Алюминий vs Чугун для станин

Конструкции станков, линейные перемещения, направляющие, передачи.
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

Посещают меня разные <s>дурные</s> мысли.
Поскольку я не имею образования в области сопромата-материаловединия, приходится тестировать мысли на окружающих.

Итак. Вопрос в следующем: Почему Алюминий не используют как материал для станин различных (ЧПУ) станков ?
Для простоты ограничимся фрезерными.

Какова причина ?
Его высокая цена, или есть что-то еще ?
Ведь самолет почему-то не чугунный :), значит при меньшей массе алюминий в состоянии обеспечить сравнимую с чугуном несущую способность.

Вопрос интересует в разрезе: что из материалов имеет смысл использовать для станин станков в случае жестких
ограничений по весу (в идеале было-бы иметь сборную железку, любую из частей которой в состоянии перенести один-два человека).
Стоимость алюминия тут выходит немного на второй план, масса не столь велика.

При этом в ТТХ мы стремимся к максимальной жесткости-точности, но общий вес и вес частей у нас строго ограничен.

Будет ли в таком случае разумным использовать чугунные детали, или имеет смысл подумать об алюминиевых ?
Имеет ли смысл думать об алюминиевых плитах, или коробчатые конструкции будут безальтернативны ?

Одной из видимых сразу проблем является КТР, для алюминия он поди иной, чем для рельс.
Но если температура сильно не гуляет, то вряд ли это такая уж проблема.
А из чего кстати рельсы ?
Аватара пользователя
AndyBig
Мастер
Сообщения: 3971
Зарегистрирован: 07 мар 2014, 04:01
Репутация: 1121
Откуда: юг России
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение AndyBig »

SVP писал(а):Ведь самолет почему-то не чугунный , значит при меньшей массе алюминий в состоянии обеспечить сравнимую с чугуном несущую способность.
Там скорее по другому: значит только алюминиевые сплавы укладываются в требуемое соотношение вес/прочность :) Чугун, возможно, был бы прочнее, но никак не проходит по весу :)
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

AndyBig писал(а):Там скорее по другому: значит только алюминиевые сплавы укладываются в требуемое соотношение вес/прочность Чугун, возможно, был бы прочнее, но никак не проходит по весу
Так и у меня похожая ситуация. Вес тоже ограничен.
Я просто напроектировал тут чуток чугунных всяких конструкций, и взяло меня сомненье верный ли это путь...
Аватара пользователя
Predator
Мастер
Сообщения: 9583
Зарегистрирован: 18 июл 2013, 18:26
Репутация: 2531
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение Predator »

SVP, Почему чугун?
Ну, потому-что:
  • Чугун отлично гасит вибрации;
  • Чугун в отличии от алюминия более устойчив к деформации;
  • Чугун имеет малый коэфициент теплового расширения;
  • Чугун хорошо работает на трение (пара трения чугун-чугун при наличии смазки живет очень долго);
  • Чугун хорошо работает на сжатие;
  • Чугун легко отливать;
  • Чугун дешевый
Продолжать дальше?
Аватара пользователя
AndyBig
Мастер
Сообщения: 3971
Зарегистрирован: 07 мар 2014, 04:01
Репутация: 1121
Откуда: юг России
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение AndyBig »

Как вижу я (тоже не изучал сопромат-материаловедение) :)
Чугун прочнее, менее подвержен пластичным деформациям и даст большую жесткость при равных размерах. Но есть ли в этом необходимость в конкретном узле? Принцип разумной достаточности никто не отменял :)
Пилить пластик на площади 20х20 см с минимальными ускорениями и с допустимой точностью 0.1 мм - и алюминия за глаза хватит, обдирать 200-килограммовые стальные чушки - наверное уже стоит задуматься о чугуне :)
Ну то есть нужно смотреть по задаче.
Аватара пользователя
Predator
Мастер
Сообщения: 9583
Зарегистрирован: 18 июл 2013, 18:26
Репутация: 2531
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение Predator »

