Склеенные станки

Технология создания клеев и композитов на их основе достигла в настоящее время такого уровня, что прочность клеевых соединений стала сравнима с прочностью классических способов соединения деталей. Также как жесткость и прочность отливок из композитов на клеевой основе стала сопоставима с прочностью других материалов, традиционно используемых в станкостроении. Это позволило активно внедрять клеи и композиты в машиностроение, наибольшего эффекта удается добиться в единичном или мелкосерийном производстве сложных и/или высокоточных узлов и деталей. Рассмотрим практику использования новых материалов на примере изготовления фрезерных станков с ЧПУ.

Станины из композитов

Изготовление станин станков обычно производится либо литьем чугуна, либо сваркой стальных конструкций. Высокие температуры при их изготовлении требуют проведения дополнительной термообработки, а для прецизионных изделий – еще и длительной выдержки для исключения коробления в процессе эксплуатации. Кроме того, любая деталь после литья требует дополнительной механообработки, тем более, если она используется в точных узлах.

В станке RH-300 с использованием композитов произведена заливка полостей, из них изготовлено ложе направляющих качения. Станок предназначен для изготовления изделий малых форм, декоративной резьбы, сувенирной продукции из дерева и легкообрабатываемых материалов.

В точных станках, изготавливаемых в компании «Умные станки», для отливки станин используется композитный материал на основе клея низкой вязкости, гранитной крошки и базальтового волокна. Особую ценность этой технологии придает то, что после отливки из матрицы достают готовую станину, не требующую дополнительной обработки. Все необходимые крепежные детали и упоры размещаются в матрице с высокой точностью, и поскольку при отливке нет коробления из-за высокой температуры, все размеры соблюдаются с высокой точностью.

Использование металлонаполненных композитов позволяет получать очень точные плоскости с высокой допустимой нагрузочной способностью без использования дорогостоящего обрабатывающего оборудования.

Рассмотрим пример изготовления поверхности направляющей скольжения с помощью композитного материала WEICON-Ceramik BL на базе высокопрочной керамики и двухкомпонентной эпоксидной смолы. Для производства направляющей изготавливается мастер-шаблон высокой точности, затем на основу наносится композит и на него устанавливается мастер-шаблон, покрытый тончайшим слоем разделителя WEICON Mould Release Agent, и удаляются излишки композита. После застывания получается поверхность очень высокой твердости и износостойкости (выше, чем у закаленной стали) с точностью, равной точности мастер-шаблона.

В качестве мастер-шаблона обычно используются стандартные двутавровые или лекальные линейки нужной длины. Разновидность этого способа используется для подготовки поверхностей к установке направлящих качения. Поскольку эта поверхность не подвергается износу, для используемого материала важнее прочность и возможность работать в толстых слоях для выравнивания необработанных поверхностей. Для этого обычно используется WEICON-A или его аналоги.

Точная расточка отверстий не требуется

Одной из самых сложных и дорогих обработок является расточка отверстий, в особенности далеко разнесенных. Отливка таких деталей целиком из композита затруднена высокими нагрузками, которые обычно испытывают подобные детали. Однако использование композитов позволяет облегчить и удешевить их изготовление.

Рассмотрим, как работает новая технология, на примере изготовления держателя вращающегося вала. Отверстия корпуса, в которых крепятся подшипники вала, делаются максимально грубым образом (для увеличения поверхности сцепления) на несколько миллиметров больше диаметра подшипника. В них вклеиваются кольца, внутренний диаметр которых является посадочным для подшипника, а внешний (максимально грубый) меньше отверстия корпуса. Отверстия корпуса обмазываются металлонаполненым композитом WEICON-НВ300 и в них вставляются кольца, закрепленные на оправке, которую можно удалить после затвердевания. В этом случае композит воспринимает только сжимающие нагрузки, которые существенно меньше его предела прочности.

В станке RH-200 из композитов или с их использованием изготовлена станина, ложе направляющих качения, поверхность крепления узла шпинделя, фиксация узлов относительно друг друга. Данный станок может использоваться для изготовления деталей из стали и труднообрабатываемых материалов.

Станок RH-230. Из композита изготовлена станина, ложе направляющих качения, крепление узла шпинделя, с их помощью произведена заливка полостей.

Особенности изготовления металлообрабатывающего оборудования

При работе фрезерных станков, особенно использующих режимы высокоскоростного фрезерования, возникает необходимость подавлять вибрации. Они хорошо распространяются по металлическим деталям, сделанным из нечетного числа слоев, скрепленных WEICON RK-1300. Этот двухкомпонентный клей удобен тем, что можно наносить клей на одну поверхность, а активатор – на другую, что упрощает монтаж, т. к. затвердевание происходит только при касании поверхностей.

В связи с широким распространением и дешевизной лазерной и гидроабразивной резки листовых материалов стремительно распространяется метод изготовления пространственных конструкций из плоских деталей, соединенных между собой для удобства сборки соединением «паз-шип». Такое соединение обычно проваривается электросваркой. Но высокотемпературное коробление не позволяет добиться высокой точности деталей. Также при сборке невозможно использовать магнитые держатели и призмы, потому что электродуговая сварка невозможна в магнитном поле.

Комплекс клеев и композитов быстрого отверждения (например, WEICON Fast-Metal и WEICON RK7000) позволяет изготавливать точные детали из плоских деталей, а использование магнитных призм  дает возможность получать перпендикулярность поверхностей таких деталей до 2 – 5 угловых минут.

Полезные свойства композитов:

• один из композитов для изготовления станин имеет такой же коэффициент теплового расширения в диапазоне 0 – 70 °С, как у чугуна;
• прочность на сжатие у композита с гранитным наполнителем и стальными стружками равна прочности чугуна, а на разрыв – больше в 1,5 раза;
• коэффициент подавления вибрации у композитов больше, чем у конструкционных сталей и чугуна в 7 - 8 раз;

• время исчезновения внутренних напряжений в композитах не превышает одного месяца, тогда как в чугуне на это требуются годы;

• в Физико-техническом институте им. Иоффе использование композитов давало возможность получать неплоскостность станины для оптического прибора 100 нм на площади 200х200 мм.

Станок RH-13 с использованием стальных труб соединенных без использования сварки с помощью предварительного склеивания и дальнейшей заливки всех соединенных полостей.

Сложности при работе с композитами

Высокая цена и требовательность к аккуратности работы делают композиты эффективными при единичном и мелкосерийном производстве и ремонтных работах. Существуют исключения, например, отливка станин эффективна при любом объеме производства.

Технология предъявляет очень высокие требования к подготовке поверхностей для склеивания. Для получения указанных прочностей на сдвиг и отрыв необходимо тщательно очищать поверхность от загрязнений непосредственно перед склеиванием и весьма желательно делать ее шероховатой для увеличения площади сцепления.

Клеевые соединения высокой прочности не любят сильной вибрации на сдвиг, такая вибрация быстро приводит к усталостному разрушению. Бороться с этим проще всего либо выбрав менее прочный, но более эластичный клей, либо добавив небольшое число заклепок или винтов, препятствующих сдвигу. Конструктор должен стремиться к тому, чтобы композиты не работали на сдвиг и отрыв относительно сопрягаемых поверхностей. Идеально, когда композит работает только на сдавливание.

Все известные клеи токсичны, хотя и незначительно, поэтому нельзя пренебрегать требованиями к вентиляции рабочего помещения.

Василий Семенников, «Умные станки»