Hoewel de fysieke eigenschappen van graniet een basis vormen voor zeer precieze verwerking bij CNC-apparatuur voor numerieke besturing, kunnen de inherente nadelen ervan multidimensionale gevolgen hebben voor de verwerkingsnauwkeurigheid. Deze gevolgen uiten zich specifiek als volgt:
1. Oppervlaktefouten bij de verwerking veroorzaakt door brosheid van het materiaal
De brosse aard van graniet (hoge druksterkte maar lage buigsterkte, meestal bedraagt de buigsterkte slechts 1/10 tot 1/20 van de druksterkte) maakt het gevoelig voor problemen zoals randscheuren en microscheuren in het oppervlak tijdens de verwerking.
Microscopische defecten beïnvloeden de precisieoverdracht: Bij zeer nauwkeurig slijpen of frezen kunnen kleine scheurtjes bij de contactpunten van het gereedschap onregelmatige oppervlakken vormen, waardoor de rechtheidsfouten van belangrijke componenten zoals geleiderails en werktafels toenemen (bijvoorbeeld de vlakheid verslechtert van de ideale ±1 μm/m naar ±3~5 μm/m). Deze microscopische defecten worden direct overgedragen op de bewerkte onderdelen, met name in bewerkingsscenario's zoals optische precisiecomponenten en halfgeleiderwaferdragers. Dit kan leiden tot een toename van de oppervlakteruwheid van het werkstuk (Ra-waarde neemt toe van 0,1 μm tot meer dan 0,5 μm), wat de optische prestaties of de functionaliteit van het apparaat beïnvloedt.
Risico op plotselinge breuk bij dynamische bewerking: Bij hoge snijsnelheden (zoals een spiltoerental > 15.000 tpm) of een voedingssnelheid > 20 m/min kunnen granietcomponenten lokaal fragmenteren door momentane impactkrachten. Wanneer het geleiderailpaar bijvoorbeeld snel van richting verandert, kan randscheuring ervoor zorgen dat het bewegingstraject afwijkt van het theoretische pad, wat resulteert in een plotselinge afname van de positioneringsnauwkeurigheid (de positioneringsfout loopt op van ±2 μm tot meer dan ±10 μm) en zelfs tot gereedschapsbotsing en -afbraak.
Ten tweede, verlies aan dynamische nauwkeurigheid veroorzaakt door de tegenstelling tussen gewicht en stijfheid
De hoge dichtheid van graniet (met een dichtheid van ongeveer 2,6 tot 3,0 g/cm³) kan trillingen onderdrukken, maar het brengt ook de volgende problemen met zich mee:
Traagheidskracht veroorzaakt vertraging in servorespons: De traagheidskracht die wordt gegenereerd door zware granieten bedden (zoals grote portaalmachinebedden die tientallen tonnen kunnen wegen) tijdens acceleratie en deceleratie dwingt de servomotor tot een groter koppel, wat resulteert in een grotere fout in de positielusvolging. In hogesnelheidssystemen, aangedreven door lineaire motoren, kan de positioneringsnauwkeurigheid bijvoorbeeld met 5% tot 8% afnemen voor elke 10% gewichtstoename. Vooral in nanoschaalverwerkingsscenario's kan deze vertraging leiden tot fouten in de contourverwerking (zoals een toename van de rondheidsfout van 50 nm tot 200 nm tijdens circulaire interpolatie).
Onvoldoende stijfheid veroorzaakt laagfrequente trillingen: hoewel graniet een relatief hoge inherente demping heeft, is de elasticiteitsmodulus (ongeveer 60 tot 120 GPa) lager dan die van gietijzer. Bij wisselende belastingen (zoals schommelingen in de snijkracht tijdens bewerking met een meerassige koppeling) kan microdeformatie optreden. Zo kan in de zwenkkop van een vijfassig bewerkingscentrum de lichte elastische vervorming van de granieten basis leiden tot een afwijking van de hoekpositioneringsnauwkeurigheid van de rotatieas (zoals een indexeringsfout van ±5" tot ±15"), wat de bewerkingsnauwkeurigheid van complexe gebogen oppervlakken beïnvloedt.
