Возможности применения композиционных материалов в машиностроении

УДК 621.9.06

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ.

Абикеев Айдар

КарГТУ

Научный руководитель – к. т.н., ст. преподаватель

Точность, производительность и надежность работы станков решающим образом зависят от поведения их отдельных элементов под воздействием возникающих в процессе обработки статических, динамических и тепловых нагрузок. Постоянно растущие требования к перечисленным характеристикам заставляют искать возможности лучшего исполнения элементов станков и применения новых материалов.[1]

Наиболее важными элементами станков являются несущие детали, такие, как станины, основания, стойки, рамы и т. д, выполняемые обычно в виде литой чугунной или сварной стальной конструкции. Однако несущие детали из чугуна и стали в ряде случаев уже не отвечают требованиям повышенной виброустойчивости и сохранению длительной размерной стабильности, поэтому для изготовления ответственных деталей стали применяться композиционные материалы. Но со временем  развитие химической промышленности и все возрастающие объемы производства синтетических смол позволили создать новый класс материалов, так называемых полимербетонов, представляющих собой композиционные материалы, основой которых служат природные камни - галька, граниты, известняки, а связующим - синтетические смолы. По своим физико-механическим свойствам полимербетоны приближаются к натуральным гранитам; вместе с тем из них могут быть изготовлены детали сложной конфигурации.[1]

Практически все ведущие капиталистические и ряд социалистических стран ведут интенсивные работы над применением полимербетона в станкостроении. Наиболее существенные результаты достигнуты в Германии, Швейцарии, Японии, США и России.

Внимание станкостроителей к полимербетонам  вызвано следующими их преимуществами по сравнению с традиционно используемыми чугуном и сталью: высокой демпфирующей способностью, отсутствием внутренних напряжений в деталях, повышенной стабильностью во времени, малой теплопроводностью, коррозионной стойкостью, возможностью получения из них точных деталей без последующей механической обработки, механизации и автоматизации практически всего технологического цикла.

Мною был рассмотрен “синтегран” который является один из видов полимербетонов. Название “синтегран” образовано из слов “синтетический” и “гранит”. “Синтегран” представляет собой композиционный материал, состоящий из полимерного связующего на основе эпоксидных смол, высокопрочного минерального заполнителя типа габбро-диабаза (размер фракций щебня 0,6-20 мм) и мелкодисперсного наполнителя (размер частиц менее 60 мкм). По основным физико-механическим свойствам и эксплуатационным свойствам этот материал аналогичен природному граниту, из которого настоящее время изготавливают детали высокоточных станков, координатных измерительных машин, контрольного инструмента и др. Физико-механические свойства “синтеграна” могут регулироваться достаточно в широких пределах в зависимости от конфигурации и толщины стенок деталей, области применения, специальных требований и т. д.[2] 

Составы “синтеграна” можно разделить на следующие группы: жесткие, сверхжесткие, нормальные, сверхпластичные, пластичные. Вот такое разделение условно и характеризует как технологические особенности исходной смеси, так и физико-механические свойства “синтеграна” в зависимости от содержания полимерного связующего. Жесткие и сверхжесткие составы требую специальных методов переработки. Они могут содержать до 6 % связующего. Другие составы перерабатываются методами, традиционными для полимербетонов. Они могут содержать 7-25 % связующего. Для изготовления станкостроительных деталей рекомендуется использовать “синтегран”, содержащий до 11 % связующего.

Ниже в таблице 1 приведены некоторые физико-механические характеристики “синтеграна”, которые содержат 7-11 % связующего, в сравнении с характеристиками природного гранита.

Таблица 1 -  Сравнительные характеристики синтеграна и гранита.

Материал	Гранит	Синтегран
Плотность, кг/смі	2600-3000	2400-2700
Предел прочности, МПа: при сжатии при растяжении	150-300 3-5	120-200 15-25
Статический модуль упругости, ГПа	40-60	25-45
Коэффициент Пуассона	0,25-0,3	0,25-0,36
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м•ІС)	3-3,5	1,6-1,75
Температурный коэффициент линейного Расширения, 1/°С	(6-16)10О⁶	(12-20)10О⁶
Коэффициент демпфирования	0,8-1,0	0,6

В результате исследований были установлены следующие зависимости свойств “синтеграна” от его состава. Прочностные характеристики (прочность при растяжении, сжатии, изгибе) мало зависят от содержания (6-11 %) связующего (рисунок 1 - а) и определяются в основном свойствами гранитного щебня и плотностью его упаковки. Характеристики, связанные с деформированием материала (динамический модуль упругости рисунок  1 - б, коэффициенты линейного расширения и ползучести) более чувствительны к изменению содержания связующего и с его ростом, как правило, ухудшается по сравнению с характеристиками природного гранита.[2]

 

Рисунок 1 – а) прочностные характеристики и б) характеристики, связанные с деформированием материала

Зависимость свойств “синтеграна” от содержания д полимерного связующего:  - прочность при сжатии; – прочность при растяжении; Е – динамический модуль упругости; л – декремент затухания колебаний (заштрихованная зона на рисунке 1 а) соответствует рекомендуемому для “синтеграна” содержанию связующего. 

Особенной областью применения “синтеграна” являются базовые детали металлорежущих станков. Подобные детали рассчитывают на жесткость, поэтому к ним не предъявляют высоких требований. В таких случаях пригоден “синтегран”, который обеспечивает необходимую статическую и динамическую жесткость при достаточной технологической жесткости. 

Первый круглошлифовальный станок модели ЗУ10А со станиной из “синтеграна” был изготовлен 1984г. Конструкция станка отличается тем, что на горизонтальном ребре и вертикальной стенке станины закреплены два электродвигателя, вызывающие повышенные вибрации. Применение “синтеграна”, обладающего высокой демпфирующей способностью, позволило повысить виброустойчивость станины и в результате снизить шероховатость поверхности обрабатываемых на станке деталей.[2] 

В балансировочных станках дорезонансного типа модели МА97Д18РП применение синтеграновых станин взамен чугунных позволило уменьшить воздействие внешних колебаний, обеспечить устойчивую работу станков и повысить их точность на один класс. Аналогичные результаты были получены на сравнительных испытаниях отделочно-расточных станков моделей 2754В со станинами из “синтеграна” и чугуна. Установки для вытяжки оптических волокон, используемые в кабельной промышленности требуют высокой виброустойчивости несущей конструкции. Основной частью, которой является колонна до 10 метров. Была изготовлена такая колона, состоящая из отдельных синтеграновых секций, соединённых клеем и болтами в монолитную конструкцию.[2]

Таким образом “синтегран” валяется перспективным конструкционным материалом. Работы по применению “синтеграна” в машиностроении ведутся широко и комплексно в направлении разработки и совершенствования их составов, создания и исследования конструкций отдельных деталей и станков с деталями из “синтеграна”.

Список литературы:

1. , , Шевчук полимербетонов в станкостроении. - М.: ВНИИТЭМР, 1985.—40, с.

2. , , Применение синтеграна в станкостроении, 1991. – С. 15-33.