В оборудването за цифрово управление с ЦПУ, въпреки че физическите свойства на гранита осигуряват основа за високопрецизна обработка, неговите присъщи недостатъци могат да имат многоизмерни въздействия върху точността на обработка, които се проявяват по-специално, както следва:
1. Повърхностни дефекти при обработка, причинени от крехкост на материала
Крехката природа на гранита (висока якост на натиск, но ниска якост на огъване, обикновено якостта на огъване е само 1/10 до 1/20 от якостта на натиск) го прави податлив на проблеми като напукване по ръбовете и повърхностни микропукнатини по време на обработка.
Микроскопските дефекти влияят върху прецизния трансфер: При извършване на високопрецизно шлифоване или фрезоване, малки пукнатини в точките на контакт на инструмента могат да образуват неравни повърхности, което води до разширяване на грешките в праволинейността на ключови компоненти, като направляващи релси и работни маси (например, плоскостта се влошава от идеалните ±1μm/m до ±3~5μm/m). Тези микроскопични дефекти ще се предават директно върху обработваните части, особено в сценарии на обработка като прецизни оптични компоненти и носители на полупроводникови пластини, което може да доведе до увеличаване на грапавостта на повърхността на детайла (стойността на Ra се увеличава от 0,1μm до над 0,5μm), което влияе върху оптичните характеристики или функционалността на устройството.
Риск от внезапно счупване при динамична обработка: При сценарии на високоскоростно рязане (като скорост на шпиндела > 15 000 об/мин) или скорост на подаване > 20 м/мин, гранитните компоненти могат да претърпят локално фрагментиране поради моментни ударни сили. Например, когато двойката водещи релси променя посоката си бързо, напукването на ръбовете може да доведе до отклонение на траекторията на движение от теоретичния път, което води до внезапен спад в точността на позициониране (грешката в позиционирането се увеличава от ±2 μm до повече от ±10 μm) и дори до сблъсък и бракуване на инструмента.
Второ, загуба на динамична точност, причинена от противоречието между теглото и твърдостта
Високата плътност на гранита (с плътност от приблизително 2,6 до 3,0 g/cm³) може да потисне вибрациите, но също така води до следните проблеми:
Инерционната сила причинява забавяне на реакцията на сервомотора: Инерционната сила, генерирана от тежки гранитни легла (като например големи легла на портални машини, които могат да тежат десетки тонове) по време на ускорение и забавяне, принуждава сервомотора да генерира по-голям въртящ момент, което води до увеличаване на грешката в проследяването на позиционния контур. Например, при високоскоростни системи, задвижвани от линейни двигатели, за всяко 10% увеличение на теглото, точността на позициониране може да намалее с 5% до 8%. Особено в сценарии за наномащабна обработка, това забавяне може да доведе до грешки при обработката на контурите (като например грешката в закръглеността, увеличаваща се от 50 nm до 200 nm по време на кръгова интерполация).
Недостатъчната твърдост причинява нискочестотни вибрации: Въпреки че гранитът има относително високо присъщо затихване, неговият модул на еластичност (около 60 до 120 GPa) е по-нисък от този на чугуна. Когато е подложен на променливи натоварвания (като колебания в силата на рязане по време на многоосна обработка с връзки), може да се получи натрупване на микродеформации. Например, в компонента на въртящата се глава на петосен обработващ център, леката еластична деформация на гранитната основа може да доведе до отклонение на точността на ъглово позициониране на оста на въртене (като например грешката на индексиране, която се увеличава от ±5" до ±15"), което влияе върху точността на обработка на сложни извити повърхности.
Iii. Ограничения на термичната стабилност и чувствителността към околната среда
Въпреки че коефициентът на термично разширение на гранита (приблизително 5 до 9×10⁻⁶/℃) е по-нисък от този на чугуна, той все пак може да причини грешки при прецизната обработка:
Температурните градиенти причиняват структурна деформация: Когато оборудването работи непрекъснато за дълго време, източници на топлина, като например главния вал на двигателя и системата за смазване на водещата релса, могат да причинят температурни градиенти в гранитните компоненти. Например, когато температурната разлика между горната и долната повърхност на работната маса е 2℃, това може да причини средно изпъкнала или средно вдлъбната деформация (отклонението може да достигне 10 до 20μm), което води до нарушаване на плоскостността на затягането на детайла и влияе върху точността на паралелизъм при фрезоване или шлайфане (например, допустимото отклонение на дебелината на плоските части надвишава ±5μm до ±20μm).
Влажността на околната среда причинява леко разширение: Въпреки че степента на абсорбция на вода от гранита (0,1% до 0,5%) е ниска, при продължителна употреба в среда с висока влажност, следи от абсорбция на вода могат да доведат до разширяване на решетката, което от своя страна причинява промени в хлабината на насочващата шина. Например, когато влажността се повиши от 40% относителна влажност до 70%, линейният размер на гранитната направляваща шина може да се увеличи с 0,005 до 0,01 мм/м, което води до намаляване на плавността на движението на плъзгащата се направляваща шина и появата на феномен „пълзене“, който влияе върху точността на подаване на микронно ниво.
Iv. Кумулативни ефекти от грешките при обработката и сглобяването
Трудността при обработката на гранит е висока (изисква специални диамантени инструменти, а ефективността на обработка е само 1/3 до 1/2 от тази на металните материали), което може да доведе до загуба на точност в процеса на сглобяване:
Грешки при обработка на свързващите повърхности: Ако има отклонения в обработката (като плоскост > 5μm, грешка в разстоянието между отворите > 10μm) в ключови части, като повърхността за монтаж на водещата релса и отворите за опора на водещия винт, това ще доведе до изкривяване на линейната водеща релса след монтажа, неравномерно предварително натоварване на сачмения винт и в крайна сметка до влошаване на точността на движение. Например, по време на обработка на триосни връзки, грешката във вертикалността, причинена от изкривяването на водещата релса, може да увеличи грешката в диагоналната дължина на куба от ±10μm до ±50μm.
Интерфейсна празнина на снажданата структура: Гранитните компоненти на голямо оборудване често използват техники за снаждане (като снаждане с многосекционно легло). Ако има малки ъглови грешки (> 10") или грапавост на повърхността > Ra0.8μm върху снажданата повърхност, след сглобяването може да се появи концентрация на напрежение или празнини. При продължително натоварване това може да доведе до структурна релаксация и да причини отклонение в точността (като например намаляване на точността на позициониране с 2 до 5μm всяка година).
Обобщение и вдъхновения за справяне
Недостатъците на гранита имат скрито, кумулативно и екологично чувствително въздействие върху точността на CNC оборудването и трябва систематично да бъдат отстранени чрез средства като модификация на материалите (като импрегниране със смола за повишаване на здравината), структурна оптимизация (като композитни рамки от метал-гранит), технология за термичен контрол (като микроканално водно охлаждане) и динамична компенсация (като калибриране в реално време с лазерен интерферометър). В областта на прецизната обработка в наномащаб е още по-необходимо да се провежда контрол на цялата верига - от избора на материал, технологията на обработка до цялата машинна система, за да се използват напълно предимствата на гранита в производителността, като същевременно се избегнат присъщите му дефекти.
Време на публикуване: 24 май 2025 г.