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.
ЧТО ТАКОЕ ПОЛИМЕРБЕТОН И КАК ЕГО ДЕЛАЮТ
Полимербетон — это композитный материал на основе минерального наполнителя и полимерного связующего. В качестве наполнителя используют кварцевый песок, гранитный щебень, базальтовый порошок — фракции от 0,1 до 32 мм, подобранные в определённом соотношении. Связующее — эпоксидная смола, обычно двухкомпонентная, с отвердителем. Содержание смолы в смеси — 8–12% по массе. Остальное — минеральный наполнитель.
Процесс изготовления станины из полимербетона принципиально отличается от чугунного литья. Смесь заливают в точную форму при комнатной температуре — никакого нагрева до 1400°C, никаких усадок при остывании. Форма задаёт геометрию с точностью до 0,02 мм. После полимеризации (12–24 часа) станина готова к механической обработке посадочных мест под направляющие и опоры.
В форму сразу закладывают металлические закладные элементы — резьбовые втулки, пластины под линейные направляющие, каналы для подачи СОЖ. Это исключает сверление и фрезерование полимербетона после отливки — материал плохо поддаётся резанию, зато отлично держит закладные. Результат: готовая станина с посадочными местами точно по чертежу без дополнительной механической обработки несущих поверхностей.
Направляющие рельсы и шарико-винтовая пара установлены на станине станка с ЧПУ в производственном цехе.. Источник: Альфа719.
ВИБРОГАШЕНИЕ: ГЛАВНОЕ ПРЕИМУЩЕСТВО ПОЛИМЕРБЕТОНА
Вибрации в станке — это враг точности. Они возникают от резания, от шпинделя, от сервоприводов, от пола цеха. Чем лучше станина гасит вибрации, тем меньше их передаётся на шпиндель и заготовку. Результат напрямую виден на поверхности детали: шероховатость Ra снижается, допуски выдерживаются стабильнее.
Коэффициент демпфирования полимербетона — 0,03–0,05, у серого чугуна — 0,003–0,005. Разница в 6–10 раз. На практике это означает, что вибрация, возникшая при резании, затухает в полимербетонной станине в 8 раз быстрее, чем в чугунной. Амплитуда остаточных колебаний на шпинделе снижается пропорционально.
Что это даёт в цифрах:
- Шероховатость поверхности улучшается на 1–2 класса при тех же режимах резания
- Ресурс режущего инструмента растёт на 25–40% — вибрации разрушают режущую кромку быстрее всего
- Точность позиционирования стабильнее при высоких скоростях подачи — станина не «раскачивается» при разгоне и торможении осей
- Шпиндельные подшипники работают дольше: вибрационная нагрузка на них снижается
Проверить разницу можно на акселерометре прямо на станке. На полимербетонной станине амплитуда вибраций при фрезеровании стали на подаче 3 000 мм/мин в 7–8 раз ниже, чем на аналогичном чугунном станке при тех же режимах.
СРАВНЕНИЕ С ЧУГУНОМ: ТАБЛИЦА ПО КЛЮЧЕВЫМ ПАРАМЕТРАМ
Чугун был стандартом станкостроения 100 лет. Его достоинства — высокая прочность на сжатие, хорошая обрабатываемость, отработанные технологии литья. Но у него есть принципиальные ограничения, которые полимербетон устраняет.
Демпфирование вибраций. Чугун: коэффициент 0,003–0,005. Полимербетон: 0,03–0,05. Преимущество полимербетона — в 8–10 раз.
Термическая стабильность. Чугун расширяется при нагреве: коэффициент линейного расширения 10–12 × 10⁻⁶/°C. Полимербетон на кварцевом наполнителе — 11–14 × 10⁻⁶/°C, близко к чугуну. Но полимербетон медленнее накапливает тепло от шпинделя и привода, что снижает тепловую деформацию в течение смены.
Коррозионная стойкость. Чугун ржавеет при контакте с СОЖ, особенно на необработанных поверхностях внутри станины. Полимербетон химически инертен к маслам, эмульсиям, кислотам — никакой коррозии, никакого окрашивания внутренних полостей.
Точность геометрии при изготовлении. Чугун при остывании после литья даёт усадку 1–1,5%. Геометрия требует выдержки (старения) 6–12 месяцев и последующей механической обработки всех посадочных поверхностей. Полимербетон полимеризуется при комнатной температуре, усадка — менее 0,05%, геометрия задаётся формой.
Масса. Плотность серого чугуна — 7,2 г/см³. Плотность полимербетона — 2,2–2,4 г/см³. Полимербетонная станина в 3 раза легче чугунной при тех же габаритах. Это упрощает транспортировку и монтаж, снижает нагрузку на фундамент.
Стоимость изготовления. Чугунное литьё требует плавильного оборудования, формовочных смесей, длительного цикла. Полимербетон заливают в форму при комнатной температуре — меньше энергозатрат, короче производственный цикл. При серийном производстве себестоимость полимербетонной станины на 15–25% ниже чугунной аналогичного размера.
Структура полимербетона на основе кварцевого наполнителя и эпоксидной смолы. Источник: Wikimedia Commons (Walter627 at English Wikipedia, Public domain).
КАК ПОЛИМЕРБЕТОН ВЛИЯЕТ НА ТОЧНОСТЬ СТАНКА
Точность станка с ЧПУ — это не только геометрия направляющих и шпинделя. Это ещё и стабильность этой геометрии в течение смены, при смене температуры в цеху, при изменении режимов резания. Здесь полимербетон даёт преимущество сразу по нескольким механизмам.
Первый механизм — виброгашение. Уже разобрали выше: меньше вибраций на шпинделе — стабильнее положение инструмента относительно заготовки. При точении с допуском ±0,005 мм вибрации амплитудой 3–5 мкм — это уже брак. Полимербетон убирает эту проблему.
