Dans les équipements de commande numérique CNC, bien que les propriétés physiques du granit fournissent une base pour un traitement de haute précision, ses inconvénients inhérents peuvent avoir des impacts multidimensionnels sur la précision du traitement, qui se manifestent spécifiquement comme suit :
1. Défauts de surface lors du traitement causés par la fragilité du matériau
La nature fragile du granit (résistance à la compression élevée mais faible résistance à la flexion, généralement la résistance à la flexion n'est que de 1/10 à 1/20 de la résistance à la compression) le rend sujet à des problèmes tels que la fissuration des bords et les microfissures de surface pendant le traitement.
Les défauts microscopiques affectent le transfert de précision : lors d'opérations de rectification ou de fraisage de haute précision, de minuscules fissures aux points de contact de l'outil peuvent former des surfaces irrégulières, provoquant une augmentation des erreurs de rectitude de composants clés tels que les rails de guidage et les tables de travail (par exemple, la planéité passe de ±1 µm/m idéal à ±3~5 µm/m). Ces défauts microscopiques sont directement transmis aux pièces usinées, notamment dans les applications de composants optiques de précision et de supports de plaquettes semi-conductrices, ce qui peut entraîner une augmentation de la rugosité de surface de la pièce (la valeur Ra passe de 0,1 µm à plus de 0,5 µm), affectant les performances optiques ou la fonctionnalité de l'appareil.
Risque de fracture brutale lors de l'usinage dynamique : En cas d'usinage à grande vitesse (vitesse de broche > 15 000 tr/min) ou d'avance > 20 m/min, les pièces en granit peuvent subir une fragmentation locale due aux forces d'impact instantanées. Par exemple, lorsque la paire de rails de guidage change rapidement de direction, la fissuration des bords peut entraîner une déviation de la trajectoire théorique, entraînant une baisse brutale de la précision de positionnement (l'erreur de positionnement passe de ± 2 µm à plus de ± 10 µm), voire une collision et une mise au rebut de l'outil.
Deuxièmement, la perte de précision dynamique causée par la contradiction entre le poids et la rigidité
La propriété de haute densité du granit (avec une densité d'environ 2,6 à 3,0 g/cm³) peut supprimer les vibrations, mais elle entraîne également les problèmes suivants :
La force d'inertie entraîne un retard de réponse du servomoteur : la force d'inertie générée par les lits en granit lourds (tels que les grands portiques de machines pouvant peser des dizaines de tonnes) lors de l'accélération et de la décélération force le servomoteur à produire un couple plus important, ce qui augmente l'erreur de suivi de la boucle de positionnement. Par exemple, dans les systèmes à grande vitesse entraînés par des moteurs linéaires, pour chaque augmentation de poids de 10 %, la précision de positionnement peut diminuer de 5 % à 8 %. En particulier dans les scénarios d'usinage à l'échelle nanométrique, ce retard peut entraîner des erreurs de traitement des contours (par exemple, l'erreur de circularité passant de 50 nm à 200 nm lors de l'interpolation circulaire).
Une rigidité insuffisante entraîne des vibrations à basse fréquence : bien que le granit présente un amortissement intrinsèque relativement élevé, son module d'élasticité (environ 60 à 120 GPa) est inférieur à celui de la fonte. Soumis à des charges alternées (telles que les fluctuations de l'effort de coupe lors de l'usinage multiaxes), des microdéformations peuvent s'accumuler. Par exemple, dans la tête pivotante d'un centre d'usinage cinq axes, la légère déformation élastique de la base en granit peut entraîner une dérive de la précision de positionnement angulaire de l'axe de rotation (par exemple, une erreur d'indexation passant de ±5" à ±15"), affectant la précision d'usinage des surfaces courbes complexes.
