V CNC numerickom riadení, hoci fyzikálne vlastnosti žuly poskytujú základ pre vysoko presné spracovanie, jej inherentné nevýhody môžu mať viacrozmerný vplyv na presnosť spracovania, ktorý sa prejavuje najmä takto:
1. Povrchové chyby pri spracovaní spôsobené krehkosťou materiálu
Krehká povaha žuly (vysoká pevnosť v tlaku, ale nízka pevnosť v ohybe, zvyčajne je pevnosť v ohybe iba 1/10 až 1/20 pevnosti v tlaku) ju robí náchylnou na problémy, ako sú praskanie hrán a povrchové mikrotrhliny počas spracovania.
Mikroskopické defekty ovplyvňujú presný prenos: Pri vysoko presnom brúsení alebo frézovaní môžu drobné praskliny v kontaktných bodoch nástroja vytvárať nerovné povrchy, čo spôsobuje zväčšovanie chýb priamosti kľúčových komponentov, ako sú vodiace lišty a pracovné stoly (napríklad rovinnosť sa zhoršuje z ideálnych ±1 μm/m na ±3 ~ 5 μm/m). Tieto mikroskopické defekty sa priamo prenášajú na obrábané diely, najmä v scenároch spracovania, ako sú presné optické komponenty a nosiče polovodičových doštičiek, čo môže viesť k zvýšeniu drsnosti povrchu obrobku (hodnota Ra sa zvyšuje z 0,1 μm na viac ako 0,5 μm), čo ovplyvňuje optický výkon alebo funkčnosť zariadenia.
Riziko náhleho zlomenia pri dynamickom obrábaní: Pri vysokorýchlostnom rezaní (napríklad pri otáčkach vretena > 15 000 ot./min.) alebo pri posuve > 20 m/min. môže dôjsť k lokálnej fragmentácii žulových komponentov v dôsledku okamžitých nárazových síl. Napríklad, keď pár vodiacich koľajníc rýchlo zmení smer, praskanie hrán môže spôsobiť odchýlku trajektórie pohybu od teoretickej dráhy, čo vedie k náhlemu poklesu presnosti polohovania (chyba polohovania sa zväčší z ±2 μm na viac ako ±10 μm) a dokonca k kolízii a škrabaniu nástroja.
Po druhé, strata dynamickej presnosti spôsobená rozporom medzi hmotnosťou a tuhosťou
Vysoká hustota žuly (s hustotou približne 2,6 až 3,0 g/cm³) síce potláča vibrácie, ale prináša aj nasledujúce problémy:
Zotrvačná sila spôsobuje oneskorenie odozvy serva: Zotrvačná sila generovaná ťažkými žulovými lôžkami (ako sú napríklad veľké portálové lôžka strojov, ktoré môžu vážiť desiatky ton) počas zrýchľovania a spomaľovania núti servomotor vyvíjať väčší krútiaci moment, čo vedie k zvýšeniu chyby sledovania polohovej slučky. Napríklad vo vysokorýchlostných systémoch poháňaných lineárnymi motormi sa pri každom 10 % náraste hmotnosti môže presnosť polohovania znížiť o 5 % až 8 %. Najmä v scenároch spracovania v nanorozmeroch môže toto oneskorenie viesť k chybám pri spracovaní kontúr (ako je napríklad zvýšenie chyby kruhovitosti z 50 nm na 200 nm počas kruhovej interpolácie).
Nedostatočná tuhosť spôsobuje nízkofrekvenčné vibrácie: Hoci má žula relatívne vysoké inherentné tlmenie, jej modul pružnosti (približne 60 až 120 GPa) je nižší ako u liatiny. Pri striedavom zaťažení (ako sú napríklad kolísanie reznej sily počas viacosového spracovania) môže dôjsť k hromadeniu mikrodeformácií. Napríklad v komponente výkyvnej hlavy päťosového obrábacieho centra môže mierna elastická deformácia žulovej základne spôsobiť posun uhlovej presnosti polohovania osi otáčania (napríklad zväčšenie chyby indexovania z ±5" na ±15"), čo ovplyvňuje presnosť obrábania zložitých zakrivených povrchov.
