinusukat sa 200–500 Hz)

3.4 Comparative Analysis

Sa ilalim ng katumbas na puwersa ng pag-udyok (300 N), binawasan ng mineral cast na base ang peak displacement amplitude ng isang average na 21%.

3.3 Displacement Response

Ang mga umiiral na pag-aaral [1–2] ay naiulat ng 15–20% na pagpapabuti sa damping para sa mineral cast na materyales. Ang kasalukuyang natuklasan ay nagpapatunay at nagpapalawig sa mga resulta na ito sa pamamagitan ng direktang structural prototypes, na nagpapakita ng pare-parehong mga pagkakatulad sa pagganap sa gitnang dalas na saklaw.

4 Talakayan

Ang superior na damping behavior ng mineral cast ay pangunahing dulot ng kanyang composite microstructure, kung saan ang polymer-bound aggregates ay nagdudulot ng pagkasayang ng vibrational energy sa pamamagitan ng internal friction. Ang steel weldments, bagaman mas hindi mahusay sa damping, ay nagbibigay ng mas mataas na structural rigidity, na nagbubunga sa mga aplikasyon na may mabigat na karga.

Limitasyon:

• Ang thermal effects ay hindi isinama sa pag-aaral na ito, bagaman maaaring makaapekto ito sa long-term stability.

• Tanging isang geometric configuration lamang ang nasubok, na naglilimita sa generalization sa iba pang disenyo ng makina.

Mga Praktikal na Implikasyon:

• Inirerekomenda ang mineral cast para sa high-speed machining centers kung saan ang vibration damping ay direktang nagpapabuti sa tool life at surface finish.

• Nanatiling angkop ang steel weldments para sa mga aplikasyon na sensitibo sa gastos na may mabigat na cutting loads.

5 Konklusyon

Napakita ng quantitative testing na ang mineral cast bases ay mayroong 18–25% mas magandang vibration damping kaysa sa steel weldments, lalo na sa saklaw na 200–500 Hz. Ang steel weldments ay nananatiling may bentahe sa tigidity at mas mababang gastos sa produksyon. Ang susunod na pananaliksik ay dapat magsama ng thermal cycling tests at hybrid base structures upang mapagsama ang mga benepisyo ng parehong materyales.