Trong thiết bị điều khiển số CNC, mặc dù các tính chất vật lý của đá granit cung cấp cơ sở cho quá trình gia công có độ chính xác cao, nhưng những nhược điểm cố hữu của nó có thể có tác động đa chiều đến độ chính xác gia công, cụ thể được thể hiện như sau:
1. Các khuyết tật bề mặt trong quá trình gia công do vật liệu giòn
Tính chất giòn của đá granit (cường độ nén cao nhưng cường độ uốn thấp, thường cường độ uốn chỉ bằng 1/10 đến 1/20 cường độ nén) khiến đá dễ gặp các vấn đề như nứt cạnh và vết nứt nhỏ trên bề mặt trong quá trình gia công.
Các khuyết tật vi mô ảnh hưởng đến độ chính xác truyền dẫn: Khi thực hiện mài hoặc phay với độ chính xác cao, các vết nứt nhỏ tại điểm tiếp xúc của dụng cụ có thể tạo thành các bề mặt không đều, khiến sai số về độ thẳng của các bộ phận chính như ray dẫn hướng và bàn làm việc tăng lên (ví dụ, độ phẳng giảm từ mức lý tưởng ±1μm/m xuống ±3~5μm/m). Những khuyết tật vi mô này sẽ được truyền trực tiếp đến các chi tiết được gia công, đặc biệt là trong các trường hợp gia công như linh kiện quang học chính xác và đế wafer bán dẫn, điều này có thể dẫn đến độ nhám bề mặt của phôi tăng lên (giá trị Ra tăng từ 0,1μm lên hơn 0,5μm), ảnh hưởng đến hiệu suất quang học hoặc chức năng của thiết bị.
Nguy cơ gãy đột ngột trong gia công động: Trong trường hợp cắt tốc độ cao (chẳng hạn như tốc độ trục chính > 15.000 vòng/phút) hoặc tốc độ chạy dao > 20 m/phút, các chi tiết đá granit có thể bị phân mảnh cục bộ do lực tác động tức thời. Ví dụ, khi cặp ray dẫn hướng thay đổi hướng nhanh chóng, vết nứt cạnh có thể khiến quỹ đạo chuyển động lệch khỏi đường lý thuyết, dẫn đến độ chính xác định vị giảm đột ngột (sai số định vị tăng từ ±2μm lên hơn ±10μm), thậm chí dẫn đến va chạm và mài mòn dụng cụ.
Thứ hai, mất độ chính xác động do mâu thuẫn giữa trọng lượng và độ cứng
Tính chất mật độ cao của đá granit (với mật độ khoảng 2,6 đến 3,0g/cm³) có thể ngăn chặn rung động, nhưng nó cũng gây ra các vấn đề sau:
Lực quán tính gây ra độ trễ phản hồi servo: Lực quán tính tạo ra bởi các nền đá granit nặng (chẳng hạn như các nền máy cổng trục lớn có thể nặng hàng chục tấn) trong quá trình tăng tốc và giảm tốc buộc động cơ servo phải tạo ra mô-men xoắn lớn hơn, dẫn đến sai số theo dõi vòng lặp vị trí tăng lên. Ví dụ, trong các hệ thống tốc độ cao được điều khiển bởi động cơ tuyến tính, cứ mỗi 10% trọng lượng tăng, độ chính xác định vị có thể giảm từ 5% đến 8%. Đặc biệt trong các tình huống xử lý ở quy mô nano, độ trễ này có thể dẫn đến lỗi xử lý đường viền (chẳng hạn như sai số độ tròn tăng từ 50nm lên 200nm trong quá trình nội suy cung tròn).
Độ cứng không đủ gây ra rung động tần số thấp: Mặc dù đá granit có độ giảm chấn cố hữu tương đối cao, nhưng mô đun đàn hồi của nó (khoảng 60 đến 120 GPa) lại thấp hơn gang. Khi chịu tải trọng thay đổi (chẳng hạn như lực cắt dao động trong quá trình gia công liên kết đa trục), sự tích tụ biến dạng vi mô có thể xảy ra. Ví dụ, trong bộ phận đầu xoay của trung tâm gia công năm trục, biến dạng đàn hồi nhẹ của đế đá granit có thể khiến độ chính xác định vị góc của trục quay bị lệch (chẳng hạn như sai số chỉ số tăng từ ±5" lên ±15"), ảnh hưởng đến độ chính xác gia công các bề mặt cong phức tạp.
