Teorie

Použití kompozitních materiálů pro pohyblivé strojní součásti přináší mnoho výhod. Nižší hmotnost a vyšší tuhost znamenají vyšší vlastní frekvenci. Větší tlumicí schopnost znamená méně vibrací a vyšší přesnost. Nižší hmotnost znamená menší spotřebu energie pro akceleraci a brždění a to všechno dohromady představuje vyšší výkon. Vlastní frekvence je funkcí hustoty materiálu a modulu pružnosti. Její rovnice vypadá takto:

Vibrace a jejich útlum závisejí na hmotnosti, tuhosti a tlumicích schopnostech součástí stroje. To je patrné z rovnice popisující rovnovážný stav při volné vibraci, která obsahuje právě tyto tři vlastnosti materiálu. Dalšími členy rovnice jsou akcelerace a rychlost, které se kombinují do frekvence, a výchylka, což je vlastně amplituda. Karbon-grafitová technologie firmy CompoTech má výrazný pozitivní vliv na všechny tři tyto vlastnosti.

  • 1/4 hmotnosti oceli
  • 2× větší modul pružnosti než u oceli
  • 20× větší tlumicí schopnost než u oceli
  • …a potenciál nulové tepelné roztažnosti

Výsledek

Alexander H. Slocum v publikaci Precision Machine Design, 1994  ukazuje vliv zlepšení jednotlivých vlastností materiálu. ah-slocum-graphs-2

První testy probíhaly v CompoTechu na vřetenové trubce z tlumicího kompozitu a srovnávaly se s ocelovou vřetenovou trubkou stejných rozměrů. Tento test ukazuje účinnost tlumicího kompozitu a důležitost vylepšování všech součástí systému.

Srovnání šedé litiny s několika karbon-grafitovými tlumicími kompozity. Všechny tři zkoušky nosníků se stejnými vnějšími rozměry průřezu a různými poměry modulu pružnosti a tlumicích vlastností vykázaly menší amplitudu a vyšší vlastní frekvenci.

Šedá litina ve srovnání s karbon-grafitovým kompozitem v různých kombinacích modulu pružnosti a útlumu

  • Dobrý modul pružnosti              + velká tlumicí schopnost
  • Vysoký modul pružnosti            + běžná tlumicí schopnost
  • Velmi vysoký modul pružnosti  + malá tlumicí schopnost

grey-cast-iron-vs-various-composites

Výsledek jasně ukazuje, že záporné průhyby G(f) jsou při vyšší harmonické frekvenci u kompozitních nosníků výrazně menší než u šedé litiny. Při jednom průchodu se dá zvýšením limitu třísky odříznout víc kovu a v grafu stability vytvořit větší oblast stabilního obrábění.

stability-lobe-diagram-smaller

Vzorec pro limit třísky a výše uvedené výsledky naznačují, že snížení záporných vibrací při použití karbon-grafitových tlumicích nosníků umožní na stroji odebírat větší třísku. V praxi určují stabilní obráběcí oblast všechny vzájemně působící části stroje. Aby se potenciál, který v konstrukci stroje nabízí karbon-grafitový tlumicí materiál maximalizoval, je velmi důležité věnovat pozornost rozhraní mezi kompozitem a dalšími částmi stroje. Zvlášť důležité je uložení ložisek spoje mezi kluznými nosníky a ostatními částmi konstrukce stroje. Podobně důležité je nehledat pouze standardní řešení, ale dívat se šířeji a pamatovat na všechny vlastnosti materiálů působící v takovém spoji.