AndyBig писал(а):Ну то есть нужно смотреть по задаче.
Определённо, да! Но о задачах вроде не упоминалось :wik:
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

Predator писал(а):
  • Чугун отлично гасит вибрации;
Некоторые утверждают, что алюминий не хуже.
Как бы убедиться в этом по ТТХ ? Что отвечает за "гашение вибраций" ? Какая физ. величина ?
Predator писал(а): [*]Чугун в отличии от алюминия более устойчив к деформации;
[*]Чугун хорошо работает на сжатие
Чугун сравнимой массы ? Точно ?
Почему самолет не чугунный тогда ?
Predator писал(а): [*]Чугун имеет малый коэфициент теплового расширения;
Должен быть не малый, а мало отличающийся от рельс. Какой он у рельс ?
Predator писал(а): [*]Чугун хорошо работает на трение (пара трения чугун-чугун при наличии смазки живет очень долго);
На трение работают рельсы, а не станина...
Predator писал(а):[*]Чугун легко отливать;
Алюминий вроде бы не сложнее. Уж не говоря о том, что вместо литья можно профиль использовать.
(и хорошо-бы использовать что-то коробчатое)
Predator писал(а): [*]Чугун дешевый[/list]
Сам по себе - да. В станках на тонны - да. Когда речь о десятках-сотнях килограмм цена материала не ключевое.
Predator писал(а): Продолжать дальше?
Да.
Последний раз редактировалось SVP 19 окт 2015, 19:05, всего редактировалось 1 раз.
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

AndyBig писал(а):Чугун прочнее, менее подвержен пластичным деформациям и даст большую жесткость при равных размерах. Но есть ли в этом необходимость в конкретном узле? Принцип разумной достаточности никто не отменял
Я-же говорю об агрегатах равной массы, а не размеров.
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

Predator писал(а):
AndyBig писал(а):Ну то есть нужно смотреть по задаче.
Определённо, да! Но о задачах вроде не упоминалось :wik:
Давайте прикинем на такой задаче:
Фрезер. Максимально достижимая точность и жесткость. Масса до 200кг.
Масса одной одной сборочной детали до 50кг. (а лучше-бы до 25кг).

Весь вопрос в том, что лучше, 10мм чугуна, или 15мм алюминия. (условно).
Аватара пользователя
Predator
Мастер
Сообщения: 9583
Зарегистрирован: 18 июл 2013, 18:26
Репутация: 2531
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение Predator »

SVP писал(а):Почему самолет не чугунный тогда ?
Физику учил, закон Архимеда знаешь? Вот потому и не делают!
SVP писал(а):Весь вопрос в том, что лучше, 10мм чугуна, или 15мм алюминия.
Дискутировать на тему, можно долго, но я бы всё-равно выбрал чугун ;)
Аватара пользователя
Mr. Mass
Опытный
Сообщения: 121
Зарегистрирован: 15 янв 2015, 16:07
Репутация: 96
Настоящее имя: Константин
Откуда: Одесса
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение Mr. Mass »

