Blog

Композиты улучшают конструкции станков. Хамфри Картер

Когда дело доходит до проектирования движущихся конструктивных элементов высокопроизводительных станков, таких как балки, валы и шпиндели, а также узлы, используемые для удержания режущих инструментов, необходимость в точном, согласованном и долговечном станке приводит к созданию частей, которые являются легкими, прочными и жесткими. Какой бы материал ни выбрал дизайнер, физические требования требуют наличия полых элементов с тонкими стенками.

Тонкостенные полые конструкции имеют жесткость и малый вес, но могут иметь и другие характеристики, которые снижают производительность машины. Например, если собственная частота луча или его стенок слишком близка к рабочим частотам машины, результирующий резонанс может вызвать значительные вибрации, которые ухудшают точность и могут привести к тому, что машина станет нестабильной и, возможно, опасной. Станок также может работать в широком температурном диапазоне из-за изменений погоды или тепла от заготовки или тепла, выделяющегося во время резки, обработки или сварки. Со временем результирующее тепловое расширение и сжатие могут привести к значительным изменениям размеров.

Композитное преимущество

Надлежащим образом спроектированные и изготовленные компоненты, армированные углеродным волокном, могут решить многие из основных проблем, с которыми сталкиваются конструкторы станков. Углеродные композитные элементы могут составлять всего четверть массы стальных и иметь одинаковую прочность и жесткость. Однонаправленный армированный углеродным волокном ламинат может вдвое увеличить жесткость стали в направлении волокон благодаря свойствам графитового волокна. Они могут быть сконструированы с демпфирующими вибрациями свойствами в 20 раз лучше, чем сталь, или для нулевого расширения в одном измерении.

Еще одним преимуществом композитов является возможность настройки свойств детали в соответствии с конкретными требованиями каждого приложения. Это достигается путем корректировки количества и ориентации волокон в структуре. Это также может быть сделано иногда путем включения других материалов или компонентов в деталь во время ее изготовления. Проектирование составного компонента для обеспечения наилучшей общей производительности в каждом машинном приложении требует понимания требований конечного пользователя, а также плюсов и минусов различных технологий изготовления композитов.

Например, осевое размещение волокон позволяет выравнивать волокна по длине трубки или балки. В этой технологии изготовления массив радиальных штифтов устанавливается на каждом конце оправки, используемой для создания детали. Волокна оборачиваются вокруг этих штифтов, укладываются по длине оправки, а затем оборачиваются вокруг соответствующего штифта на другом конце. Повторяя этот процесс вокруг каждого штифта, вы получаете полный слой продольных волокон на поверхности детали. Это обеспечивает идеальное выравнивание волокон для изгибающих нагрузок. Осевое размещение волокон позволяет создавать композитные детали с очень высоким процентом волокон в их структуре. По сравнению с обычными методами намотки нити, осевое размещение волокна может привести к образованию балок и труб, которые на 10-15% жестче в направлении волокна и обеспечивают на 50% большую прочность при изгибе.

Уменьшение вибрации

Одной из основных задач при проектировании машин является точная настройка виброгасящих свойств. Низкая масса и высокая жесткость углеродных композитных деталей уже обеспечивают хорошие вибрационные и демпфирующие характеристики по сравнению со стальными или алюминиевыми альтернативами. Вибрации настолько важны в машинном оборудовании, что требуют особого внимания при проектировании.

Вибрационное поведение можно обрабатывать несколькими способами. Размеры детали и толщину стенки можно регулировать, например, для настройки ее собственных частот. Демпфирующие материалы, включая резиновые и пробковые наполнители, могут быть включены в конструкцию. Внутреннее вспененное армирование может быть включено для улучшения вибрационной устойчивости стен в больших частях.

Один производитель лазерных резаков использовал этот подход, чтобы значительно улучшить производительность новой машины. Компания пыталась уменьшить вес и прогиб поперечной балки по оси Y длиной более трех футов. Он заменил существующую стальную деталь тонкостенной композитной деталью, усиленной пеной. Это уменьшило вес балки на 44% при увеличении его жесткости. Эти улучшения позволили пиковому ускорению луча перейти от 3g до 6g. Это, в свою очередь, сократило время резки листа материала в машине до 30%. Кроме того, дополнительная жесткость детали и улучшенные демпфирующие характеристики могут повысить точность до 50%.

Заставить все это работать

Независимо от присущих им характеристик, составные части должны эффективно работать в общей структуре машины. Это означает, что они должны соответствовать подходящим точкам крепления для вспомогательного оборудования, кронштейнам для осей и подшипников и направляющим для других движущихся компонентов. Каждый из этих элементов должен быть прочным и достаточно стабильным для надежной работы.

Чтобы упростить получение композитных деталей для работы на станках, в них можно встроить соответствующие точки крепления. Они могут включать в себя дополнительные слои обрабатываемого материала для размещения прецизионной поверхности для линейных рельсов, установки металлических вставок в композитную конструкцию для обеспечения резьбовых отверстий для соединений или добавления колодок для поддержки направляющих и кронштейнов.

Хорошим примером этого подхода является новый луч переноса. В процессе проектирования концепция перешла от базовой балки квадратного сечения к гибридной композитной версии стальной балки с Т-образными пазами. Включение Т-образного паза в композитную балку во время производства позволяет компании использовать стандартные крепления компонентов, сохраняя при этом всю эксплуатационную гибкость оригинальной конструкции. Однако это привело к значительному улучшению производительности. Новая композитная балка была более жесткой, чем стальной предшественник, и имела только четверть своей массы. В результате собственная частота детали увеличилась, а ее динамический отклик уменьшился. Амплитуда перемещения стальной балки ограничивала скорость линии пресса, но композитная балка позволяла увеличить рабочую скорость с 20 до 32 ударов в минуту, что в среднем привело к увеличению производительности на 40%.

Расходы

В качестве сырья углеродное волокно значительно дороже, чем сталь или алюминий. Одного этого факта достаточно, чтобы помешать некоторым конструкторам машин рассмотреть составные части. Однако при сравнении затрат на составные части важно придерживаться целостного подхода.

Композитное производство может привести к получению точных компонентов с минимальной последующей обработкой, что значительно сокращает разрыв в стоимости между металлом и композитами к тому времени, когда деталь готовится к установке на станке. В некоторых случаях композиты могут быть более дешевым вариантом, чем металлические аналоги.

Даже когда, как это более распространено, стоимость композитного луча немного больше, чем альтернативного, он часто дает экономию в других местах. Уменьшение веса основных движущихся компонентов позволяет разработчикам использовать меньшие подшипники, двигатели и другие компоненты движения. Снижение веса и, следовательно, энергии окупит дополнительные расходы в течение срока службы машины. Меньший вес также уменьшает силы импульса и может продлить срок службы тех же самых деталей, которые со временем изнашиваются. Это означает, что срок службы и замены может быть увеличен.

В большинстве случаев, однако, наиболее важные преимущества деталей машин из углеродного композита связаны с повышением скорости, производительности и качества. Высокопроизводительные машины зарабатывают деньги для своих пользователей, а годовая окупаемость производительности от использования композитных деталей может быть в десятки или сотни раз больше, чем любые единовременные дополнительные расходы.

Автор

ony Holtz (Тони Хольц) – глава отдела развития бизнеса в CompoTech, e-mail: humphrey.carter@compotech.com.

Источник: www.machinedesign.com.