Второй механизм — тепловая стабильность. Полимербетон имеет низкую теплопроводность — 1,5–2,5 Вт/(м·К) против 40–50 Вт/(м·К) у чугуна. Это значит, что тепло от шпинделя, приводов и трения в направляющих медленнее распространяется по станине. Тепловая деформация станины в течение смены — меньше. Для прецизионных станков это критично: тепловая деформация чугунной станины за 4 часа работы может составлять 15–30 мкм, полимербетонной — 5–10 мкм.
Третий механизм — стабильность геометрии во времени. Чугунные станины «стареют»: внутренние напряжения, возникшие при литье, постепенно релаксируют, и геометрия медленно меняется. Именно поэтому чугунные станины выдерживают на складе 6–12 месяцев до финальной обработки. Полимербетон не имеет внутренних напряжений после полимеризации — геометрия стабильна с первого дня и не меняется со временем.
На практике станки Альфа719 на полимербетонных станинах собственного производства показывают повторяемость ±0,003 мм в течение всей смены — даже при работе в цеху с перепадом температур 5–8°C.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ: ЧТО ЗАКЛАДЫВАЮТ В ФОРМУ
Полимербетонная станина — это не просто «залитый камень». Конструкция продумывается на этапе проектирования формы, потому что переделать готовую станину практически невозможно.
В форму закладывают:
- Стальные закладные пластины под линейные направляющие — с точностью расположения ±0,02 мм. Именно к ним крепятся рельсовые направляющие THK, Hiwin или аналогичные
- Резьбовые втулки для крепления всех узлов: шарико-винтовых пар, опор ШВП, кронштейнов
- Каналы для СОЖ — трубки из нержавейки или ПВХ, по которым охлаждающая жидкость подаётся в рабочую зону
- Кабель-каналы для прокладки проводки к датчикам и концевым выключателям
- Опорные элементы для регулировочных болтов при установке станка на фундамент
После полимеризации посадочные места под направляющие шлифуют — добиваясь плоскостности 0,01–0,02 мм на метр. Это финальная операция перед сборкой. Остальная геометрия задана формой и не требует обработки.
Сборка фрезерного станка с ЧПУ на полимербетонной станине занимает меньше времени, чем на чугунной: не нужно шабрить направляющие, выверять базовые плоскости. Закладные уже стоят там, где нужно.
Линейные направляющие рельсового типа на станине станка с ЧПУ. Источник: Wikimedia Commons (Wilfredor, CC BY-SA 4.0).
ОГРАНИЧЕНИЯ ПОЛИМЕРБЕТОНА: ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ
Полимербетон — не универсальное решение для всех случаев. У материала есть ограничения, которые нужно учитывать при проектировании станка.
Прочность на растяжение у полимербетона ниже, чем у чугуна: 8–15 МПа против 100–200 МПа. Зато прочность на сжатие сопоставима: 80–120 МПа у полимербетона против 100–300 МПа у чугуна. Поэтому станины из полимербетона проектируют на сжатие, избегая конструкций, где возникают значительные изгибающие нагрузки без металлического армирования.
Ремонтопригодность. Если чугунную станину можно заварить при трещине, полимербетон сложнее ремонтировать. Трещины заполняют эпоксидным составом, но это скорее профилактика, чем полноценный ремонт. Впрочем, при правильной эксплуатации станины из полимербетона не трескаются — материал не хрупкий, он упругий.
Температурный диапазон. Эпоксидное связующее сохраняет свойства до +120°C. Для станков это не ограничение — в рабочей зоне температура редко превышает 60–80°C даже при интенсивном резании. Но хранить полимербетонные станины при температуре выше +80°C длительно не рекомендуется.
Сложность переделки. Изменить расположение закладных после полимеризации невозможно. Поэтому проектирование формы требует точного технического задания — все отверстия, каналы и посадочные места должны быть определены до заливки. Это плюс при серийном производстве и минус при единичном изготовлении нестандартных станин.
Для станков с ЧПУ в диапазоне рабочих нагрузок до 5 000 кг и скоростей подачи до 30 м/мин полимербетон перекрывает все требования без ограничений. Именно в этом сегменте — фрезерные и токарные обрабатывающие центры для машиностроения — он показывает максимальное преимущество перед чугуном.
ПОЛИМЕРБЕТОН В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЬФА719
Завод Альфа719 производит станины из кварцевого полимербетона собственными силами — от проектирования форм до финального шлифования посадочных мест. Это позволяет контролировать геометрию и качество материала на каждом этапе, а не зависеть от сторонних поставщиков литья.
Состав полимербетона Альфа719: кварцевый наполнитель трёх фракций (0,1–0,5 мм, 0,5–2 мм, 2–8 мм) + двухкомпонентная эпоксидная смола немецкого производства. Соотношение компонентов подобрано для максимального демпфирования в диапазоне частот 50–2 000 Гц — именно там лежат основные частоты вибраций при фрезеровании и точении.
Станины для фрезерных центров f462 и f1056 проходят контроль геометрии на координатно-измерительной машине после шлифования. Допуск на плоскостность посадочных мест под направляющие — не более 0,015 мм на 500 мм длины. Это обеспечивает повторяемость готового станка ±0,003 мм без дополнительных регулировок при сборке.
Подробнее о конструкции и характеристиках станков на полимербетонных станинах — в каталоге и разделе wiki. Если рассматриваете покупку или хотите сравнить с чугунными аналогами — специалисты Альфа719 проведут техническую консультацию бесплатно, с расчётом под вашу номенклатуру деталей. Доступен лизинг с минимальным авансом.
Полезные ссылки:
