Dificultades en el mecanizado de componentes estructurales de granito para máquinas-herramienta de alta precisión

Los componentes de granito para máquinas-herramienta (bases, travesaños, mesas de trabajo) no se limitan a un simple rectificado plano. Las dificultades se centran en siete aspectos: riesgos relacionados con la materia prima, control de tensiones, precisión geométrica de piezas de gran tamaño, incrustación de insertos roscados, procesamiento a temperatura constante, fiabilidad de las uniones y verificación mediante inspección. Muchos problemas no se aprecian al salir de fábrica, pero la pérdida de precisión solo se pone de manifiesto una vez que la máquina se ha instalado y se ha utilizado durante un tiempo.

1. Riesgos incontrolables relacionados con las materias primas (dificultades de abastecimiento)

1. Escasez de bloques en bruto de alta calidad: Las aplicaciones de alta gama utilizan principalmente la piedra verde «Green-Shining» de Jinan, que requiere un grano fino, sin inclusiones, sin grietas ocultas y sin agrupaciones de vetas de cuarzo. Las microfisuras internas y las inclusiones son difíciles de detectar a simple vista, y los ensayos por ultrasonidos resultan costosos; los defectos ocultos en el bloque pueden provocar grietas en fases avanzadas del procesamiento, lo que conlleva el desecho inmediato del producto acabado.
2. Distribución desigual de los minerales: las zonas localizadas ricas en cuarzo presentan una dureza extremadamente elevada, lo que dificulta el esmerilado; las zonas con alta concentración de mica contienen material suelto, lo que las hace propensas a la pérdida de arena y al astillamiento de los bordes.
3. Tensión minera original: Los bloques en bruto presentan una tensión geológica inherente. Si no se libera por completo, se deformarán lentamente tras su procesamiento, lo que provocará que la planitud y la perpendicularidad superen continuamente los límites de tolerancia.

Problema: Las piezas en bruto con el mismo aspecto pueden presentar variaciones significativas; algunas pueden alcanzar el grado 00, mientras que otras siguen siendo inestables independientemente del proceso al que se sometan, lo que dificulta su selección completa basándose únicamente en el aspecto.

2. El control de la tensión es la mayor dificultad técnica (la que las fábricas pueden simplificar con mayor facilidad)

Aunque el granito presenta un envejecimiento geológico suficiente, El aserrado, el fresado y el taladrado generan una gran cantidad de tensiones de mecanizado.

1. Tras el mecanizado en bruto (ranurado, excavación de cavidades para la reducción de peso), se redistribuyen las tensiones internas de la piedra. Si se realiza el mecanizado de precisión directamente sin someterla a un proceso de envejecimiento, es posible que supere la inspección de fábrica, pero que se deforme o se tuerza tras permanecer colocada durante varias semanas o tras su instalación en una máquina, lo que provocaría una desviación de la planitud.
2. Los parámetros del envejecimiento por ciclos térmicos artificiales son difíciles de controlar: los cambios rápidos de temperatura pueden provocar nuevas microfisuras; una temperatura o un tiempo insuficientes dan lugar a una liberación incompleta de tensiones. Los ciclos de envejecimiento natural son demasiado largos (varios meses) y, ante la presión de cumplir con los plazos de entrega, muchas fábricas se saltan o acortan el proceso de envejecimiento.
3. El rectificado en sí mismo genera tensiones térmicas en la superficie. La medición de precisión realizada inmediatamente después del rectificado es errónea; hay que dejar que la pieza repose a una temperatura constante para permitir que se liberen las tensiones.

Contradicción fundamental: los clientes exigen plazos de entrega cortos, pero los componentes de alta precisión requieren un tiempo de curado suficiente.

3. Control de la precisión geométrica de piezas de gran tamaño (especialmente notable en las bancadas y las vigas transversales)

La mayoría de las piezas de granito para máquinas-herramienta son componentes irregulares de gran tamaño, y no simples placas planas pequeñas.

