कठोर सामग्री प्रसंस्करण के लिए हीरा कटिंग उपकरणों का उपयोग कैसे करें

हीरा कटिंग उपकरण और उनके कार्य सिद्धांतों की समझ

हीरे के कटिंग उपकरणों का उपयोग कठोर सामग्री जैसे सिरेमिक, सम्मिश्र सामग्री और विभिन्न अलौह धातुओं के साथ काम करते समय सटीक कार्य के लिए उपलब्ध सबसे मजबूत पदार्थ के रूप में किया जाता है। इनके डिज़ाइन में सिंथेटिक हीरे को पॉलीक्रिस्टलाइन गठन में व्यवस्थित किया गया है, जिससे घिसावट के प्रति उत्कृष्ट प्रतिरोध बनाए रखते हुए भी टूटने के जोखिम को कम करने में मदद मिलती है। इन उपकरणों की प्रभावशीलता का कारण हीरे की लगभग 10,000 HV की अविश्वसनीय कठोरता रेटिंग (विकर्स स्केल पर) पर निर्भरता है। इससे उन्हें सूक्ष्म स्तर पर सामग्री को काटने में सक्षम बनाया जाता है बिना अधिक ऊष्मा उत्पन्न किए, जो नाजुक या ऊष्मा-संवेदनशील सामग्री के साथ काम करते समय विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाता है जो उच्च तापमान के अधीन आसानी से फट या विकृत हो सकती हैं।

हीरे के कटिंग उपकरण क्या हैं और वे कैसे काम करते हैं?

आजकल हीरे से बने कटिंग उपकरण दो मुख्य रूपों में आते हैं: पूर्ण रूप से सिंटर किए गए हीरे के मैट्रिक्स या वे जहां हीरे को सब्सट्रेट्स पर बॉन्ड किया जाता है। सामग्री पर काम करते समय, हीरे के किनारे कार्यपृष्ठ में बॉन्ड को उन्हें पिघलाने के बजाय यांत्रिक अपरूपण द्वारा तोड़ देते हैं। इससे अविश्वसनीय रूप से सुचारु सतहें प्राप्त होती हैं, कभी-कभी फिनिश की गुणवत्ता में Ra 0.02 माइक्रोमीटर तक। नियमित कार्बाइड उपकरणों की तुलना में, हीरे के उपकरण घर्षणशील सामग्री के साथ काम करते समय लगभग 10 से 15 गुना अधिक समय तक धार बनाए रखते हैं। क्यों? क्योंकि हीरे की कठोरता रेटिंग लगभग 90 GPa होती है और यह लगभग 2,000 W प्रति मीटर केल्विन पर ऊष्मा का संचालन कर सकता है। इसका अर्थ है कि यह संचालन के दौरान ऊष्मा को वास्तव में कुशलता से दूर कर देता है, जो प्रदर्शन और उपकरण जीवन दोनों को बनाए रखने में मदद करता है।

हीरे के कटिंग उपकरण के प्रकार: PCD, CVD, और हीरे के लेपित रूप

उद्योग अनुप्रयोगों में तीन प्रमुख हीरे के उपकरण प्रकार प्रभावी हैं:

1. बहुक्रिस्टलीय हीरा (PCD) — कंपोजिट में अस्थायी कटौती के लिए आदर्श, टंगस्टन कार्बाइड पर बंधे सिंटर किए गए हीरा कण
2. CVD हीरा उपकरण — रासायनिक वाष्प अवक्षेपण के माध्यम से उगाए गए एकल-क्रिस्टल हीरे की परतें, अत्यधिक सटीक ऑप्टिक्स मशीनीकरण में उपयोग किए जाते हैं
3. हीरा-लेपित उपकरण — HFCVD (हॉट फिलामेंट CVD) के माध्यम से कार्बाइड सब्सट्रेट्स पर लगाई गई माइक्रॉन-मोटी हीरे की फिल्में, जो सिरेमिक मिलिंग के लिए लागत प्रभावी समाधान प्रदान करती हैं

PCD उपकरण धातु आधारित कंपोजिट में 700 N तक के कटिंग बल का सामना कर सकते हैं, जबकि CVD प्रकार एयरोस्पेस घटकों में ±0.5 μm सटीकता प्राप्त करते हैं।

