En els equips de control numèric CNC, tot i que les propietats físiques del granit proporcionen una base per al processament d'alta precisió, els seus inconvenients inherents poden tenir impactes multidimensionals en la precisió del processament, que es manifesten específicament de la manera següent:
1. Defectes superficials en el processament causats per la fragilitat del material
La naturalesa fràgil del granit (alta resistència a la compressió però baixa resistència a la flexió, normalment la resistència a la flexió és només d'1/10 a 1/20 de la resistència a la compressió) el fa propens a problemes com ara esquerdes a les vores i microesquerdes superficials durant el processament.
Els defectes microscòpics afecten la transferència de precisió: quan es realitza un rectificat o fresat d'alta precisió, petites esquerdes als punts de contacte de l'eina poden formar superfícies irregulars, cosa que fa que els errors de rectitud dels components clau, com ara els rails de guia i les taules de treball, s'expandeixin (per exemple, la planitud es deteriora de l'ideal ±1 μm/m a ±3~5 μm/m). Aquests defectes microscòpics es transmetran directament a les peces processades, especialment en escenaris de processament com ara components òptics de precisió i portadors de làmines semiconductores, cosa que pot provocar un augment de la rugositat superficial de la peça (el valor Ra augmenta de 0,1 μm a més de 0,5 μm), afectant el rendiment òptic o la funcionalitat del dispositiu.
Risc de fractura sobtada en el processament dinàmic: en escenaris de tall d'alta velocitat (com ara una velocitat del cargol > 15.000 r/min) o una velocitat d'avanç > 20 m/min, els components de granit poden experimentar una fragmentació local a causa de forces d'impacte instantànies. Per exemple, quan el parell de carrils guia canvia de direcció ràpidament, l'esquerdament de la vora pot fer que la trajectòria del moviment es desviï de la trajectòria teòrica, cosa que provoca una disminució sobtada de la precisió del posicionament (l'error de posicionament s'expandeix de ±2 μm a més de ±10 μm), i fins i tot pot provocar col·lisions i raspallat de l'eina.
En segon lloc, la pèrdua de precisió dinàmica causada per la contradicció entre el pes i la rigidesa
La propietat d'alta densitat del granit (amb una densitat d'aproximadament 2,6 a 3,0 g/cm³) pot suprimir la vibració, però també comporta els següents problemes:
La força d'inèrcia provoca un retard en la resposta del servomotor: la força d'inèrcia generada per llits de granit pesats (com ara llits de màquines de pòrtic grans que poden pesar desenes de tones) durant l'acceleració i la desacceleració obliga el servomotor a generar un parell més gran, cosa que provoca un augment de l'error de seguiment del bucle de posició. Per exemple, en sistemes d'alta velocitat impulsats per motors lineals, per cada augment del 10% de pes, la precisió del posicionament pot disminuir entre un 5% i un 8%. Especialment en escenaris de processament a nanoescala, aquest retard pot provocar errors de processament de contorns (com ara l'error de rodonesa que augmenta de 50 nm a 200 nm durant la interpolació circular).
Una rigidesa insuficient provoca vibracions de baixa freqüència: tot i que el granit té un amortiment inherent relativament alt, el seu mòdul elàstic (d'uns 60 a 120 GPa) és inferior al de la fosa. Quan se sotmet a càrregues alternes (com ara fluctuacions en la força de tall durant el processament d'enllaç multieix), es pot produir una acumulació de microdeformació. Per exemple, en el component del capçal oscil·lant d'un centre de mecanitzat de cinc eixos, la lleugera deformació elàstica de la base de granit pot fer que la precisió de posicionament angular de l'eix de rotació es desviï (com ara l'error d'indexació que s'expandeix de ±5" a ±15"), afectant la precisió del mecanitzat de superfícies corbes complexes.