1. Deformación por el propio peso: El granito tiene una densidad de aproximadamente 3 t/m³, por lo que el propio peso de las piezas grandes provoca una deformación. Si el método de apoyo no es del todo adecuado (por ejemplo, si la ubicación o el número de puntos de apoyo son incorrectos), la precisión podría verse afectada durante el rectificado, pero Una vez trasladado a las instalaciones del cliente e instalado en los soportes, el punto de referencia se deformará directamente. Las condiciones de apoyo de los dispositivos de rectificado deben simular el estado final de apoyo en la instalación del cliente, un aspecto que muchas plantas de procesamiento pasan por alto.
2. Dificultad para equilibrar las tolerancias de forma y posición en múltiples superficies: las bancadas de las máquinas herramienta deben garantizar simultáneamente la planitud, el paralelismo y la perpendicularidad de la superficie superior, las superficies de montaje de los carriles guía y las superficies laterales. Las piezas de gran tamaño se deforman fácilmente debido a las fuerzas que actúan sobre la mesa de trabajo de la rectificadora, y las seis caras interfieren entre sí; la corrección de una cara afectará a la precisión de las demás.
3. Las ranuras y cavidades para aligerar el peso provocan una rigidez desigual: al alternar los espesores de las paredes, la eliminación de material durante el rectificado es desigual en las distintas posiciones, lo que facilita la aparición de abombamientos o depresiones en el centro.

4. Dificultades técnicas en los insertos roscados de acero inoxidable preinstalados (el punto de fallo más frecuente en los componentes de las máquinas-herramienta)

La base de la máquina herramienta está provista de orificios para tornillos, dispuestos de forma muy densa, que sirven para fijar guías lineales, motores lineales, rejillas y placas de sujeción.

1. Tolerancia extremadamente baja en la secuencia del proceso: La secuencia debe ser la siguiente: mecanizado en bruto – taladrado – inserción – curado completo del adhesivo, seguido de un rectificado de acabado. Si el taladrado y la inserción se realizan tras el mecanizado de acabado, la tensión provocada por el taladrado y la contracción durante el curado del adhesivo deformarán directamente la superficie de referencia.
2. Tensión por contracción del adhesivo: El pegamento epoxi se contrae durante el proceso de curado. Un espesor irregular de la capa de pegamento provoca una deformación local de la piedra alrededor del manguito, lo que da lugar a pequeñas protuberancias y hendiduras.
3. Es difícil controlar la uniformidad de la altura de los insertos roscados: Si el inserto queda ligeramente más alto que la superficie de trabajo, levantará directamente la guía durante el montaje, lo que provocará que esta se retuerza y, en consecuencia, se produzcan vibraciones durante el funcionamiento de la máquina y una precisión deficiente; si queda demasiado bajo, afectará al montaje.
4. Distancia limitada al borde del orificio: Si los orificios están demasiado cerca del borde, la piedra es propensa a agrietarse durante el taladrado, el encolado y el apriete. Las zonas con una alta densidad de roscas plantean requisitos extremadamente exigentes en cuanto a la resistencia intrínseca de la piedra, los parámetros de taladrado y la elección del adhesivo.

5. Umbral mínimo para un entorno de procesamiento a temperatura constante

En el caso de los componentes de granito para máquinas-herramienta de clase 00 y superiores, el mecanizado de precisión debe realizarse en un taller a temperatura constante de 20 ± 1 °C, con fluctuaciones de temperatura ≤ ± 0,5 °C.

