Полимербетон или чугун? Кто победит?

В наше время сложно кого-то удивить новыми технологиями, и не менее сложно убедить консервативно настроенных инженеров в том, что новое не всегда хуже чего-то старого доброго. Так сейчас происходит с полимербетоном в станкостроении.

Несмотря на то, что данная технология завоевала сердца многих европейских производителей, в России технари все еще бьют себя кулаком в грудь, что чугун есть единственный и неповторимый материал для изготовления станин для металлообрабатывающих станков. В этой заметке я хочу бесконечно непредвзято взглянуть на эти два материала. Отыскать плюсы и минусы каждого.

Полимербетон в народе называют очень по-разному — искусственный гранит, синтегран, синтетический камень и так далее. Но на деле это минеральное литье и далее мы будем называть всё это именно минеральным литьем, поскольку это общее, объединяющее понятие для всего перечисленного.

Тема этой статьи — отличие старых добрых чугунных станин от новых станин из минерального литья. Она для тех, кто хочет приобрести станок с ЧПУ по металлу, но его пугает новый неизведанный материал “полимербетон”, или для тех, кто хочет узнать что-то новое о мире станков из полимера.

Итак, начнём.

Чугунная промышленность развита давно и во множестве стран. Конкуренция давно свела оптово-розничные цены к несократимому минимуму, поэтому чугун относительно недорог. И чугун был действительно самым не дорогим решением для производства станков до появления полимербетона.

Исторически чугун был выбран для станков среди всех доступных материалов не случайно. Он значительно выигрывал у сплавов меди и железа по устойчивости к вибрации и жесткости. Альтернативой по этим характеристикам был лишь натуральный камень, но его хрупкость, сложности обработки и сопряжения деталей не позволили развивать это направление. В 19 веке в Европе появилась литая сталь, но и тогда, и сейчас типы сталей, подходящие для станин станков, стоили дороже чугуна.

Поэтому все технологические линии, относящиеся к производству чугуна, за века довели до совершенства, все доступные типы этого сплава были исследованы и разработаны. Королём станин стал чугун — не из-за какого-то одного наилучшего качества, а по причине удачного соответствия двух характеристик: цены и способности к демпфированию (подавлению колебаний механизмов станка) при должном объеме и массе.

По сравнению со станинами минерального литья чугун — более привычен. Но есть одно "но". Полимеры были впервые синтезированы в 19 веке, разработки наполнителей для полимерных композиционных материалов начались в 20 веке, патент на синтегран (синтетический гранит) был опубликован в 1998 году. Развитие технологий минерального литья продолжается ежедневно, и нельзя не принимать это в расчёт.

Минеральное литье — это не одна технология, а общее название сотен видов смесей из фракций природных минералов и различных смол.

Различные типы минерального литья отличаются по характеристикам друг от друга не меньше, чем чугун от алюминия. Поэтому нет смысла при сравнении с литьем из чугуна для станин употреблять термин "минеральное литье". Сравнивать можно только конкретные технологии изготовления, применяющиеся руками конкретных людей.

Наполнителями для минерального литья могут быть карбонат кальция, каолин, тальк, металлические порошки, оксиды сурьмы и алюминия, слюда и асбест, стеклянные, керамические волокна, а также множество других вещей. На данный момент в производстве станин для станков ЧПУ из искусственного гранита лидируют по распространенности кварцевые и гранитные композиты. Таблица для сравнения серого чугуна СЧ18, используемого для станин, и видов минерального литья, дана ниже.

Интересно то, что сегодня минеральные композиты по стоимости примерно равны или ниже, чем литьё из чугуна. Что же остальные характеристики?

Давайте посмотрим, какие из них более важны или менее важны для производственных целей и для вас лично как человека, имеющего дело со станком ЧПУ из полимербетона или чугуна.

Важнейшей характеристикой является виброустойчивость (или демпфирование). Это способность материала станины гасить колебания от работы самого станка.

Момент важный. От него зависит, насколько вибрирует рабочий инструмент (фреза, сверло или резец) относительно заготовки. Точность станка (а если конкретнее, то точность изделий, выпускаемых на станке) напрямую зависит от этого фактора.

Чугун имеет виброустойчивость 10-15%, этот показатель лучше, чем, например, у стали (1-4%) или алюминия (0.1-1%). Минеральное литье, однако, имеет показатели виброустойчивости примерно в 6-8 раз выше чугуна.

Непременным спутником вибрации является шум. Больше вибрации — больше шума, больше виброустойчивости — шум станины из гранита снижается.

С точки зрения устойчивости к ударам, изгибам и сжатиям более высокие показатели имеет, опять же, минеральное литье, в особенности кварцевое.

эксплуатации чугуна уже (от слова "узкий"), чем у минерального литья. И если для чугунной ванны изменение на 20 или 50 градусов не имеет значения, то для точно откалиброванного и настроенного станка точность уменьшается с каждым лишним градусом. Станина минерального литья менее требовательна к комнатной температуре. Из-за разности показателей температурных деформаций этих материалов.