Iii. Beperkingen van thermische stabiliteit en omgevingsgevoeligheid
Hoewel de thermische uitzettingscoëfficiënt van graniet (ongeveer 5 tot 9×10⁻⁶/℃) lager is dan die van gietijzer, kan dit nog steeds fouten veroorzaken bij de precisieverwerking:
Temperatuurgradiënten veroorzaken structurele vervorming: wanneer de apparatuur langdurig continu in bedrijf is, kunnen warmtebronnen zoals de motor van de hoofdas en het smeersysteem van de geleiderail temperatuurgradiënten in de granieten componenten veroorzaken. Wanneer het temperatuurverschil tussen de boven- en onderkant van de werktafel bijvoorbeeld 2 °C bedraagt, kan dit leiden tot een middenconvexe of middenconcave vervorming (de doorbuiging kan oplopen tot 10 tot 20 μm). Dit kan leiden tot het falen van de vlakheid van de klemming van het werkstuk en tot een nadelige invloed op de parallelliteit bij het frezen of slijpen (bijvoorbeeld de diktetolerantie van vlakke plaatdelen van meer dan ±5 μm tot ±20 μm).
Omgevingsvochtigheid veroorzaakt lichte uitzetting: Hoewel de waterabsorptie van graniet (0,1% tot 0,5%) laag is, kan bij langdurig gebruik in een omgeving met een hoge luchtvochtigheid een kleine hoeveelheid waterabsorptie leiden tot uitzetting van het rooster, wat op zijn beurt leidt tot veranderingen in de speling van de geleiderail. Wanneer de luchtvochtigheid bijvoorbeeld stijgt van 40% RV naar 70% RV, kan de lineaire afmeting van de granieten geleiderail toenemen met 0,005 tot 0,01 mm/m, wat resulteert in een afname van de soepelheid van de glijdende geleiderail en het optreden van een "kruip" fenomeen, wat de nauwkeurigheid van de toevoer op micronniveau beïnvloedt.
IV. Cumulatieve effecten van verwerkings- en assemblagefouten
De verwerkingsmoeilijkheid van graniet is hoog (er zijn speciale diamantgereedschappen voor nodig en de verwerkingsefficiëntie bedraagt slechts 1/3 tot 1/2 van die van metalen materialen), wat kan leiden tot verlies van nauwkeurigheid in het montageproces:
Verwerkingsfoutoverdracht van contactoppervlakken: Als er verwerkingsafwijkingen zijn (zoals vlakheid > 5 μm, gatafstand > 10 μm) in belangrijke onderdelen zoals het installatieoppervlak van de geleiderail en de bevestigingsgaten van de leidspindel, leidt dit tot vervorming van de lineaire geleiderail na installatie, ongelijkmatige voorspanning van de kogelomloopspindel en uiteindelijk tot een verslechtering van de bewegingsnauwkeurigheid. Bijvoorbeeld, tijdens de verwerking van een drie-assige koppeling kan de verticaliteitsfout, veroorzaakt door de vervorming van de geleiderail, de diagonale lengtefout van de kubus vergroten van ±10 μm tot ±50 μm.
Interface gap van de gesplitste structuur: Granieten componenten van grote apparatuur maken vaak gebruik van splicetechnieken (zoals multi-section bed splice). Als er kleine hoekafwijkingen (> 10") of oppervlakteruwheid > Ra0,8 μm op het gesplitste oppervlak zijn, kunnen er na montage spanningsconcentraties of gaps ontstaan. Bij langdurige belasting kan dit leiden tot structurele relaxatie en nauwkeurigheidsdrift (zoals een afname van 2 tot 5 μm in positioneringsnauwkeurigheid per jaar).
Samenvatting en copinginspiraties
De nadelen van graniet hebben een verborgen, cumulatieve en milieugevoelige impact op de nauwkeurigheid van CNC-apparatuur en moeten systematisch worden aangepakt door middel van bijvoorbeeld materiaalmodificatie (zoals harsimpregnering ter verbetering van de taaiheid), structurele optimalisatie (zoals frames van metaal-granietcomposiet), thermische regeltechnologie (zoals waterkoeling met microkanalen) en dynamische compensatie (zoals realtime kalibratie met een laserinterferometer). Op het gebied van nanoschaalprecisiebewerking is het des te belangrijker om de volledige keten te beheersen, van materiaalkeuze en verwerkingstechnologie tot het complete machinesysteem, om de prestatievoordelen van graniet volledig te benutten en tegelijkertijd de inherente defecten te vermijden.
Geplaatst op: 24 mei 2025