Позволю себе процитировать умного дядьку с дружественного форума:
Дело в том что, алюминий по удельной прочности и жесткости легко конкурирует с чугуном и догоняет дешевые конструкционные стали. Например модуль Юнга алюминия 70ГПа, чугуна 120ГПа, стали 210Гпа. Тоесть алюминиевая деталь при одинаковых размерах сечения детали в 3 раза проигрывает стальной, и в 1.7раза чугунной. Но, плотность алюминия 2.7г/см3, чугуна и стали 7.8г/см3. Тоесть при одинаковой массе, алюминия в "мясе" детали, будет в 2.9 раза больше. Получается что проигрывая чугуну по модулю упругости в 1.7раза, алюминий выигрывает в плотности в 2.9 раза. По этому, при одинаковой массе с чугунной и сопоставимых сечениях (важно), алюминий будет в выигрыше в жесткости перед чугуном в 1.68 раза. До стали алюминий чуток не дотягивает. Это по жескости. Тоесть по жесткости при одинаковой массе и сходных размерах сечений, первое место займет стальная конструкция, второе - алюминиевая, третье - чугунная.
У чугуна есть только два преимущества - повышенное затухание колебаний и отличные литейные свойства, которые нужны для массового производства.
Кто-то любит путать понятия жесткость и прочность. Прочность (сопротивление разрушению) это совсем другая опера. Но даже по удельной прочности, алюминий может конкурировать с дешевыми малоуглеродистыми конструкционными сталями. Единственное где не стоит применять алюминиевые сплавы, это поверхности трения. Там лучше работают чугуны и стали.
Вывод: алюминиевые сплавы очень даже пригодны для станкостроения. И позволяют создавать станки превосходящие чугунные.
Аватара пользователя
AndyBig
Мастер
Сообщения: 3971
Зарегистрирован: 07 мар 2014, 04:01
Репутация: 1121
Откуда: юг России
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение AndyBig »

SVP писал(а):Весь вопрос в том, что лучше, 10мм чугуна, или 15мм алюминия. (условно).
Если ориентация на вес, то с 15 мм алюминия нужно сравнивать 5 мм чугуна :) В таком случае алюминий, пожалуй, выиграет по прочности.
SVP писал(а):Фрезер. Максимально достижимая точность и жесткость. Масса до 200кг.
Рабочее поле 150х150 мм? Берите чугунную станину. 1500х1500 мм? Аллюминиевую.
Аватара пользователя
AndyBig
Мастер
Сообщения: 3971
Зарегистрирован: 07 мар 2014, 04:01
Репутация: 1121
Откуда: юг России
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение AndyBig »

Mr. Mass писал(а):По этому, при одинаковой массе с чугунной и сопоставимых сечениях (важно), алюминий будет в выигрыше в жесткости перед чугуном в 1.68 раза.
Что-то я не понял как при сопоставимом сечении алюминий может быть одинаков по массе с чугуном...
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

AndyBig писал(а):Что-то я не понял как при сопоставимом сечении алюминий может быть одинаков по массе с чугуном...
Детали бывают и полые.
Если детали не полые, то полагаю алюминий даст еще больший выигрышь.... за счет размера.
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

Predator писал(а):Физику учил, закон Архимеда знаешь? Вот потому и не делают!
Закон архимеда как-то иначе работает с чугуном нежели с алюминием ?
Или и правда всё, как в отцитированном? т.е. удельная жесткость (на массу) у чугуна хуже.
Predator писал(а):Дискутировать на тему, можно долго, но я бы всё-равно выбрал чугун
Да ради бога. Только вот у меня нет никакой тяги к одним металлам в ущерб другим...
Поэтомы хотелось бы разобраться. Для себя.
Аватара пользователя
AndyBig
Мастер
Сообщения: 3971
Зарегистрирован: 07 мар 2014, 04:01
Репутация: 1121
Откуда: юг России
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение AndyBig »

Закон Архимеда вроде бы ближе к водному транспорту, чем к воздушному, а там не стесняются использовать стали, мало отличающиеся по плотности от чугуна :)
В самолетах просто максимально облегчают вес. Деталь из алюминия будет легче, чем деталь из чугуна при одинаковой прочности. Не смотря на то, что алюминия пойдет на нее в два раза больше по объему.
SVP писал(а):Детали бывают и полые.
Это да, но когда говорят о сопоставимости сечений, то мне представляется сравнение площадей материала по сечению :)
SVP писал(а):Если детали не полые, то полагаю алюминий даст еще больший выигрышь.... за счет размера.
Ну если увеличить размер до выравнивания массы с чугуном, то наверное да :)
Аватара пользователя
megagad
Почётный участник
Почётный участник
Сообщения: 3207
Зарегистрирован: 05 апр 2014, 18:57
Репутация: 712
Откуда: Реуспублика Крым, Бахчисарай.
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение megagad »

