Bei CNC-gesteuerten Maschinen bieten die physikalischen Eigenschaften von Granit zwar eine Grundlage für eine hochpräzise Bearbeitung, doch können seine inhärenten Nachteile vielfältige Auswirkungen auf die Bearbeitungsgenauigkeit haben, die sich insbesondere wie folgt manifestieren:
1. Oberflächenfehler bei der Verarbeitung, verursacht durch Materialversprödung
Aufgrund seiner Sprödigkeit (hohe Druckfestigkeit, aber geringe Biegefestigkeit; die Biegefestigkeit beträgt in der Regel nur 1/10 bis 1/20 der Druckfestigkeit) ist Granit bei der Verarbeitung anfällig für Probleme wie Kantenrisse und Mikrorisse an der Oberfläche.
Mikroskopische Defekte beeinträchtigen die Präzisionsübertragung: Beim Hochpräzisionsschleifen oder -fräsen können winzige Risse an den Werkzeugkontaktpunkten zu unregelmäßigen Oberflächen führen. Dadurch vergrößern sich die Geradheitsfehler wichtiger Komponenten wie Führungsschienen und Arbeitstische (beispielsweise verschlechtert sich die Ebenheit von idealen ±1 µm/m auf ±3–5 µm/m). Diese mikroskopischen Defekte werden direkt auf die bearbeiteten Teile übertragen, insbesondere bei der Fertigung von optischen Präzisionskomponenten und Halbleiterwaferträgern. Dies kann zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit des Werkstücks führen (Ra-Wert steigt von 0,1 µm auf über 0,5 µm) und somit die optische Leistung oder die Funktionalität der Bauteile beeinträchtigen.
Plötzliches Bruchrisiko bei dynamischer Bearbeitung: Bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen (z. B. Spindeldrehzahl > 15.000 U/min) oder Vorschubgeschwindigkeiten > 20 m/min können Granitbauteile durch plötzliche Stoßkräfte lokal fragmentieren. Ändert beispielsweise das Führungsschienenpaar rasch die Richtung, kann dies zu Kantenrissen führen, die die Bewegungsbahn vom Sollweg abweichen lassen. Dies kann einen plötzlichen Abfall der Positioniergenauigkeit (der Positionierfehler vergrößert sich von ±2 µm auf über ±10 µm) und sogar Werkzeugkollisionen und -ausfälle zur Folge haben.
Zweitens, dynamischer Genauigkeitsverlust aufgrund des Widerspruchs zwischen Gewicht und Steifigkeit
Die hohe Dichte von Granit (mit einer Dichte von etwa 2,6 bis 3,0 g/cm³) kann Vibrationen unterdrücken, bringt aber auch folgende Probleme mit sich:
Die Trägheitskraft verursacht eine Verzögerung der Servoreaktion: Die von schweren Granitbetten (wie z. B. großen Portalmaschinenbetten mit einem Gewicht von mehreren zehn Tonnen) beim Beschleunigen und Abbremsen erzeugte Trägheitskraft zwingt den Servomotor zu einem höheren Drehmoment, was zu einer Erhöhung des Positionsregelungsfehlers führt. Beispielsweise kann bei Hochgeschwindigkeitssystemen mit Linearmotoren die Positioniergenauigkeit mit jeder Gewichtszunahme von 10 % um 5 % bis 8 % sinken. Insbesondere bei der Bearbeitung von Nanostrukturen kann diese Verzögerung zu Konturbearbeitungsfehlern führen (z. B. kann sich der Rundheitsfehler bei der Kreisinterpolation von 50 nm auf 200 nm erhöhen).
Unzureichende Steifigkeit verursacht niederfrequente Schwingungen: Obwohl Granit eine relativ hohe Eigendämpfung aufweist, ist sein Elastizitätsmodul (ca. 60 bis 120 GPa) niedriger als der von Gusseisen. Bei wechselnden Belastungen (z. B. Schwankungen der Schnittkraft bei der Mehrachsenbearbeitung) kann es zu einer Akkumulation von Mikroverformungen kommen. Beispielsweise kann bei der Schwenkkopfkomponente eines Fünf-Achs-Bearbeitungszentrums die geringfügige elastische Verformung der Granitbasis zu einer Abweichung der Winkelpositioniergenauigkeit der Drehachse führen (z. B. zu einer Vergrößerung des Indexierungsfehlers von ±5" auf ±15"), was die Bearbeitungsgenauigkeit komplexer gekrümmter Oberflächen beeinträchtigt.