Iii. Limitacions de l'estabilitat tèrmica i la sensibilitat ambiental
Tot i que el coeficient de dilatació tèrmica del granit (aproximadament de 5 a 9 × 10⁻⁶/℃) és inferior al de la fosa, encara pot causar errors en el processament de precisió:
Els gradients de temperatura provoquen deformacions estructurals: quan l'equip funciona contínuament durant molt de temps, les fonts de calor com el motor de l'eix principal i el sistema de lubricació del carril guia poden causar gradients de temperatura en els components de granit. Per exemple, quan la diferència de temperatura entre les superfícies superior i inferior de la taula de treball és de 2 ℃, pot causar una deformació mig convexa o mig còncava (la deflexió pot arribar a 10 a 20 μm), cosa que pot provocar una fallada de la planitud de la subjecció de la peça i afectar la precisió del paral·lelisme del fresat o el rectificat (com ara la tolerància de gruix de les peces de placa plana que supera els ±5 μm i els ±20 μm).
La humitat ambiental provoca una lleugera expansió: Tot i que la taxa d'absorció d'aigua del granit (0,1% a 0,5%) és baixa, quan s'utilitza durant molt de temps en un entorn d'alta humitat, una petita quantitat d'absorció d'aigua pot provocar una expansió de la xarxa, que al seu torn provoca canvis en el joc d'ajust del parell de carrils guia. Per exemple, quan la humitat augmenta del 40% d'humitat relativa al 70% d'humitat relativa, la dimensió lineal del carril guia de granit pot augmentar entre 0,005 i 0,01 mm/m, cosa que provoca una disminució de la suavitat del moviment del carril guia lliscant i l'aparició d'un fenomen de "gateig", que afecta la precisió de l'alimentació a nivell de micres.
Iv. Efectes acumulatius dels errors de processament i muntatge
La dificultat de processament del granit és elevada (requereix eines de diamant especials i l'eficiència de processament és només d'1/3 a 1/2 de la dels materials metàl·lics), cosa que pot provocar la pèrdua de precisió en el procés de muntatge:
Transmissió d'errors de processament de superfícies d'acoblament: Si hi ha desviacions de processament (com ara planitud > 5 μm, error d'espaiat entre forats > 10 μm) en parts clau com la superfície d'instal·lació del carril guia i els forats de suport del cargol de bola, això provocarà una distorsió del carril guia lineal després de la instal·lació, una precàrrega desigual del cargol de bola i, en última instància, un deteriorament de la precisió del moviment. Per exemple, durant el processament d'enllaç de tres eixos, l'error de verticalitat causat per la distorsió del carril guia pot ampliar l'error de longitud diagonal del cub de ±10 μm a ±50 μm.
Bretxa d'interfície de l'estructura empalmada: Els components de granit dels equips grans sovint adopten tècniques d'empalmament (com ara l'empalmament de llits de diverses seccions). Si hi ha errors angulars menors (> 10") o rugositat superficial > Ra0.8μm a la superfície d'empalmament, es poden produir concentracions d'estrès o buits després del muntatge. Sota la càrrega a llarg termini, pot provocar una relaxació estructural i causar una deriva de la precisió (com ara una disminució de 2 a 5 μm en la precisió del posicionament cada any).
Resum i inspiracions per afrontar
Els desavantatges del granit tenen un impacte encobert, acumulatiu i ambientalment sensible en la precisió dels equips CNC, i s'han d'abordar sistemàticament mitjançant mitjans com la modificació de materials (com la impregnació de resina per millorar la resistència), l'optimització estructural (com ara marcs compostos de metall-granit), la tecnologia de control tèrmic (com ara el refredament d'aigua per microcanals) i la compensació dinàmica (com ara la calibració en temps real amb un interferòmetre làser). En el camp del processament de precisió a nanoescala, és encara més necessari dur a terme un control de cadena completa, des de la selecció de materials i la tecnologia de processament fins a tot el sistema de la màquina, per aprofitar al màxim els avantatges de rendiment del granit i evitar els seus defectes inherents.
Data de publicació: 24 de maig de 2025