1. El coeficiente de dilatación lineal del granito es de aproximadamente 5e-6/°C. En una pieza de 1 metro, un cambio de temperatura de 1 °C provoca una variación dimensional de 5 μm. Cuando se producen grandes fluctuaciones de temperatura, la pieza se dilata y se contrae continuamente durante el proceso de rectificado, lo que hace que la planitud de la superficie rectificada sea inexacta.
2. No se trata solo del rectificado; todo el proceso de limpieza, reposo e inspección, tanto antes como después del mecanizado de precisión, requiere una temperatura constante. Cuando una pieza se traslada de un entorno a temperatura ambiente a una sala con temperatura constante, necesita tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico y no puede someterse inmediatamente a procesamiento ni a inspección en la máquina.
3. Los talleres con temperatura constante requieren una elevada inversión en equipamiento. Muchas plantas de transformación pequeñas y medianas carecen de las condiciones necesarias y solo pueden fabricar plataformas comunes de baja precisión, pero no componentes estructurales aptos para máquinas-herramienta.

6. Problemas de fiabilidad en el empalme y la unión

Las bases y las vigas transversales de gran tamaño de las máquinas no se pueden adquirir como bloques únicos de materia prima, por lo que deben ensamblarse.

1. Es difícil conseguir que no haya tensión alguna en la junta de unión. Aunque la planitud cumpla los requisitos tras el rectificado, los cambios en la temperatura ambiente y el envejecimiento del pegamento provocarán diferencias de altura en la junta.
2. Cualquier pequeña variación en la calidad del pulido de la superficie de unión, en el espesor del pegamento o en la temperatura y el tiempo de curado provocará huecos y deformaciones posteriormente.
3. No se recomienda el uso de componentes ensamblados para la Clase 000; las máquinas-herramienta de alta gama y ultraprecisión deben utilizar, en la medida de lo posible, bloques de piedra de una sola pieza.. Sin embargo, el coste de adquisición de la materia prima en un único bloque de gran tamaño es extremadamente elevado, lo que dificulta encontrar un equilibrio entre ambos aspectos.

7. Limitaciones del proceso debidas a la fragilidad durante el mecanizado

El granito es duro, pero muy frágil:

A diferencia del hierro fundido, no se pueden limar ni reparar in situ tras su montaje. Una vez que se ve comprometida su precisión, en la mayoría de los casos hay que enviarlas de vuelta a la fábrica para que las vuelvan a rectificar.

El taladrado, el fresado de ranuras para reducir el peso y el fresado de esquinas provocan con facilidad el astillamiento de los bordes. Las esquinas internas no pueden ser ángulos rectos, sino que deben ser redondeadas (filetes R); sin embargo, muchos planos de los clientes especifican ángulos rectos, lo que genera un conflicto entre el diseño y el mecanizado.

La sujeción no debe realizarse con mucha presión; una fuerza de sujeción excesiva provocará directamente la rotura de la pieza de trabajo. El diseño de las herramientas es mucho más complejo que en el caso del hierro fundido.

Existe un alto riesgo de que se produzcan abolladuras debido a colisiones en los bordes durante la elevación y el transporte; los componentes de gran tamaño son pesados, lo que dificulta su transporte.

8. Dificultades en la inspección y la verificación

1. Los componentes de granito de gran tamaño requieren interferómetros láser, autocolimadores y máquinas de medición por coordenadas (CMM) a gran escala para la inspección de tolerancias geométricas; la inversión en equipos de inspección de alta precisión a gran escala es elevada.
2. La inspección en fábrica solo puede reflejar la situación actual; resulta difícil simular en un breve espacio de tiempo en fábrica la precisión que se alcanza tras meses de liberación de tensiones a largo plazo, y no es posible detectar los posibles riesgos de deformación antes de que el producto salga de fábrica.
3. Los clientes del sector del comercio exterior exigen certificados de calibración completos, con requisitos muy estrictos en cuanto a los procesos de inspección y el registro de datos.

9. Problemas reales en comparación con el hierro fundido

El hierro fundido puede someterse a un mecanizado preliminar, un proceso de envejecimiento, un mecanizado de acabado y un montaje, y posteriormente rasparse in situ;
El granito tiene prácticamente ninguna medida correctiva in situ, y todos los ajustes de precisión deben realizarse íntegramente en fábrica; una vez que se produce un error en el proceso, resulta difícil subsanarlo en las instalaciones del cliente.