Технологии в современном мире уверенно шагают вперёд, но кто-то ещё просто не знает о том, что же представляет собой полимербетон и чем он лучше чугуна. Давайте посмотрим на этот материал в сравнении с чугуном и определим его преимущества и недостатки в качестве материала для станин станков, предназначенных для металлообработки.
Минеральное литье в народе называют очень по-разному: искусственный гранит, полимербетон, синтегран, синтетический камень и так далее. Но мы будем называть всё это минеральным литьём, 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.
Почему чугун?
Чугунная промышленность развита давно и во множестве стран. Конкуренция давно свела оптово-розничные цены к несократимому минимуму, поэтому чугун относительно недорог.
Исторически чугун был выбран для станков среди всех доступных материалов неслучайно. Он значительно выигрывал у сплавов меди и железа по устойчивости к вибрации и жёсткости. Альтернативой по этим характеристикам был лишь натуральный камень, но его хрупкость, сложности обработки и сопряжения деталей не позволили развивать это направление. В XIX 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 объёме и массе.
По сравнению со станинами минерального литья чугун — более привычен. Но есть одно «но». Полимеры были впервые синтезированы в XIX веке, разработки наполнителей для полимерных композиционных материалов начались в ХХ 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
Минеральное литьё — 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 литьём из чугуна для станин употреблять термин «минеральное литьё». 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 распространённости кварцевые и гранитные композиты. Таблица для сравнения серого чугуна СЧ18, используемого для станин, и видов минерального литья дана ниже.
Интересно, 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 литьё, 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 литьё, в особенности кварцевое.
Температурный диапазон эксплуатации чугуна ýже, чем у минерального литья. И если для чугунной ванны изменение на 20 или 50 °С 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 поверхности после обработки снизилась в 1,5–1,7 раза;
- в 1993 году проводилось сравнение синтегранового вертикально-фрезерного станка 65Б90ПМФ4 и чугунного станка. Отклонения в вибрации бабки у синтеграна были в 1,6 раза 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.
Плотность чугуна — 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 ещё лет 15 назад.
Ведутся, однако, разработки нового поколения минерального литья в направлении уменьшения в составе доли связующих смол. Это могло бы уменьшить пористость материала.
Наиболее впечатляющими результатами могут похвастаться разработчики кварцевого литья, которые решили использовать в работе разные фракции кварца с размером частицы от 0,1 до 20 мм. Это дало максимальное заполнение пустот в композите и уменьшение доли эпоксидной смолы до 5,5% и гигроскопичности — до 0,01% 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 микропустот. Как итог — плотный и твёрдый материал, который полностью устойчив к любым типам загрязнений и химическим веществам.
Из-за большого количества микропустот в раннем минеральном литье складывалась нездоровая тенденция — отслоение металлических деталей из-за усадки композита после остывания. Однако описанные 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 станину из чугуна, знаете дату её производства. Проследите за этим.
Итоги
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.
Успехов и спасибо за прочтение!