Iii. Obmedzenia tepelnej stability a citlivosti na prostredie
Hoci je koeficient tepelnej rozťažnosti žuly (približne 5 až 9×10⁻⁶/℃) nižší ako u liatiny, stále môže spôsobiť chyby pri presnom spracovaní:
Teplotné gradienty spôsobujú štrukturálnu deformáciu: Keď zariadenie pracuje nepretržite dlhší čas, zdroje tepla, ako napríklad hlavný hriadeľ motora a systém mazania vodiacich koľajníc, môžu spôsobiť teplotné gradienty v žulových komponentoch. Napríklad, ak je teplotný rozdiel medzi horným a dolným povrchom pracovného stola 2 ℃, môže to spôsobiť stredne konvexnú alebo stredne konkávnu deformáciu (priehyb môže dosiahnuť 10 až 20 μm), čo vedie k narušeniu rovinnosti upnutia obrobku a ovplyvňuje presnosť rovnobežnosti frézovania alebo brúsenia (napríklad tolerancia hrúbky plochých doskových dielov presahuje ±5 μm až ±20 μm).
Vlhkosť prostredia spôsobuje mierne rozťahovanie: Hoci je miera absorpcie vody žuly (0,1 % až 0,5 %) nízka, pri dlhodobom používaní v prostredí s vysokou vlhkosťou môže stopové množstvo absorpcie vody viesť k rozťahovaniu mriežky, čo následne spôsobuje zmeny vo vôli uloženia páru vodiacich koľajníc. Napríklad, keď vlhkosť stúpne zo 40 % relatívnej vlhkosti na 70 % relatívnej vlhkosti, lineárny rozmer žulovej vodiacej koľajnice sa môže zväčšiť o 0,005 až 0,01 mm/m, čo vedie k zníženiu plynulosti pohybu posuvnej vodiacej koľajnice a k výskytu javu „plazenia“, ktorý ovplyvňuje presnosť posuvu na mikrónovej úrovni.
Iv. Kumulatívne účinky chýb pri spracovaní a montáži
Náročnosť spracovania žuly je vysoká (vyžaduje si špeciálne diamantové nástroje a účinnosť spracovania je len 1/3 až 1/2 v porovnaní s kovovými materiálmi), čo môže viesť k strate presnosti v procese montáže:
Prenos chyby spracovania spojovacích plôch: Ak sa v kľúčových častiach, ako je montážna plocha vodiacej koľajnice a otvory pre podpery vodiacej skrutky, vyskytnú odchýlky pri spracovaní (ako napríklad rovinnosť > 5 μm, chyba rozstupu otvorov > 10 μm), spôsobí to po inštalácii deformáciu lineárnej vodiacej koľajnice, nerovnomerné predpätie guľôčkovej skrutky a v konečnom dôsledku zhoršenie presnosti pohybu. Napríklad pri trojosovom spracovaní kĺbových spojov môže chyba zvislosti spôsobená deformáciou vodiacej koľajnice zväčšiť chybu uhlopriečky kocky z ±10 μm na ±50 μm.
Medzera v rozhraní spájanej konštrukcie: Žulové komponenty veľkých zariadení často používajú techniky spájania (ako napríklad spájanie viacdielnym lôžkom). Ak sú na spájanej ploche menšie uhlové chyby (> 10") alebo drsnosť povrchu > Ra0,8 μm, po montáži sa môže vyskytnúť koncentrácia napätia alebo medzery. Pri dlhodobom zaťažení môže dôjsť k štrukturálnej relaxácii a spôsobiť posun presnosti (napríklad pokles presnosti polohovania o 2 až 5 μm každý rok).
Zhrnutie a inšpirácie na zvládanie problémov
Nevýhody žuly majú skrytý, kumulatívny a environmentálne citlivý vplyv na presnosť CNC zariadení a je potrebné ich systematicky riešiť prostredníctvom prostriedkov, ako je modifikácia materiálu (napríklad impregnácia živicou na zvýšenie húževnatosti), štrukturálna optimalizácia (napríklad kompozitné rámy z kovu a žuly), technológia tepelnej regulácie (napríklad mikrokanálové vodné chladenie) a dynamická kompenzácia (napríklad kalibrácia v reálnom čase pomocou laserového interferometra). V oblasti presného spracovania v nanorozmeroch je ešte potrebnejšie vykonávať kontrolu celého reťazca od výberu materiálu, technológie spracovania až po celý systém stroja, aby sa plne využili výkonnostné výhody žuly a zároveň sa predišlo jej inherentným chybám.
Čas uverejnenia: 24. mája 2025