Iii. Limites de la stabilité thermique et de la sensibilité environnementale
Bien que le coefficient de dilatation thermique du granit (environ 5 à 9×10⁻⁶/℃) soit inférieur à celui de la fonte, il peut néanmoins entraîner des erreurs dans le traitement de précision :
Les gradients de température provoquent des déformations structurelles : lorsque l'équipement fonctionne en continu pendant une longue période, des sources de chaleur telles que le moteur de l'arbre principal et le système de lubrification des rails de guidage peuvent provoquer des gradients de température dans les composants en granit. Par exemple, une différence de température de 2 °C entre les surfaces supérieure et inférieure de la table de travail peut entraîner une déformation mi-convexe ou mi-concave (la déflexion peut atteindre 10 à 20 µm), entraînant une perte de planéité du serrage de la pièce et affectant la précision du parallélisme lors du fraisage ou de la rectification (par exemple, une tolérance d'épaisseur des pièces plates supérieure à ± 5 µm à ± 20 µm).
L'humidité ambiante provoque une légère dilatation : bien que le taux d'absorption d'eau du granit (0,1 % à 0,5 %) soit faible, une faible quantité d'eau absorbée peut, en cas d'utilisation prolongée dans un environnement très humide, entraîner une dilatation du réseau, ce qui modifie le jeu d'ajustement de la paire de rails de guidage. Par exemple, lorsque l'humidité relative passe de 40 % à 70 %, la dimension linéaire du rail de guidage en granit peut augmenter de 0,005 à 0,01 mm/m, ce qui entraîne une diminution de la fluidité du mouvement du rail coulissant et l'apparition d'un phénomène de « rampement », affectant la précision d'avance au micron près.
Iv. Effets cumulatifs des erreurs de traitement et d'assemblage
La difficulté de traitement du granit est élevée (nécessitant des outils diamantés spéciaux, et l'efficacité de traitement n'est que de 1/3 à 1/2 de celle des matériaux métalliques), ce qui peut entraîner une perte de précision dans le processus d'assemblage :
Transmission des erreurs d'usinage des surfaces d'accouplement : Des écarts d'usinage (planéité > 5 µm, écart d'espacement des trous > 10 µm) sur des pièces clés comme la surface d'installation du rail de guidage et les trous de support de la vis mère peuvent entraîner une déformation du rail de guidage linéaire après l'installation, une précharge inégale de la vis à billes et, à terme, une détérioration de la précision du mouvement. Par exemple, lors de l'usinage d'une liaison triaxiale, l'erreur de verticalité due à la déformation du rail de guidage peut étendre l'erreur de longueur diagonale du cube de ± 10 µm à ± 50 µm.
Espace interfacial de la structure épissée : Les composants en granit des grands équipements adoptent souvent des techniques d'épissure (comme l'épissure multi-sections). En présence d'erreurs angulaires mineures (> 10") ou d'une rugosité de surface > Ra0,8 µm sur la surface d'épissure, une concentration de contraintes ou des espaces interfacials peuvent apparaître après l'assemblage. Sous une charge prolongée, cela peut entraîner une relaxation structurelle et une dérive de précision (par exemple, une diminution de 2 à 5 µm de la précision de positionnement chaque année).
Résumé et inspirations pour y faire face
Les inconvénients du granit ont un impact caché, cumulatif et environnemental sensible sur la précision des équipements CNC. Ils doivent être systématiquement traités par des moyens tels que la modification des matériaux (comme l'imprégnation de résine pour améliorer la ténacité), l'optimisation structurelle (comme les cadres composites métal-granit), les technologies de contrôle thermique (comme le refroidissement par eau par microcanaux) et la compensation dynamique (comme l'étalonnage en temps réel avec un interféromètre laser). Dans le domaine de l'usinage de précision à l'échelle nanométrique, il est encore plus nécessaire de contrôler l'ensemble de la chaîne, depuis le choix des matériaux et la technologie d'usinage jusqu'à l'ensemble du système machine, afin d'exploiter pleinement les avantages du granit en termes de performances tout en évitant ses défauts inhérents.
Date de publication : 24 mai 2025