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 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 nó 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 quá trình truyền độ chính xác: Khi thực hiện quá trình mài hoặc phay có độ chính xác cao, các vết nứt nhỏ tại các điểm tiếp xúc của dụng cụ có thể tạo thành các bề mặt không đều, khiến các lỗi về độ thẳng của các thành phần chính như thanh dẫn hướng và bàn làm việc mở rộng (ví dụ, độ phẳng giảm từ mức lý tưởng ±1μm/m xuống ±3~5μm/m). Các khuyết tật vi mô này sẽ được truyền trực tiếp đến các bộ phận được xử lý, đặc biệt là trong các tình huống xử lý như các thành phần quang học chính xác và các bộ phận mang wafer bán dẫn, điều này có thể dẫn đến tăng độ nhám bề mặt của phôi (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 quá trình gia công động: Trong các trường hợp cắt tốc độ cao (như tốc độ trục chính > 15.000 vòng/phút) hoặc tốc độ chạy dao > 20m/phút, các thành phần 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, 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 mở rộng từ ±2μm lên hơn ±10μm), thậm chí dẫn đến va chạm và làm hỏng 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 của servo: Lực quán tính do các lớp đá granit nặng (chẳng hạn như các lớp máy cổng trục lớn có thể nặng hàng chục tấn) tạo ra trong quá trình tăng tốc và giảm tốc buộc động cơ servo phải tạo ra mô-men xoắn lớn hơn, dẫn đến tăng lỗi theo dõi vòng lặp vị trí. 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 lỗi độ tròn tăng từ 50nm đến 200nm trong quá trình nội suy tròn).
Độ cứng không đủ gây ra rung động tần số thấp: Mặc dù đá granit có độ giảm chấn vốn có tương đối cao, nhưng mô đun đàn hồi của nó (khoảng 60 đến 120GPa) thấp hơn so với gang. Khi chịu tải trọng xen kẽ (chẳng hạn như lực cắt dao động trong quá trình gia công liên kết nhiều trục), sự tích tụ biến dạng vi mô có thể xảy ra. Ví dụ, trong thành phần 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 trôi (chẳng hạn như lỗi lập chỉ mục mở rộng từ ±5" đến ±15"), ảnh hưởng đến độ chính xác gia công của các bề mặt cong phức tạp.
Iii. Hạn chế của tính 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 cấu trúc 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 thành phần đá granit. Ví dụ, khi chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt trên và dưới của bàn làm việc là 2℃, có thể gây ra biến dạng lồi giữa hoặc lõm giữa (độ lệch có thể đạt tới 10 đến 20μm), dẫn đến hỏng độ phẳng của kẹp phôi và ảnh hưởng đến độ chính xác song song của phay hoặc mài (chẳng hạn như dung sai độ dày của các bộ phận tấm phẳng vượt quá ±5μm đến ±20μm).
Độ ẩm môi trường gây ra sự giãn nở nhẹ: Mặc dù tỷ lệ hấp thụ nước của đá granit (0,1% đến 0,5%) thấp, nhưng khi sử dụng trong thời gian dài trong môi trường có độ ẩm cao, một lượng nhỏ nước hấp thụ có thể dẫn đến sự giãn nở của lưới, do đó gây ra những thay đổi trong khoảng hở lắp 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 bằng đá granit có thể tăng từ 0,005 đến 0,01 mm/m, dẫn đến giảm độ trơn tru của chuyển động của 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 ghép: Nếu có độ lệch xử lý (như độ phẳng > 5μm, lỗi khoảng cách lỗ > 10μm) ở các bộ phận chính như bề mặt lắp đặt ray dẫn hướng và lỗ đỡ vít me, sẽ gây ra sự biến dạng của ray dẫn hướng tuyến tính sau khi lắp đặt, tải trước không đều của vít me bi và cuối cùng dẫn đến giảm độ chính xác chuyển động. Ví dụ, trong quá trình xử lý liên kết ba trục, lỗi thẳng đứng do ray dẫn hướng bị biến dạng có thể mở rộng lỗi độ dài đường chéo của khối lập phương từ ±10μm đến ±50μm.
Khe hở giao diện của kết cấu ghép nối: Các thành phần đá granit của thiết bị lớn thường áp dụng các kỹ thuật ghép nối (như ghép nối nhiều lớp). Nếu có các lỗi góc nhỏ (> 10") hoặc độ nhám bề mặt > Ra0.8μm trên bề mặt ghép nối, có thể xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất hoặc khe hở sau khi lắp ráp. Dưới tải trọng dài hạn, có thể dẫn đến sự giãn nở của kết cấu và gây ra sự trôi độ chính xác (như độ chính xác định vị giảm từ 2 đến 5μm mỗi năm).
Tóm tắt và nguồn cảm hứng đối phó
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 sửa đổi vật liệu (như tẩm nhựa để tăng độ dẻo dai), tối ưu hóa cấu trúc (như khung composite kim loại-đá granit), công nghệ kiểm soát nhiệt (như làm mát bằng nước vi kênh) và bù động (như hiệu chuẩn thời gian thực bằng máy đo giao thoa laser). Trong lĩnh vực gia công chính xác ở quy mô nano, việc kiểm soát toàn bộ chuỗi từ lựa chọn vật liệu, công nghệ gia công đến toàn bộ hệ thống máy thậm chí còn cần thiết hơn nữa để tận dụng tối đa lợi thế về hiệu suất của đá granit đồng thời tránh được các khuyết tật vốn có của nó.
Thời gian đăng: 24-05-2025