En los equipos de control numérico CNC, aunque las propiedades físicas del granito proporcionan una base para un procesamiento de alta precisión, sus desventajas inherentes pueden tener impactos multidimensionales en la precisión del procesamiento, que se manifiestan específicamente de la siguiente manera:
1. Defectos superficiales en el procesamiento causados por la fragilidad del material.
La naturaleza frágil del granito (alta resistencia a la compresión pero baja resistencia a la flexión, normalmente la resistencia a la flexión es sólo 1/10 a 1/20 de la resistencia a la compresión) lo hace propenso a problemas como agrietamiento en los bordes y microfisuras superficiales durante el procesamiento.
Los defectos microscópicos afectan la transferencia de precisión: Al realizar rectificado o fresado de alta precisión, las pequeñas grietas en los puntos de contacto de la herramienta pueden formar superficies irregulares, lo que provoca que los errores de rectitud de componentes clave, como rieles guía y mesas de trabajo, se amplíen (por ejemplo, la planitud se deteriora del valor ideal de ±1 μm/m a ±3~5 μm/m). Estos defectos microscópicos se transmiten directamente a las piezas procesadas, especialmente en entornos de procesamiento como componentes ópticos de precisión y soportes de obleas semiconductoras, lo que puede provocar un aumento de la rugosidad superficial de la pieza (el valor Ra aumenta de 0,1 μm a más de 0,5 μm), lo que afecta al rendimiento óptico o la funcionalidad del dispositivo.
Riesgo de fractura repentina en el procesamiento dinámico: En escenarios de corte a alta velocidad (como una velocidad de husillo > 15 000 r/min) o una velocidad de avance > 20 m/min, los componentes de granito pueden experimentar fragmentación local debido a las fuerzas de impacto instantáneas. Por ejemplo, cuando el par de rieles guía cambia de dirección rápidamente, la fisuración del borde puede provocar que la trayectoria de movimiento se desvíe de la trayectoria teórica, lo que resulta en una disminución repentina de la precisión de posicionamiento (el error de posicionamiento aumenta de ±2 μm a más de ±10 μm), e incluso puede provocar la colisión y el desguace de la herramienta.
En segundo lugar, la pérdida de precisión dinámica causada por la contradicción entre peso y rigidez.
La propiedad de alta densidad del granito (con una densidad de aproximadamente 2,6 a 3,0 g/cm³) puede suprimir la vibración, pero también trae los siguientes problemas:
La fuerza inercial provoca un retraso en la respuesta del servomotor: La fuerza inercial generada por lechos de granito pesados (como los lechos de las máquinas de pórtico de gran tamaño, que pueden pesar decenas de toneladas) durante la aceleración y la desaceleración obliga al servomotor a generar un mayor par, lo que resulta en un aumento del error de seguimiento del bucle de posición. Por ejemplo, en sistemas de alta velocidad accionados por motores lineales, por cada 10 % de aumento de peso, la precisión de posicionamiento puede disminuir entre un 5 % y un 8 %. Especialmente en escenarios de procesamiento a nanoescala, este retraso puede provocar errores en el procesamiento de contornos (como el aumento del error de redondez de 50 nm a 200 nm durante la interpolación circular).
Una rigidez insuficiente provoca vibraciones de baja frecuencia: Aunque el granito posee una amortiguación inherente relativamente alta, su módulo elástico (aproximadamente de 60 a 120 GPa) es inferior al del hierro fundido. Al someterse a cargas alternas (como fluctuaciones en la fuerza de corte durante el procesamiento de varillaje multieje), puede producirse una acumulación de microdeformaciones. Por ejemplo, en el componente del cabezal oscilante de un centro de mecanizado de cinco ejes, la ligera deformación elástica de la base de granito puede provocar una desviación en la precisión de posicionamiento angular del eje de rotación (como un aumento del error de indexación de ±5" a ±15"), lo que afecta la precisión de mecanizado de superficies curvas complejas.
