Dans les équipements de commande numérique CNC, bien que les propriétés physiques du granit constituent une base pour un usinage de haute précision, ses inconvénients inhérents peuvent avoir des impacts multidimensionnels sur la précision d'usinage, qui se manifestent notamment comme suit :
1. Défauts de surface lors de la fabrication dus à la fragilité du matériau
La nature fragile du granit (résistance élevée à la compression mais faible résistance à la flexion, généralement la résistance à la flexion n'étant 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 lors de la transformation.
Les défauts microscopiques affectent la précision de la transmission : lors d’opérations de rectification ou de fraisage de haute précision, de minuscules fissures aux points de contact de l’outil peuvent engendrer des surfaces irrégulières, amplifiant les erreurs de rectitude de composants clés tels que les rails de guidage et les tables de travail (par exemple, la planéité passe de la valeur idéale de ±1 µm/m à ±3 à 5 µm/m). Ces défauts microscopiques sont directement transmis aux pièces usinées, notamment dans le cas de composants optiques de précision et de supports de plaquettes semi-conductrices, ce qui peut entraîner une augmentation de la rugosité de surface (la valeur Ra passant de 0,1 µm à plus de 0,5 µm) et affecter les performances optiques ou le fonctionnement du dispositif.
Risque de rupture soudaine lors de l'usinage dynamique : lors de coupes 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 à des forces d'impact instantanées. Par exemple, lors d'un changement de direction rapide des rails de guidage, la fissuration des arêtes peut entraîner une déviation de la trajectoire théorique, provoquant une chute brutale de la précision de positionnement (l'erreur passant de ±2 µm à plus de ±10 µm), voire une collision et la mise au rebut de l'outil.
Deuxièmement, la perte de précision dynamique causée par la contradiction entre le poids et la rigidité
La haute densité du granit (d'une densité d'environ 2,6 à 3,0 g/cm³) permet d'atténuer les vibrations, mais elle engendre également les problèmes suivants :
La force d'inertie induit un délai de réponse du servomoteur : lors des phases d'accélération et de décélération, la force d'inertie générée par les lourds plateaux en granit (comme ceux des grandes machines à portique, qui peuvent peser plusieurs dizaines de tonnes) contraint le servomoteur à fournir un couple plus important, ce qui augmente l'erreur de suivi de position. Par exemple, dans les systèmes à grande vitesse entraînés par des moteurs linéaires, une augmentation de poids de 10 % peut entraîner une diminution de la précision de positionnement de 5 à 8 %. Ce délai peut notamment engendrer des erreurs de traitement de contour (par exemple, une augmentation de l'erreur de circularité de 50 nm à 200 nm lors d'une interpolation circulaire).
Une rigidité insuffisante engendre des vibrations basse fréquence : bien que le granit possède 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 la force de coupe lors de l’usinage sur des machines multiaxes), une accumulation de micro-déformations peut se produire. Par exemple, dans le composant de 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 (l’erreur d’indexage passant par exemple de ±5" à ±15"), affectant ainsi la précision d’usinage des surfaces courbes complexes.
III. Limitations 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 tout de même entraîner des erreurs dans l'usinage de précision :
Les gradients de température provoquent des déformations structurelles : lors d’un fonctionnement continu et prolongé, les sources de chaleur, telles que le moteur de l’arbre principal et le système de lubrification des rails de guidage, peuvent engendrer 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 provoquer une déformation convexe ou concave (la flèche pouvant atteindre 10 à 20 µm), compromettant la planéité du serrage de la pièce et affectant la précision de parallélisme du fraisage ou de la rectification (par exemple, la tolérance d’épaisseur des pièces planes peut dépasser ±5 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 utilisation prolongée en milieu humide peut entraîner une légère dilatation du réseau cristallin, modifiant ainsi le jeu 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 diminue la fluidité du mouvement et provoque un phénomène de « rampage », 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 de contact : Si des défauts d'usinage (par exemple, une planéité supérieure à 5 µm ou un espacement des trous supérieur à 10 µm) apparaissent sur des pièces critiques telles que la surface de montage du rail de guidage et les trous de support de la vis-mère, cela entraînera une déformation du rail de guidage linéaire après installation, une précharge inégale de la vis à billes et, à terme, une dégradation de la précision du mouvement. Par exemple, lors de l'usinage d'un mécanisme à trois axes, l'erreur de verticalité due à la déformation du rail de guidage peut porter l'erreur de longueur diagonale du cube de ±10 µm à ±50 µm.
Jeu à l'interface de la structure assemblée : Les composants en granit des équipements de grande taille sont souvent assemblés par collage (par exemple, par collage multi-sections). En présence d'erreurs angulaires mineures (> 10″) ou d'une rugosité de surface supérieure à Ra 0,8 µm sur la surface de collage, des concentrations de contraintes ou des jeux peuvent apparaître après assemblage. Sous charge prolongée, cela peut entraîner un relâchement structurel et une dérive de précision (par exemple, une diminution de 2 à 5 µm de la précision de positionnement par an).
Résumé et sources d'inspiration pour faire face à la situation
Les inconvénients du granit ont un impact insidieux, cumulatif et sensible à l'environnement sur la précision des équipements CNC. Il est donc nécessaire de les traiter systématiquement par des moyens tels que la modification du matériau (imprégnation de résine pour améliorer sa ténacité), l'optimisation structurelle (cadres composites métal-granit), le contrôle thermique (refroidissement par eau à microcanaux) et la compensation dynamique (étalonnage en temps réel par interféromètre laser). Dans le domaine de l'usinage de précision à l'échelle nanométrique, il est d'autant plus indispensable de maîtriser l'ensemble de la chaîne de production, du choix du matériau à la technologie de traitement, jusqu'à l'ensemble du système machine, afin d'exploiter pleinement les performances du granit tout en évitant ses défauts inhérents.
Date de publication : 24 mai 2025