Во-первых, преимущества гранитного основания
Высокая жесткость и низкая термическая деформация
Плотность гранита высокая (около 2,6–2,8 г/см³), а модуль Юнга может достигать 50–100 ГПа, что значительно превышает показатели обычных металлических материалов. Высокая жёсткость гранита позволяет эффективно подавлять внешнюю вибрацию и деформацию под действием нагрузки, а также обеспечивать плоскостность направляющей воздушного поплавка. В то же время, коэффициент линейного расширения гранита очень низкий (около 5×10⁻⁶/℃), он состоит всего на 1/3 из алюминиевого сплава и практически не подвержен термическим деформациям в условиях колебаний температуры, что особенно подходит для лабораторий с постоянной температурой или промышленных объектов с большой разницей температур днем и ночью.
Отличные характеристики демпфирования
Поликристаллическая структура гранита обеспечивает ему естественные демпфирующие свойства, а время затухания вибрации в 3-5 раз меньше, чем у стали. В процессе прецизионной обработки гранит способен эффективно поглощать высокочастотные вибрации, возникающие при запуске и остановке двигателя, резке инструмента, а также исключать влияние резонанса на точность позиционирования подвижной платформы (типичное значение до ±0,1 мкм).
Долгосрочная размерная стабильность
После сотен миллионов лет геологических процессов, формировавших гранит, его внутренние напряжения полностью сняты, в отличие от металлических материалов, где остаточные напряжения возникают в результате медленной деформации. Экспериментальные данные показывают, что изменение размеров гранитного основания составляет менее 1 мкм/м за 10 лет, что значительно лучше, чем у чугунных или сварных стальных конструкций.
Устойчив к коррозии и не требует обслуживания
Гранит обладает высокой устойчивостью к воздействию кислот, щелочей, масла, влаги и других факторов окружающей среды, поэтому нет необходимости в таком регулярном нанесении антикоррозийного слоя, как на металлическую основу. После шлифовки и полировки шероховатость поверхности может достигать Ra 0,2 мкм и менее, что позволяет использовать её непосредственно в качестве опорной поверхности направляющей воздушного поплавка для предотвращения ошибок сборки.
Во-вторых, ограничения гранитного основания
Проблема сложности обработки и стоимости
Твёрдость гранита по шкале Мооса составляет 6-7, поэтому для его точной шлифовки требуется использование алмазного инструмента. Эффективность обработки составляет всего 1/5 от эффективности обработки металлических материалов. Сложная структура пазов типа «ласточкин хвост», резьбовых отверстий и других особенностей обуславливает высокую стоимость обработки, а цикл обработки длительный (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 разрушения
Хотя прочность гранита на сжатие может достигать 200–300 МПа, прочность на растяжение составляет всего 1/10 от неё. При экстремальных ударных нагрузках легко возникает хрупкое разрушение, которое трудно поддаётся ремонту. Необходимо избегать концентрации напряжений за счёт конструктивных решений, таких как использование скруглённых угловых переходов, увеличение количества точек опоры и т. д.
Вес накладывает системные ограничения
Плотность гранита в 2,5 раза превышает плотность алюминиевого сплава, что приводит к значительному увеличению общего веса платформы. Это предъявляет повышенные требования к несущей способности опорной конструкции, а динамические характеристики могут быть снижены из-за инерционности в ситуациях, требующих высокоскоростного перемещения (например, в случае литографического стола).
Анизотропия материала
Распределение минеральных частиц природного гранита направленное, а твёрдость и коэффициент теплового расширения в разных позициях немного различаются (примерно ±5%). Это может привести к существенным ошибкам для сверхточных платформ (например, позиционирования в наномасштабе), которые необходимо устранить путём строгого отбора материала и гомогенизирующей обработки (например, высокотемпературного обжига).
Будучи основным компонентом высокоточного промышленного оборудования, прецизионная плавучая платформа статического давления широко используется в производстве полупроводников, оптической обработке, прецизионных измерениях и других областях. Выбор материала основания напрямую влияет на устойчивость, точность и срок службы платформы. Гранит (натуральный гранит) благодаря своим уникальным физическим свойствам стал популярным материалом для таких оснований в последние годы.
Время публикации: 09 апреля 2025 г.