Во-первых, преимущества гранитного основания.
Высокая жесткость и низкая термическая деформация
Плотность гранита высока (около 2,6-2,8 г/см³), а модуль Юнга может достигать 50-100 ГПа, значительно превосходя показатели обычных металлических материалов. Эта высокая жесткость эффективно подавляет внешние вибрации и деформации под нагрузкой, обеспечивая плоскостность направляющей воздушного поплавка. В то же время коэффициент линейного расширения гранита очень низок (около 5×10⁻⁶/℃), составляя всего 1/3 от алюминиевого сплава, что практически исключает термическую деформацию в условиях колебаний температуры. Он особенно подходит для лабораторий с постоянной температурой или промышленных предприятий с большими перепадами температур между днем и ночью.
Превосходные демпфирующие характеристики
Поликристаллическая структура гранита обуславливает его естественные демпфирующие свойства, а время затухания вибрации в 3-5 раз меньше, чем у стали. В процессе прецизионной обработки он эффективно поглощает высокочастотные вибрации, такие как запуск и остановка двигателя, резка инструмента, и предотвращает влияние резонанса на точность позиционирования подвижной платформы (типичное значение до ±0,1 мкм).
Долговременная стабильность размеров
После сотен миллионов лет геологических процессов, сформировавших гранит, его внутренние напряжения полностью снимаются, в отличие от металлических материалов, где остаточные напряжения возникают из-за медленной деформации. Экспериментальные данные показывают, что изменение размеров гранитного основания за 10-летний период составляет менее 1 мкм/м, что значительно лучше, чем у чугунных или сварных стальных конструкций.
Устойчивы к коррозии и не требуют технического обслуживания.
Гранит обладает высокой устойчивостью к кислотам, щелочам, маслам, влаге и другим факторам окружающей среды, поэтому нет необходимости так регулярно наносить антикоррозионный слой, как на металлическую основу. После шлифовки и полировки шероховатость поверхности может достигать Ra 0,2 мкм или менее, что позволяет использовать его непосредственно в качестве опорной поверхности направляющей пневматической подвески для уменьшения погрешностей сборки.
Во-вторых, ограничения гранитного основания.
Проблема сложности и стоимости обработки
Гранит имеет твердость по шкале Мооса 6-7, что требует использования алмазных инструментов для прецизионной шлифовки, а эффективность обработки составляет всего 1/5 от эффективности обработки металлических материалов. Сложная структура паза типа «ласточкин хвост», резьбовые отверстия и другие особенности обрабатываемых материалов приводят к высокой стоимости и длительному циклу обработки (например, обработка платформы размером 2 м × 1 м занимает более 200 часов), в результате чего общая стоимость на 30-50% выше, чем у платформы из алюминиевого сплава.
Риск хрупкого перелома
Хотя прочность гранита на сжатие может достигать 200-300 МПа, его прочность на растяжение составляет лишь 1/10 от этой величины. При экстремальных ударных нагрузках легко возникает хрупкое разрушение, а повреждения трудно устранить. Необходимо избегать концентрации напряжений за счет конструктивных решений, таких как использование закругленных углов, увеличение количества точек опоры и т.д.
Вес накладывает ограничения на систему.
Плотность гранита в 2,5 раза выше, чем у алюминиевого сплава, что приводит к существенному увеличению общего веса платформы. Это предъявляет более высокие требования к несущей способности опорной конструкции, а динамические характеристики могут быть затронуты инерционными проблемами в сценариях, требующих высокоскоростного перемещения (например, стол для литографических пластин).
Анизотропия материала
Распределение минеральных частиц в природном граните носит направленный характер, и твердость и коэффициент теплового расширения в разных местах незначительно различаются (примерно ±5%). Это может привести к существенным погрешностям для сверхточных платформ (таких как наноразмерное позиционирование), которые необходимо устранять путем тщательного отбора материалов и гомогенизирующей обработки (например, высокотемпературного обжига).
В качестве основного компонента высокоточного промышленного оборудования, прецизионные пневматические платформы, работающие под статическим давлением, широко используются в полупроводниковом производстве, оптической обработке, прецизионных измерениях и других областях. Выбор материала основания напрямую влияет на стабильность, точность и срок службы платформы. Гранит (природный гранит) благодаря своим уникальным физическим свойствам в последние годы стал популярным материалом для оснований таких платформ.
Дата публикации: 09.04.2025