Iii. Hạn chế về độ ổn định nhiệt và độ nhạy cảm với môi trường
Mặc dù hệ số giãn nở nhiệt của đá granit (khoảng 5 đến 9×10⁻⁶/℃) thấp hơn so với gang, nhưng nó vẫn có thể gây ra lỗi trong quá trình gia công chính xác:
Biến dạng kết cấu do chênh lệch nhiệt độ: Khi thiết bị hoạt động liên tục trong thời gian dài, các nguồn nhiệt như động cơ trục chính và hệ thống bôi trơn ray dẫn hướng có thể gây ra biến dạng chênh lệch nhiệt độ trong các bộ phận đá granit. Ví dụ, khi chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt trên và dưới của bàn làm việc là 2°C, có thể gây ra biến dạng lồi giữa hoặc lõm giữa (độ lệch có thể đạt từ 10 đến 20μm), dẫn đến hỏng độ phẳng của kẹp phôi và ảnh hưởng đến độ chính xác song song của phay hoặc mài (ví dụ, dung sai độ dày của các chi tiết tấm phẳng vượt quá ±5μm đến ±20μm).
Độ ẩm môi trường gây ra hiện tượng giãn nở nhẹ: Mặc dù tỷ lệ hấp thụ nước của đá granit (0,1% đến 0,5%) thấp, nhưng khi sử dụng lâu dài trong môi trường có độ ẩm cao, một lượng nhỏ nước hấp thụ có thể dẫn đến sự giãn nở mạng tinh thể, từ đó gây ra những thay đổi về khe hở lắp ghép của cặp ray dẫn hướng. Ví dụ, khi độ ẩm tăng từ 40% RH lên 70% RH, kích thước tuyến tính của ray dẫn hướng đá granit có thể tăng từ 0,005 đến 0,01 mm/m, dẫn đến giảm độ trơn trượt của chuyển động ray dẫn hướng trượt và xảy ra hiện tượng "bò", ảnh hưởng đến độ chính xác cấp liệu ở cấp micron.
Iv. Tác động tích lũy của lỗi xử lý và lắp ráp
Độ khó gia công của đá granit cao (yêu cầu dụng cụ kim cương chuyên dụng và hiệu quả gia công chỉ bằng 1/3 đến 1/2 so với vật liệu kim loại), điều này có thể dẫn đến mất độ chính xác trong quá trình lắp ráp:
Truyền lỗi xử lý bề mặt tiếp xúc: Nếu có sai lệch xử lý (chẳng hạn như độ phẳng > 5μm, sai số khoảng cách lỗ > 10μm) ở các bộ phận quan trọng như bề mặt lắp đặt ray dẫn hướng và lỗ đỡ vít me, điều này sẽ gây ra biến dạng ray dẫn hướng tuyến tính sau khi lắp đặt, tải trước trục vít me không đều, và cuối cùng dẫn đến giảm độ chính xác chuyển động. Ví dụ, trong quá trình liên kết ba trục, sai số thẳng đứng do biến dạng ray dẫn hướng có thể làm tăng sai số chiều dài đường chéo của khối lập phương từ ±10μm lên ±50μm.
Khe hở giao diện của kết cấu ghép nối: Các thành phần đá granit của thiết bị lớn thường áp dụng kỹ thuật ghép nối (chẳng hạn như ghép nối nhiều lớp). Nếu có sai số góc nhỏ (> 10") hoặc độ nhám bề mặt > Ra0,8μm trên bề mặt ghép nối, ứng suất tập trung hoặc khe hở có thể xảy ra sau khi lắp ráp. Dưới tải trọng dài hạn, điều này có thể dẫn đến sự giãn nở của kết cấu và gây ra hiện tượng trôi độ chính xác (chẳng hạn như độ chính xác định vị giảm từ 2 đến 5μm mỗi năm).
Tóm tắt và nguồn cảm hứng đối phó
Những nhược điểm của đá granit có tác động tiềm ẩn, tích lũy và nhạy cảm với môi trường đến độ chính xác của thiết bị CNC, và cần được giải quyết một cách có hệ thống thông qua các biện pháp như cải tiến vật liệu (như tẩm nhựa để tăng độ bền), tối ưu hóa cấu trúc (như khung composite kim loại-đá granit), công nghệ điều khiển nhiệt (như làm mát bằng nước vi kênh) và bù trừ động (như hiệu chuẩn thời gian thực bằng giao thoa kế laser). Trong lĩnh vực gia công chính xác ở cấp độ nano, việc kiểm soát toàn bộ chuỗi từ lựa chọn vật liệu, công nghệ gia công đến toàn bộ hệ thống máy móc càng trở nên cần thiết hơn nữa để tận dụng tối đa lợi thế hiệu suất của đá granit đồng thời tránh được những khuyết điểm vốn có của nó.
Thời gian đăng: 24-05-2025