În echipamentele de control numeric CNC, deși proprietățile fizice ale granitului oferă o bază pentru prelucrarea de înaltă precizie, dezavantajele sale inerente pot avea impacturi multidimensionale asupra preciziei prelucrării, care se manifestă în mod specific după cum urmează:
1. Defecte de suprafață în timpul prelucrării cauzate de fragilitatea materialului
Natura fragilă a granitului (rezistență mare la compresiune, dar rezistență mică la încovoiere, de obicei rezistența la încovoiere fiind doar 1/10 până la 1/20 din rezistența la compresiune) îl face predispus la probleme precum fisurarea marginilor și microfisurile de suprafață în timpul procesării.
Defectele microscopice afectează transferul de precizie: La efectuarea lucrărilor de șlefuire sau frezare de înaltă precizie, fisurile minuscule din punctele de contact ale sculelor pot forma suprafețe neregulate, provocând extinderea erorilor de rectilinie ale componentelor cheie, cum ar fi șinele de ghidare și mesele de lucru (de exemplu, planeitatea se deteriorează de la ±1 μm/m ideal la ±3~5 μm/m). Aceste defecte microscopice vor fi transmise direct pieselor prelucrate, în special în scenarii de prelucrare precum componente optice de precizie și purtători de plachete semiconductoare, ceea ce poate duce la o creștere a rugozității suprafeței piesei de prelucrat (valoarea Ra crește de la 0,1 μm la peste 0,5 μm), afectând performanța optică sau funcționalitatea dispozitivului.
Risc brusc de fractură în prelucrarea dinamică: În scenarii de așchiere de mare viteză (cum ar fi o viteză a axului > 15.000 r/min) sau o viteză de avans > 20 m/min, componentele din granit pot suferi fragmentări locale din cauza forțelor de impact instantanee. De exemplu, atunci când perechea de șine de ghidare își schimbă rapid direcția, fisurarea muchiei poate determina abaterea traiectoriei mișcării de la traiectoria teoretică, rezultând o scădere bruscă a preciziei de poziționare (eroarea de poziționare se extinde de la ±2 μm la mai mult de ±10 μm) și chiar ducând la coliziunea și zgârieturile sculei.
În al doilea rând, pierderea dinamică a preciziei cauzată de contradicția dintre greutate și rigiditate
Granitul are o densitate mare (de aproximativ 2,6 până la 3,0 g/cm³) și poate reduce vibrațiile, dar prezintă și următoarele probleme:
Forța inerțială provoacă o întârziere a răspunsului servomotorului: Forța inerțială generată de paturile grele de granit (cum ar fi paturile mari ale mașinilor portal care pot cântări zeci de tone) în timpul accelerării și decelerării forțează servomotorul să genereze un cuplu mai mare, rezultând o creștere a erorii de urmărire a buclei de poziționare. De exemplu, în sistemele de mare viteză acționate de motoare liniare, pentru fiecare creștere de 10% a greutății, precizia de poziționare poate scădea cu 5% până la 8%. În special în scenariile de procesare la nanoscală, această întârziere poate duce la erori de procesare a conturului (cum ar fi creșterea erorii de rotunjime de la 50 nm la 200 nm în timpul interpolării circulare).
Rigiditatea insuficientă provoacă vibrații de joasă frecvență: Deși granitul are o amortizare inerentă relativ ridicată, modulul său de elasticitate (aproximativ 60 până la 120 GPa) este mai mic decât cel al fontei. Atunci când este supus unor sarcini alternative (cum ar fi fluctuațiile forței de așchiere în timpul prelucrării cu legături multiaxe), se poate produce acumularea de microdeformări. De exemplu, în componenta capului oscilant al unui centru de prelucrare cu cinci axe, o ușoară deformare elastică a bazei de granit poate provoca o deviație a preciziei de poziționare unghiulară a axei de rotație (cum ar fi extinderea erorii de indexare de la ±5" la ±15"), afectând precizia de prelucrare a suprafețelor curbate complexe.
