Зварна стальна конструкція та мінеральний литий фундамент для зменшення вібрації

PFT, Шеньчжень

АБСТРАКТ

Конструкція основи верстата відіграє важливу роль у стабілізації точності обробки шляхом контролю вібрації. У цьому дослідженні порівнюються основи зі сталевого зварювального металу та мінерального лиття з точки зору ефективності гасіння вібрації. Були створені моделі методом скінченних елементів і проведено модальні випробування для оцінки природної частоти, коефіцієнта демпфування та відгуку зсуву під час симульованих силових навантажень. Результати показують, що основи з мінерального лиття мають на 18–25% вищу здатність демпфування, ніж сталеві зварні основи, особливо в діапазоні частот 200–500 Гц. Однак сталеві зварні основи мають переваги в структурній жорсткості та нижчій початковій вартості. Отримані результати надають кількісні докази для вибору матеріалів основ верстатів залежно від пріоритетів продуктивності.

1 Вступ

Основи верстатів мають ключове значення для загальної стабільності системи. Вібрація, що виникає під час обробки на високих швидкостях, безпосередньо впливає на розмірну точність, знос інструменту та якість поверхні. Вибір матеріалу для конструкції основи визначає її жорсткість і здатність гасити вібрації. Хоча зварні конструкції зі сталі широко використовуються завдяки простоті виготовлення, основи з мінерального лиття отримали визнання завдяки кращим характеристикам гасіння вібрацій. У цій статті досліджуються кількісні відмінності між цими двома матеріалами за контрольованих експериментальних умов.

2 Метод дослідження

2.1 Підхід до проектування

Було створено два прототипи основ однакової геометрії: один — зі зварних сталевих листів, а інший — з композиту мінерального лиття. Обидві конструкції відповідали стандартним розмірам основ верстатів (1,2 м × 0,8 м × 0,6 м).

2.2 Джерела даних

• Властивості матеріалів були взяті з даних виробника та підтверджені випробуваннями на розтягнення та стиск.

• Дані вібраційного тестування були зібрані з внутрішніх експериментів, проведених у травні–липні 2025 року.

2.3 Експериментальні інструменти та моделі

• Метод скінченних елементів (FEA): ANSYS 2024 використовувався для моделювання модальних частот і розподілу напружень.

• Модальне тестування: Інструментальний молоток і акселерометри (PCB Piezotronics, модель 352C) реєстрували динамічну відповідь.

• Обробка сигналу: Функції частотної відповіді аналізувалися за допомогою MATLAB R2024b для визначення коефіцієнтів демпфування.

Усі процедури повторювали тричі для забезпечення відтворюваності.

3 Результати та Аналіз

3.1 Власна частота

Таблиця 1 узагальнює перші три власні частоти. Зварна конструкція зі сталі демонструвала трохи вищі значення через більшу жорсткість.

Таблиця 1 Власні частоти основ із сталі та мінерального лиття

3.2 Коефіцієнт згасання

На рисунку 1 показано порівняння коефіцієнтів згасання. Для мінерального лиття цей показник досяг 0,042, тоді як для сталі він залишався нижчим за 0,034.

Рисунок 1 Коефіцієнти згасання для основ із сталі та мінерального лиття (виміряно в діапазоні 200–500 Гц)

3.3 Відгук зсуву

При однаковій збуджувальній силі (300 Н) основи з мінерального лиття зменшили амплітуду пікового зсуву в середньому на 21%.

3.4 Порівняльний аналіз

У наявних дослідженнях [1–2] було зафіксовано поліпшення згасання для матеріалів із мінерального лиття на 15–20%. Отримані результати підтверджують і доповнюють ці дані за допомогою натурних конструкцій, що демонструє стабільні експлуатаційні переваги в середньочастотному діапазоні.

4 Обговорення

Висока здатність до зменшення вібрацій у мінеральному литті в основному зумовлена його композитною мікроструктурою, у якій агрегати, зв’язані полімером, розсіюють вібраційну енергію через внутрішнє тертя. Сталеві зварні конструкції, хоча й менш ефективні у згасанні вібрацій, забезпечують вищу структурну жорсткість, що корисно для застосування в умовах важких навантажень.

Обмеження:

• Теплові ефекти не були включені в це дослідження, хоча вони можуть впливати на тривалу стабільність.

• Було випробувано лише один геометричний варіант, що обмежує можливість узагальнення на інші конструкції машин.

Практичні висновки:

• Мінеральне лиття рекомендується для високошвидкісних обробних центрів, де зменшення вібрацій безпосередньо підвищує термін служби інструменту та якість обробленої поверхні.

• Сталеві зварні конструкції залишаються придатними для варіантів застосування, чутливих до вартості, з важкими режимами різання.

5 Висновок

Кількісні випробування показали, що основи з мінерального лиття забезпечують на 18–25% краще гасіння вібрацій, ніж сталеві зварні конструкції, особливо в діапазоні 200–500 Гц. Сталеві зварні конструкції зберігають переваги у жорсткості та нижчій вартості виробництва. Подальші дослідження мають включати випробування на теплове циклювання та гібридні конструкції основ, щоб поєднати переваги обох матеріалів.