iii. Limitaciones de la estabilidad térmica y la sensibilidad ambiental
Aunque el coeficiente de expansión térmica del granito (aproximadamente de 5 a 9×10⁻⁶/℃) es menor que el del hierro fundido, aún puede causar errores en el procesamiento de precisión:
Los gradientes de temperatura provocan deformaciones estructurales: Cuando el equipo funciona de forma continua durante un tiempo prolongado, fuentes de calor como el motor del eje principal y el sistema de lubricación del riel guía pueden provocar gradientes de temperatura en los componentes de granito. Por ejemplo, si la diferencia de temperatura entre las superficies superior e inferior de la mesa de trabajo es de 2 °C, puede producirse una deformación semiconvexa o semicóncava (la deflexión puede alcanzar de 10 a 20 μm), lo que provoca la pérdida de planitud en la sujeción de la pieza y afecta a la precisión de paralelismo del fresado o rectificado (por ejemplo, la tolerancia de espesor de las piezas de placa plana supera los ±5 μm a ±20 μm).
La humedad ambiental provoca una ligera expansión: Aunque la tasa de absorción de agua del granito (0,1 % a 0,5 %) es baja, al utilizarse durante un periodo prolongado en un entorno con alta humedad, una pequeña cantidad de absorción de agua puede provocar una expansión reticular, lo que a su vez provoca cambios en la holgura de ajuste del par de rieles guía. Por ejemplo, cuando la humedad relativa aumenta del 40 % al 70 % de humedad relativa, la dimensión lineal del riel guía de granito puede aumentar entre 0,005 y 0,01 mm/m, lo que reduce la suavidad del deslizamiento del riel y produce un fenómeno de "arrastre", que afecta a la precisión de avance micrométrica.
Iv. Efectos acumulativos de errores de procesamiento y ensamblaje
La dificultad de procesamiento del granito es alta (requiere herramientas de diamante especiales y la eficiencia de procesamiento es solo entre 1/3 y 1/2 de la de los materiales metálicos), lo que puede provocar la pérdida de precisión en el proceso de ensamblaje:
Transmisión de errores de procesamiento en las superficies de contacto: Si existen desviaciones de procesamiento (como planitud > 5 μm, error de espaciado de orificios > 10 μm) en piezas clave como la superficie de instalación del riel guía y los orificios de soporte del husillo, se producirá una distorsión del riel guía lineal después de la instalación, una precarga desigual del husillo de bolas y, en última instancia, un deterioro de la precisión del movimiento. Por ejemplo, durante el procesamiento de la articulación de tres ejes, el error de verticalidad causado por la distorsión del riel guía puede aumentar el error de longitud diagonal del cubo de ±10 μm a ±50 μm.
Espacio entre las superficies de la estructura empalmada: Los componentes de granito de equipos grandes suelen adoptar técnicas de empalme (como el empalme de lechos multisección). Si existen pequeños errores angulares (> 10") o una rugosidad superficial > Ra0,8 μm en la superficie de empalme, pueden producirse concentraciones de tensiones o espacios entre ellas después del ensamblaje. Bajo cargas prolongadas, esto puede provocar relajación estructural y derivas en la precisión (como una disminución de 2 a 5 μm en la precisión de posicionamiento cada año).
Resumen e inspiraciones para afrontarlo
Las desventajas del granito tienen un impacto oculto, acumulativo y ambientalmente sensible en la precisión de los equipos CNC, y deben abordarse sistemáticamente mediante la modificación del material (como la impregnación de resina para mejorar la tenacidad), la optimización estructural (como los marcos compuestos de metal y granito), la tecnología de control térmico (como la refrigeración por agua con microcanales) y la compensación dinámica (como la calibración en tiempo real con un interferómetro láser). En el campo del procesamiento de precisión a nanoescala, es aún más necesario un control integral, desde la selección del material y la tecnología de procesamiento hasta el sistema completo de la máquina, para aprovechar al máximo las ventajas de rendimiento del granito y evitar sus defectos inherentes.
Hora de publicación: 24 de mayo de 2025