Обкатка минерального литья проходила долгое время. Если взять синтегран (синтетический гранит), то:

• в 1984 году вильнюсский завод шлифмашин отлил из него станину и державки резцов. Без других изменений шероховатость поверхность после обработки снизилась в 1,5-1,7 раз;
• в 1993 году проводилось сравнение синтегранового вертикально-фрезерного станка 65Б90ПМФ4 и чугунного станка. Отклонения в вибрации бабки у синтеграна были в 1,6 раз меньше, чем у станка с чугунной станиной, а отклонения в вибрации самой станины — в 2,6 раза;
• в 1993 же году тестировался расточной станок 2754В. Точность обработки на гранитной станине в сравнении с чугунной по основному показателю — круглости отверстий — отличалась в 1,5-2 раза в пользу минерального композита.

(Ссылка — научная работа Ю. В. Кирилина " Применение полимербетона для изготовления базовых деталей тяжелых фрезерных станков", 2008,УДК 621. 914.3-181.2.531)

— выше, чем у любого минерального сырья: он совершенно не гигроскопичен, что положительно влияет на неизменность его характеристик в течение многих лет службы. Минеральные композиты здесь проигрывали еще лет 15 назад.

Ведутся, однако, разработки нового поколения минерального литья в направлении уменьшения в составе доли связующих смол. Это бы уменьшило пористость материала.

Наиболее впечатляющими результатами могут похвастаться разработчики кварцевого литья, где было решено использовать в работе разные фракции кварца с размером частицы от 0.1 до 9 мм. Это дало максимальное заполнение пустот в композите и уменьшение доли эпоксидной смолы до 6-7% и гигроскопичности — до 0.02% веса. В пример можно привести нашу разработку, которую мы серийно выпускаем. Мы поддерживаем именно такие характеристики литья из кварцевого композита.

Кварцевый композит производится в процессе вибропрессования под высоким давлением. Сочетание вибраций и откачивания воздуха из смеси исключают пористость конечного продукта, поскольку все вкрапления воздуха из материала удалены. Также в процессе вибропрессования в состав добавляется кварцевая пудра в заданном количестве – она полностью исключает возможность образования микро пустот. Как итог – плотный и твердый материал, который полностью устойчив к любым типам загрязнений и химическим веществам.

Из-за большого количества микро пустот в раннем минеральном литье складывалась нездоровая тенденция — отслоение металлических деталей из-за усадки композита после остывания. Однако описанное выше снижение количества эпоксидки до 6-7% и заполнение пустот мелкими фракциями к настоящему времени устранили этот минус.

Одной из особенностей чугунной станины, в свою очередь, является необходимость "отстоять" станину в течение нескольких месяцев, а лучше лет, чтобы медленная, почти незаметная усадка чугуна не сбила геометрию станка в процессе эксплуатации.

Это не помешает вам, если вы, покупая станок со станиной из чугуна, знаете дату ее производства. Проследите за этим.

Что нужно инженеру, который выбирает станок перед покупкой?

Если его не беспокоит шум и вибрация, если производство не требует высокой точности, но хочется иметь вариант станины, проверенный веками — это, конечно, чугун.

Если для него важна невысокая стоимость, виброустойчивость и высокая точность обработки — это конечно, станок на станине из минерального литья - полимербетон.

1. Наполнители для полимерных композиционных материалов (Справочное пособие) Под редакцией Г.С. Каца и Д.В. Милевски. Москва, “Химия”, 1981. УДК 678.046 (031)
   

2. Применение синтеграна в станкостроении. В.Е. Барт, Г.С. Санина, С.А. Шевчук. УДК 621.002.3:678.8
   

3. Применение полимербетона для изготовления базовых деталей для тяжелый фрезерных станков. Ю.В. Кирилин. УДК 621.914.3-181.2.531

4. Механические свойства полимербетона (EN). Raman Bedi, Rakesh Chandra and S. P. Singh. Department of Mechanical Engineering, Dr. B R Ambedkar National Institute of Technology, Jalandhar 144011, India. Department of Civil Engineering, Dr. B R Ambedkar National Institute of Technology, Jalandhar 144011, India

5. Comparison between the dynamical properties of polymer concrete and grey cast iron 2007. F. Cortes, G. Castillo. Department of Mechanical Engineering, Mondragon Unibertsitatea, Loramendi 4, 20500 Mondragon, Spain

6. A study on the epoxy resin concrete for the ultra-precision machine tool bed. Hyun Surk Kim, Kyu Yeol Park and Dai Gil Lee. Dept. Of Precision Engineering and Mechatronics, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Taejon, Korea, 305-701

#полимербетон #станкостроение #металлообработка #чугун #синтегран #epoxygranite