Минерал-полимерный композит для станкостроения

Проблема обеспечения соответствующего технического уровня и экономичности производства станков является составной частью об­щей проблемы технологии машиностроения и должна рассматриваться в органичной взаимосвязи со всеми ее элементами от заготовительно­го производства до сборки и испытаний готовых машин. В частности, для эффективного решения проблемы необходимы конструкционные материалы принципиально нового технического уровня с сочетанием различных эксплуатационных свойств (механических, физических, триботехнических и др.) Особое значение приобрели также технологичес­кие свойства материалов как объектов автоматизированной обработки.

Рис. 1 Структурная схема работ в области применения перспективных конструкционных материалов (ПКМ) для деталей суперпрецизионных и сверхскоростных станков

Для прогресса в области материалов и технологий формирования их эксплуатационных свойств характерны два общих направления:

• l совершенствование традиционных материалов и технологических про­цессов с целью повысить их эксплуатационные свойства, технологич­ность и экономичность, а также максимально приспособить к конкрет­ным условиям применения (при этом на основе последних достиже­ний науки удается разрешить давние противоречия между эксплуата­ционными и технологическими свойствами материалов);
• l создание принципиально новых материалов, таких как конструкцион­ная керамика (оксидная, нитридная и др.), композиционные матери­алы (композиты) на основе высокомодульных волокон (в частности, углеродных), композиты на основе дискретных наполнителей (напри­мер, гранитной крошки) и других.

Применение указанных материалов является весьма сложной техни­ческой и экономической задачей. Для иллюстрации этого на рис. 1 приведена принципиальная схема комплекса работ по освоению пер­спективных конструкционных материалов в станкостроении.

Не случайно в промышленно развитых странах реализуются круп­ные национальные программы по проблеме применения перспек­тивных конструкционных материалов в станкостроении.

В частности, в 90­е годы в Германии реализована специальная нацио­нальная программа по применению перспективных конструкционных материалов в станкостроении, на финансирование которой было выде­лено 1,2 млрд. долларов.

Одним из таких материалов является минерал­полимерный компо­зит, который широко осваивается в станкостроении промышленно раз­витых стран.

Минерал­полимерный композит (МПК) или полимерный бетон прин­ципиально отличается от традиционного цементного бетона связующим материалом, а именно полимером вместо цемента. Фирменные названия МПК в станкостроении – гранитан, синтегран и другие.

В состав МПК в качестве наполнителя входит крошка твердокамен­ных пород (гранита или габродиабаза) нескольких фракций по зако­ну плотной упаковки и полимерное, в данном случае эпоксидное, свя­зующее холодного отверждения.

Полимерное связующее является многокомпонентной системой, со­держащей смоляную часть (смола, разбавитель, пластификатор и т.д.) и отверждающий агент. От качества и количества связующего в соста­ве МПК зависят ползучесть и склонность к короблению, определяю­щие размерную стабильность деталей в процессе эксплуатации станков, а также технологические свойства, в частности, жидкотекучесть смеси и возможность формования деталей.

Важнейшим эксплуатационным свойством МПК является также термоустойчивость эпоксидного связующего. В результате интенсивных работ последних лет удалось повысить предел текучести эпоксидного связующего в 1,5 раза, а термостойкость довести от 40 до 100°С.

Основные физико­механические свойства чугуна, МПК и гранита приведены в Таблице 1. Из приведенных данных следует, что МПК и гранит имеют свойст­ва одного порядка. Однако МПК значительно превосходит гранит по технологическим возможностям формообразования деталей.

Свойства МПК и чугуна различаются радикально. И оценивать их нужно, как любой конструкционный материал, применительно к конкретной области использования, в данном случае — к станкостроению. Прочностные свойства МПК на порядок хуже, чем чугуна. Одна­ко, как известно, базовые детали станков рассчитываются на жесткость, а не на прочность. Поэтому эксплуатационные нагрузки в них не пре­вышают 5–10% прочности чугуна. Зато демпфирующая способность МПК в 3 раза выше, чем чугуна. Модуль упругости и плотность МПК в 3 раза меньше, чем чугуна. В результате, при прочих равных усло­виях детали из МПК и чугуна могут иметь примерно одинаковую массу. Теплопроводность МПК на 1,5 порядка меньше, чем чугуна, что обеспечивает его высокую термостабильность в условиях кратковре­менных колебаний температуры. Преимуществом МПК является также высокая коррозионная стой­кость.

Применение МПК для базовых деталей станков обеспечивает суще­ственное повышение их технического уровня:

• повышение точности и чистоты обрабатываемых поверхностей;
• повышение стойкости режущего инструмента, особенно керамичес­кого;
• повышение производительности обработки.

Технология производства деталей из МПК относительно простаи включает следующие основные операции:

• подготовка щебня, его рассев по фракциям и подача в смеситель че­рез дозаторы;
• смешивание щебня с полимерным связующим;
• заливка смеси в форму, в которой закреплены металличес­кие заклад­ные элементы детали;
• виброуплотнение смеси в форме;
• выдержка в форме 10–15 часов и извлечение детали из формы.

Значительная экономическая эффективность произ­водства деталей из МПК по сравнению с чугунными отливками дости­гается за счет таких основных факторов, как снижение трудоемкости, экономия энергетических ресурсов, сокращение производственных пло­щадей, снижение загазованности и запыленности.

Однако есть и дополнительные затраты, связанные с изготовлением закладных металлических элементов, использованием более дорогих полимерных материалов и другими факторами.

В итоге общий баланс таков, что себестоимость деталей из МПК и чугунных отливок одного порядка. Поэтому главным преимуществом МПК по сравнению с чугуном безусловно является возможность по­вышения технического уровня станков.

Как отмечалось выше, применение нового конструкционного мате­риала, в данном случае МПК, для базовых деталей станков является весьма сложной технической и экономической задачей. Например, фирма Carl Zeiss (Германия) изготовила измерительную ма­шину, в которой станина и стойка представляет собой 5­тонный мо­ноблок из полимерного бетона. Чтобы эта машина стала технически совершенной, а ее производст­во экономически выгодным, фирме потребовалось порядка 10 лет упорного труда. Однако, в конечном итоге, станкостроительные фирмы, освоившие применение новых конструкционных материалов, получают значитель­ный технико­экономический эффект. Так, например, швейцарская фирма STUDER, первой освоившая производство станин шлифовальных станков из полимерного бетона, обеспечила высокую конкурентоспособность своих станков и кроме того получает значительную прибыль (порядка 30% всей прибыли фирмы) от производства деталей из полимербетона для сторонних за­казчиков.

Таким образом, на основе всего изложенного можно заключить, что МПК является весьма перспективным конструкционным материа­лом для станкостроительной отрасли.

Д.т.н. Шевчук С.А., д.э.н. Смайловская М.С.

ОАО«ЭНИМС», тел. (495) 955­5235, 952­3602, info@enims.ru