Em equipamentos de controle numérico CNC, embora as propriedades físicas do granito forneçam uma base para o processamento de alta precisão, suas desvantagens inerentes podem ter impactos multidimensionais na precisão do processamento, que se manifestam especificamente da seguinte forma:
1. Defeitos superficiais no processamento causados pela fragilidade do material
A natureza quebradiça do granito (alta resistência à compressão, mas baixa resistência à flexão, geralmente a resistência à flexão é de apenas 1/10 a 1/20 da resistência à compressão) o torna propenso a problemas como rachaduras nas bordas e microfissuras na superfície durante o processamento.
Defeitos microscópicos afetam a transferência de precisão: Ao realizar retificação ou fresamento de alta precisão, pequenas trincas nos pontos de contato da ferramenta podem formar superfícies irregulares, causando a expansão dos erros de retilinidade de componentes-chave, como trilhos-guia e mesas de trabalho (por exemplo, a planicidade se deteriora do ideal de ±1 μm/m para ±3~5 μm/m). Esses defeitos microscópicos serão transmitidos diretamente às peças processadas, especialmente em cenários de processamento como componentes ópticos de precisão e portadores de wafers semicondutores, o que pode levar a um aumento na rugosidade da superfície da peça (o valor de Ra aumenta de 0,1 μm para mais de 0,5 μm), afetando o desempenho óptico ou a funcionalidade do dispositivo.
Risco de fratura repentina no processamento dinâmico: Em cenários de corte de alta velocidade (como rotação do fuso > 15.000 rpm) ou avanço > 20 m/min, componentes de granito podem sofrer fragmentação local devido a forças de impacto instantâneas. Por exemplo, quando o par de trilhos-guia muda de direção rapidamente, a fissuração nas bordas pode fazer com que a trajetória do movimento se desvie do caminho teórico, resultando em uma queda repentina na precisão do posicionamento (o erro de posicionamento aumenta de ± 2 μm para mais de ± 10 μm) e até mesmo levando à colisão e ao descarte da ferramenta.
Em segundo lugar, a perda de precisão dinâmica causada pela contradição entre peso e rigidez
A propriedade de alta densidade do granito (com uma densidade de aproximadamente 2,6 a 3,0g/cm³) pode suprimir a vibração, mas também traz os seguintes problemas:
A força inercial causa atraso na resposta do servo: a força inercial gerada por leitos de granito pesados (como leitos de máquinas de pórtico de grande porte que podem pesar dezenas de toneladas) durante a aceleração e a desaceleração força o servomotor a gerar um torque maior, resultando em um aumento no erro de rastreamento do loop de posição. Por exemplo, em sistemas de alta velocidade acionados por motores lineares, para cada aumento de 10% no peso, a precisão do posicionamento pode diminuir de 5% a 8%. Especialmente em cenários de processamento em nanoescala, esse atraso pode levar a erros de processamento de contorno (como o aumento do erro de circularidade de 50 nm para 200 nm durante a interpolação circular).
Rigidez insuficiente causa vibração de baixa frequência: embora o granito tenha um amortecimento inerente relativamente alto, seu módulo de elasticidade (cerca de 60 a 120 GPa) é inferior ao do ferro fundido. Quando submetido a cargas alternadas (como flutuações na força de corte durante o processamento de engates multieixos), pode ocorrer acúmulo de microdeformações. Por exemplo, no componente da cabeça oscilante de um centro de usinagem de cinco eixos, a leve deformação elástica da base de granito pode causar desvios na precisão do posicionamento angular do eixo de rotação (como o erro de indexação aumentando de ± 5" para ± 15"), afetando a precisão da usinagem de superfícies curvas complexas.
Iii. Limitações da estabilidade térmica e da sensibilidade ambiental
Embora o coeficiente de expansão térmica do granito (aproximadamente 5 a 9×10⁻⁶/℃) seja menor que o do ferro fundido, ele ainda pode causar erros no processamento de precisão:
Gradientes de temperatura causam deformação estrutural: Quando o equipamento opera continuamente por longos períodos, fontes de calor, como o motor do eixo principal e o sistema de lubrificação do trilho-guia, podem causar gradientes de temperatura nos componentes de granito. Por exemplo, quando a diferença de temperatura entre as superfícies superior e inferior da mesa de trabalho é de 2°C, pode ocorrer deformação médio-convexa ou médio-côncava (a deflexão pode atingir 10 a 20 μm), levando à falha da planicidade da fixação da peça e afetando a precisão do paralelismo na fresagem ou retificação (como a tolerância de espessura de peças de chapa plana excedendo ±5 μm a ±20 μm).
A umidade ambiente causa leve expansão: Embora a taxa de absorção de água do granito (0,1% a 0,5%) seja baixa, quando usado por um longo período em um ambiente de alta umidade, uma pequena quantidade de absorção de água pode levar à expansão da estrutura, o que, por sua vez, causa alterações na folga de encaixe do par de trilhos-guia. Por exemplo, quando a umidade aumenta de 40% para 70% UR, a dimensão linear do trilho-guia de granito pode aumentar de 0,005 a 0,01 mm/m, resultando em uma diminuição na suavidade do movimento do trilho-guia deslizante e na ocorrência de um fenômeno de "rastejamento", que afeta a precisão de avanço em nível de mícron.
Iv. Efeitos cumulativos de erros de processamento e montagem
A dificuldade de processamento do granito é alta (exigindo ferramentas diamantadas especiais, e a eficiência de processamento é de apenas 1/3 a 1/2 daquela dos materiais metálicos), o que pode levar à perda de precisão no processo de montagem:
Transmissão de erros de processamento de superfícies de contato: Se houver desvios de processamento (como planura > 5 μm, erro de espaçamento de furos > 10 μm) em peças-chave, como a superfície de instalação do trilho-guia e os furos de suporte do parafuso de avanço, isso causará distorção do trilho-guia linear após a instalação, pré-carga irregular do fuso de esferas e, por fim, levará à deterioração da precisão do movimento. Por exemplo, durante o processamento de engates de três eixos, o erro de verticalidade causado pela distorção do trilho-guia pode expandir o erro de comprimento diagonal do cubo de ± 10 μm para ± 50 μm.
Lacuna na interface da estrutura emendada: Componentes de granito de grandes equipamentos frequentemente adotam técnicas de emenda (como emenda em leito multissetorial). Se houver pequenos erros angulares (> 10") ou rugosidade superficial > Ra0,8μm na superfície emendada, podem ocorrer concentrações de tensões ou lacunas após a montagem. Sob carga prolongada, isso pode levar ao relaxamento estrutural e causar desvios na precisão (como uma redução de 2 a 5μm na precisão de posicionamento a cada ano).
Resumo e inspirações para lidar com situações difíceis
As desvantagens do granito têm um impacto oculto, cumulativo e ambientalmente sensível na precisão dos equipamentos CNC, e precisam ser sistematicamente abordadas por meio de meios como modificação do material (como impregnação de resina para aumentar a tenacidade), otimização estrutural (como estruturas compostas de metal e granito), tecnologia de controle térmico (como resfriamento a água por microcanais) e compensação dinâmica (como calibração em tempo real com um interferômetro a laser). No campo do processamento de precisão em nanoescala, é ainda mais necessário conduzir o controle completo da cadeia, desde a seleção do material e a tecnologia de processamento até todo o sistema da máquina, para aproveitar ao máximo as vantagens de desempenho do granito, evitando seus defeitos inerentes.
Horário de publicação: 24 de maio de 2025