SVP писал(а):Если детали не полые, то полагаю алюминий даст еще больший выигрышь.... за счет размера.
если "деталь" не полая, то тут две проблемы
1) с конструктором - ибо в "мясе" центральные области практически не участвуют в сопротивлении деформации. Говоря проще - "мясо" нужно делать с умом.
2) с размерами - "размер" у дюралевой детали будет бОльше, чем у чугунной - где-ж тут выигрыш? Для дюралевой детали "припуски", бортики/упоры/"мясо" под резьбу нужно делать бОльших сечений - опять выигрыша с гулькин нос.
We Do What We Must, Because We Can!
Причинять добро, наносить пользу и подвергать ласке.
Аватара пользователя
ultrus
Мастер
Сообщения: 2039
Зарегистрирован: 09 апр 2013, 05:42
Репутация: 1329
Настоящее имя: Юрий
Откуда: Воронеж
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение ultrus »

SVP писал(а):Некоторые утверждают, что алюминий не хуже.
Как бы убедиться в этом по ТТХ ? Что отвечает за "гашение вибраций" ? Какая физ. величина ?
Вы вопросы задаёте и сами на них ответвечаете:
SVP писал(а):Закон архимеда как-то иначе работает с чугуном нежели с алюминием ?
Или и правда всё, как в отцитированном? т.е. удельная жесткость (на массу) у чугуна хуже.
Вам уже всю информацию предоставили. А выводы самому сделать лень?

Нафига парить мозги форумчанам? Если сами всё прекрасно понимаете и знаете закон Архимеда, то зачем задавать такие вопросы?
Раз Вы такой умный, сами посчитайте: "гашение вибраций" и какая физ. величина и т.п.
Не ленитесь, у Вас получится. :good:

И нехрена фулды на форуме плодить!!!!!!!!!!!!!
"Если хочешь сделать что-то хорошо, сделай это сам."
Фердинанд Порше
SVP
Мастер
Сообщения: 6140
Зарегистрирован: 19 дек 2012, 15:49
Репутация: 884
Откуда: Москва
Контактная информация:

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение SVP »

megagad писал(а):[
2) с размерами - "размер" у дюралевой детали будет бОльше, чем у чугунной - где-ж тут выигрыш?
Ну так труба всегда прочнее прутка, если их масса одинаковая.
Разве труба d10 не будет "прочнее" трубы d5 при одной массе ?

Если d5 пруток из сплошного чугуна, то всё, что больше d5 из сплошного алюминия разве
не будет работать "лучше" просто по причине геометрии ?
Аватара пользователя
aegis
Мастер
Сообщения: 3171
Зарегистрирован: 22 мар 2012, 06:59
Репутация: 1810
Настоящее имя: Михайло
Откуда: Україна, Конотоп=>Запоріжжя=>Харьків

Re: Алюминий vs Чугун для станин

Сообщение aegis »

SVP, то что приводили перед этим про соотношение плотности и модуля Юнга справедливо для случая растяжение-сжатие. если деталь будет воспринимать изгибающие нагрузки, то алюминий будет в еще бОльшем выигрыше: там все зависит от куба высоты. тоесть если берем брус, то при той же самой массе тупо увеличив строительную высоту в 3 раза можно выграть в жесткости конструкции 3*3*3/1,7=16 раз а не 3/1,7=1,75...
хотя в пользу чугуна кроме того что уже названо я бы добавил возможность нормально затянуть болты и винты а не бояться что сорвется резьба... не ну динамометрический ключ поможет решить эту проблему, но болтовое соединение в дюралевых деталях будет слабее
нікому нічого не нав'язую.
Ответить

Вернуться в «Механика»