III. Grenzen der thermischen Stabilität und der Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen
Obwohl der Wärmeausdehnungskoeffizient von Granit (etwa 5 bis 9×10⁻⁶/℃) niedriger ist als der von Gusseisen, kann er dennoch zu Fehlern bei der Präzisionsbearbeitung führen:
Temperaturgradienten verursachen Strukturverformungen: Bei längerem Dauerbetrieb der Anlage können Wärmequellen wie der Hauptwellenmotor und das Schmiersystem der Führungsschienen Temperaturgradienten in den Granitbauteilen hervorrufen. Beispielsweise kann eine Temperaturdifferenz von 2 °C zwischen der Ober- und Unterseite des Arbeitstisches zu einer konvexen oder konkaven Verformung (Durchbiegung bis zu 10 bis 20 µm) führen. Dies beeinträchtigt die Planheit der Werkstückspannung und die Parallelitätsgenauigkeit beim Fräsen oder Schleifen (z. B. kann die Dickentoleranz von Flachplatten ±5 µm bis ±20 µm überschreiten).
Die Luftfeuchtigkeit verursacht eine geringfügige Ausdehnung: Obwohl Granit nur wenig Wasser aufnimmt (0,1 % bis 0,5 %), kann eine längere Nutzung in feuchter Umgebung zu einer Ausdehnung des Gefüges führen. Dies wiederum verändert das Passungsspiel der Führungsschienen. Steigt die relative Luftfeuchtigkeit beispielsweise von 40 % auf 70 %, kann sich die Längenabmessung der Granit-Führungsschiene um 0,005 bis 0,01 mm/m erhöhen. Dadurch wird die Leichtgängigkeit der Führungsschiene beeinträchtigt und ein Kriechverhalten kann auftreten, was die Vorschubgenauigkeit im Mikrometerbereich negativ beeinflusst.
IV. Kumulative Auswirkungen von Verarbeitungs- und Montagefehlern
Die Bearbeitung von Granit ist schwierig (es werden spezielle Diamantwerkzeuge benötigt, und die Bearbeitungseffizienz beträgt nur 1/3 bis 1/2 derjenigen von Metallwerkstoffen), was zu Genauigkeitsverlusten im Montageprozess führen kann:
Übertragung von Bearbeitungsfehlern an Passflächen: Treten Bearbeitungsabweichungen (z. B. Ebenheit > 5 µm, Lochabstandsfehler > 10 µm) an Schlüsselbauteilen wie der Montagefläche der Führungsschiene und den Gewindebohrungen auf, führt dies nach der Montage zu Verformungen der Linearführungsschiene, ungleichmäßiger Vorspannung der Kugelumlaufspindel und letztendlich zu einer Verschlechterung der Bewegungsgenauigkeit. Beispielsweise kann bei der Bearbeitung eines Drei-Achs-Gelenksystems der durch die Verformung der Führungsschiene verursachte Vertikalitätsfehler den Diagonallängenfehler des Würfels von ±10 µm auf ±50 µm vergrößern.
Spaltbildung an der Verbindungsstelle: Granitbauteile großer Anlagen werden häufig miteinander verbunden (z. B. durch mehrteiliges Verbinden von Bauteilen). Bei geringfügigen Winkelabweichungen (> 10°) oder einer Oberflächenrauheit > Ra 0,8 μm an der Verbindungsstelle können nach der Montage Spannungskonzentrationen oder Spalten auftreten. Unter Langzeitbelastung kann dies zu einer strukturellen Entspannung und einer Genauigkeitsdrift führen (z. B. einer jährlichen Abnahme der Positioniergenauigkeit um 2 bis 5 μm).
Zusammenfassung und Bewältigungsstrategien
Die Nachteile von Granit haben einen verdeckten, kumulativen und umweltsensiblen Einfluss auf die Genauigkeit von CNC-Maschinen und müssen systematisch durch Maßnahmen wie Materialmodifikation (z. B. Harzimprägnierung zur Erhöhung der Zähigkeit), Strukturoptimierung (z. B. Metall-Granit-Verbundrahmen), Wärmemanagement (z. B. Mikrokanal-Wasserkühlung) und dynamische Kompensation (z. B. Echtzeitkalibrierung mit einem Laserinterferometer) angegangen werden. Im Bereich der Nanobearbeitung ist es umso wichtiger, die gesamte Wertschöpfungskette – von der Materialauswahl über die Bearbeitungstechnologie bis hin zum gesamten Maschinensystem – zu kontrollieren, um die Leistungsvorteile von Granit voll auszuschöpfen und gleichzeitig seine inhärenten Schwächen zu vermeiden.
Veröffentlichungsdatum: 24. Mai 2025