Khung Thép Hàn và Đế Máy Chế Tạo từ Nhựa Khoáng về Giảm Chấn Động

PFT, Thâm Quyến

Tóm tắt

Thiết kế bệ máy đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định độ chính xác gia công bằng cách kiểm soát rung động. Nghiên cứu này so sánh các bệ làm bằng thép hàn và bệ làm bằng vật liệu khoáng đúc về hiệu quả giảm rung động. Các mô hình phần tử hữu hạn đã được xây dựng và thử nghiệm dao động đã được thực hiện để đánh giá tần số tự nhiên, tỷ lệ giảm chấn và phản ứng dịch chuyển dưới tải cắt được mô phỏng. Kết quả cho thấy các bệ làm từ vật liệu khoáng đúc có khả năng giảm chấn cao hơn 18–25% so với bệ thép hàn, đặc biệt trong dải tần số từ 200–500 Hz. Tuy nhiên, bệ thép hàn lại có ưu điểm về độ cứng vững của kết cấu và chi phí ban đầu thấp hơn. Những phát hiện này cung cấp bằng chứng định lượng để lựa chọn vật liệu bệ máy phù hợp với các ưu tiên về hiệu năng.

1 giới thiệu

Bệ máy công cụ là yếu tố nền tảng đối với độ ổn định tổng thể của hệ thống. Dao động phát sinh trong quá trình gia công tốc độ cao trực tiếp ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước, mài mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt. Việc lựa chọn vật liệu cho cấu trúc bệ xác định cả độ cứng vững và khả năng giảm chấn. Mặc dù các bệ bằng thép hàn đã được sử dụng rộng rãi nhờ vào ưu điểm dễ gia công chế tạo, nhưng các bệ làm từ vật liệu đúc khoáng đang thu hút sự chú ý nhờ hiệu suất giảm chấn vượt trội. Bài báo này nghiên cứu sự khác biệt định lượng giữa hai loại vật liệu này trong điều kiện thí nghiệm được kiểm soát.

2 Phương pháp nghiên cứu

2.1 Phương pháp thiết kế

Hai mẫu bệ có hình dạng và kích thước giống hệt nhau đã được chế tạo: một bệ làm từ thép tấm hàn và một bệ làm từ vật liệu composite đúc khoáng. Cả hai thiết kế đều tuân thủ các kích thước tiêu chuẩn của bệ máy công cụ (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Nguồn Dữ Liệu

• Các đặc tính vật liệu được lấy từ bảng thông số kỹ thuật của nhà cung cấp và được kiểm chứng thông qua các thử nghiệm về độ bền kéo và nén.

• Dữ liệu thử nghiệm rung được thu thập từ các thí nghiệm nội bộ được thực hiện giữa tháng 5 đến tháng 7 năm 2025.

2.3 Công cụ và Mô hình Thí nghiệm

• Phân tích Phần tử Hữu hạn (FEA): ANSYS 2024 được sử dụng để mô hình hóa tần số dao động riêng và phân bố ứng suất.

• Thử nghiệm Dao động Riêng (Modal Testing): Một chiếc búa có gắn cảm biến và các gia tốc kế (PCB Piezotronics, Mô hình 352C) ghi lại phản ứng động học.

• Xử lý tín hiệu: Các hàm đáp ứng tần số được phân tích bằng MATLAB R2024b để trích xuất tỷ lệ giảm chấn.

Tất cả các quy trình được lặp lại ba lần để đảm bảo khả năng tái lập.

3 Kết Quả và Phân Tích

3.1 Tần số Dao động Riêng

Bảng 1 tóm tắt ba tần số dao động riêng đầu tiên. Kết cấu hàn bằng thép cho thấy giá trị cao hơn một chút do độ cứng lớn hơn.

Bảng 1 Tần số tự nhiên của đế thép so với đế đúc từ vật liệu khoáng

3.2 Tỷ Lệ Giảm Chấn

Hình 1 minh họa so sánh tỷ lệ giảm chấn. Đế đúc khoáng đạt mức 0.042, trong khi thép chỉ dưới 0.034.

Hình 1 Tỷ lệ giảm chấn của đế thép và đế đúc khoáng (đo trong dải tần số 200–500 Hz)

3.3 Phản Ứng Độ Dịch Chuyển

Dưới tác động lực kích thích tương đương (300 N), đế đúc khoáng giảm biên độ dịch chuyển đỉnh trung bình tới 21%.

3.4 Phân Tích So Sánh

Các nghiên cứu trước đây [1–2] ghi nhận cải thiện 15–20% về khả năng giảm chấn đối với vật liệu đúc khoáng. Kết quả nghiên cứu này xác nhận và mở rộng các kết quả đó thông qua các nguyên mẫu cấu trúc trực tiếp, làm nổi bật lợi thế hiệu suất ổn định trong dải tần số trung bình.

4 Thảo luận

Hành vi giảm chấn vượt trội của vật liệu đúc khoáng chủ yếu là do cấu trúc vi mô dạng hỗn hợp của nó, trong đó các thành phần kết dính bằng polymer giúp tiêu tán năng lượng dao động thông qua ma sát nội tại. Các kết cấu hàn bằng thép, mặc dù kém hiệu quả hơn trong việc giảm chấn, lại cung cấp độ cứng kết cấu cao hơn, điều này có lợi cho các ứng dụng chịu tải nặng.

Hạn Chế:

• Các ảnh hưởng nhiệt không được đưa vào nghiên cứu này, mặc dù chúng có thể tác động đến độ ổn định lâu dài.

• Chỉ một cấu hình hình học được kiểm tra, làm hạn chế khả năng khái quát cho các thiết kế máy móc khác.

Hệ quả thực tiễn:

• Vật liệu đúc khoáng được khuyến nghị sử dụng cho các trung tâm gia công tốc độ cao, nơi mà khả năng giảm chấn trực tiếp cải thiện tuổi thọ dao cắt và chất lượng bề mặt gia công.

• Các kết cấu hàn bằng thép vẫn phù hợp cho các ứng dụng nhạy cảm về chi phí với các tải trọng cắt nặng.

5 Kết luận

Kiểm tra định lượng đã chứng minh rằng các đế làm bằng gang khoáng có khả năng giảm chấn tốt hơn 18–25% so với các kết cấu thép hàn, đặc biệt trong dải tần số 200–500 Hz. Các kết cấu thép hàn vẫn giữ được ưu điểm về độ cứng vững và chi phí sản xuất thấp hơn. Nghiên cứu trong tương lai nên bao gồm các thử nghiệm chu kỳ nhiệt và các cấu trúc đế lai để kết hợp lợi ích của cả hai loại vật liệu.