Iii. Limitări ale stabilității termice și ale sensibilității la mediu
Deși coeficientul de dilatare termică al granitului (aproximativ 5 până la 9×10⁻⁶/℃) este mai mic decât cel al fontei, acesta poate cauza totuși erori în prelucrarea de precizie:
Gradienții de temperatură cauzează deformări structurale: Atunci când echipamentul funcționează continuu pentru o perioadă lungă de timp, sursele de căldură, cum ar fi motorul arborelui principal și sistemul de lubrifiere a șinei de ghidare, pot provoca gradienți de temperatură în componentele din granit. De exemplu, atunci când diferența de temperatură dintre suprafețele superioare și inferioare ale mesei de lucru este de 2℃, aceasta poate provoca deformări medio-convexe sau medio-concave (deformarea poate ajunge la 10 până la 20 μm), ceea ce duce la defectarea planeității prinderii piesei de prelucrat și afectează precizia de paralelism la frezare sau rectificare (cum ar fi toleranța de grosime a pieselor plate care depășește ±5 μm până la ±20 μm).
Umiditatea mediului provoacă o ușoară dilatare: Deși rata de absorbție a apei a granitului (0,1% până la 0,5%) este scăzută, atunci când este utilizat pentru o perioadă lungă de timp într-un mediu cu umiditate ridicată, o cantitate infimă de absorbție a apei poate duce la dilatarea rețelei, ceea ce la rândul său provoacă modificări ale jocului de fixare al perechii de șine de ghidare. De exemplu, atunci când umiditatea crește de la 40% RH la 70% RH, dimensiunea liniară a șinei de ghidare din granit poate crește cu 0,005 până la 0,01 mm/m, rezultând o scădere a fluidității mișcării șinei de ghidare și apariția unui fenomen de „târâre”, care afectează precizia de avans la nivel micronic.
Iv. Efecte cumulative ale erorilor de procesare și asamblare
Dificultatea de prelucrare a granitului este mare (necesitând unelte diamantate speciale, iar eficiența de prelucrare este doar de 1/3 până la 1/2 din cea a materialelor metalice), ceea ce poate duce la pierderea preciziei în procesul de asamblare:
Transmiterea erorilor de procesare a suprafețelor de contact: Dacă există abateri de procesare (cum ar fi planeitate > 5 μm, eroare de distanțare a găurilor > 10 μm) în componente cheie, cum ar fi suprafața de instalare a șinei de ghidare și găurile de susținere a șurubului de acționare, acest lucru va cauza distorsiunea șinei de ghidare liniare după instalare, preîncărcarea neuniformă a șurubului cu bile și, în cele din urmă, va duce la deteriorarea preciziei mișcării. De exemplu, în timpul procesării legăturii pe trei axe, eroarea de verticalitate cauzată de distorsiunea șinei de ghidare poate extinde eroarea de lungime diagonală a cubului de la ±10 μm la ±50 μm.
Intervalul de interfață al structurii îmbinate: Componentele din granit ale echipamentelor mari adoptă adesea tehnici de îmbinare (cum ar fi îmbinarea în straturi multiple). Dacă există erori unghiulare minore (> 10") sau o rugozitate a suprafeței > Ra0.8μm pe suprafața de îmbinare, pot apărea concentrații de stres sau intercalari după asamblare. Sub sarcină pe termen lung, aceasta poate duce la o relaxare structurală și poate provoca o abatere a preciziei (cum ar fi o scădere de 2 până la 5 μm a preciziei de poziționare în fiecare an).
Rezumat și inspirații pentru a face față
Dezavantajele granitului au un impact ascuns, cumulativ și sensibil din punct de vedere ecologic asupra preciziei echipamentelor CNC și trebuie abordate sistematic prin mijloace precum modificarea materialelor (cum ar fi impregnarea cu rășină pentru a spori rezistența), optimizarea structurală (cum ar fi cadrele compozite metal-granit), tehnologia de control termic (cum ar fi răcirea cu apă cu microcanal) și compensarea dinamică (cum ar fi calibrarea în timp real cu un interferometru laser). În domeniul prelucrării de precizie la nanoscală, este și mai necesar să se efectueze un control complet, de la selecția materialelor și tehnologia de procesare până la întregul sistem al mașinii, pentru a valorifica pe deplin avantajele de performanță ale granitului, evitând în același timp defectele sale inerente.
Data publicării: 24 mai 2025