हीरा मशीनीकरण में पदार्थ निष्कासन तंत्र

कठोर पदार्थों के प्रसंस्करण में, हीरा उपकरण पदार्थ को निम्न के माध्यम से निकालते हैं:

• लचीला-मोड कटिंग (0.2 μm की एक महत्वपूर्ण गहराई से नीचे के सिरेमिक के लिए)
• सूक्ष्म विदर विस्तार सिलिकॉन कार्बाइड जैसी भंगुर सामग्री में
• तापरासायनिक क्षरण हीरे की उच्च तापीय चालकता के कारण कमी

ज़िरकोनिया मिलिंग परीक्षणों में प्रदर्शित अनुसार, यह द्वैध यांत्रिक और तापीय क्रिया पारंपरिक ग्राइंडिंग की तुलना में उप-सतह क्षति को 60—80% तक कम कर देती है (युआन एट अल., 2023)।

हीरे के लेपित औजारों के साथ सिरेमिक्स, कंपोजिट्स और धातु मैट्रिक्स कंपोजिट्स की मशीनिंग

सिलिकॉन कार्बाइड और एल्युमिना सेरेमिक जैसी कठोर सामग्री के साथ काम करते समय हीरे की परत वाले उपकरण आवश्यक हो गए हैं, क्योंकि मानक कटिंग उपकरण मोहस पैमाने पर लगभग 8 से 9.5 के उनके अविश्वसनीय कठोरता स्तर को संभाल नहीं सकते। ये विशेष उपकरण कार ब्रेक में उपयोग होने वाले कार्बन फाइबर कंपोजिट को काटते समय लगभग प्लस या माइनस 0.005 मिलीमीटर की अत्यंत तंग सहनशीलता बनाए रखने में सक्षम होते हैं, जिससे 2023 में प्रिसिजन इंजीनियरिंग सोसाइटी के अनुसंधान के अनुसार सामग्री के अलगाव की समस्याओं में लगभग दो तिहाई की कमी आती है। जब एल्युमीनियम के साथ सिलिकॉन कार्बाइड के मिश्रण जैसे धातु मैट्रिक्स कंपोजिट की बात आती है, तो हीरे के कटिंग उपकरण तब भी भागों को आकार में स्थिर रखते हैं जब मशीनें बहुत गर्म हो जाती हैं, कभी-कभी 400 डिग्री सेल्सियस से अधिक। उद्योग की रिपोर्टों में संकेत दिया गया है कि जो निर्माता हीरे की परत वाले एंड मिल्स पर स्विच करते हैं, उनके उपकरण प्रतिस्थापन खर्च में आमतौर पर कंपोजिट घटकों की बड़ी मात्रा में उत्पादन करते समय लगभग एक तिहाई की गिरावट देखी जाती है।

एयरोस्पेस और मेडिकल उद्योगों में हीरे के उपकरणों के साथ अल्ट्रा प्रिसिजन मशीनिंग

इनकॉनेल टरबाइन ब्लेड पर काम करते समय एयरोस्पेस उद्योग एकल क्रिस्टल हीरे के उपकरणों पर निर्भर करता है, जो उड़ान के दौरान हवा के प्रतिरोध को कम करने में मदद करने के लिए Ra 0.2 माइक्रन से कम सतह फिनिश प्राप्त करता है। मेडिकल उपकरणों के लिए, निर्माता टाइटेनियम स्पाइनल इम्प्लांट्स को आकार देने के लिए पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड या PCD उपकरणों की ओर रुख करते हैं। ये उपकरण शरीर के संपर्क में आने वाली सतहों के लिए FDA आवश्यकता 5 माइक्रन की तुलना में आराम से मिलान करते हुए लगभग 3 माइक्रन की सटीकता प्रदान करते हैं। 2024 की एक हालिया उद्योग रिपोर्ट के अनुसार, हीरे के उपकरणों पर स्विच करने वाली कंपनियों ने ऑप्टिकल लेंस बनाने में अपनी मशीनिंग प्रक्रियाओं को लगभग 28% अधिक कुशल बना लिया। यह सुधार उच्च परिशुद्धता वाले लेजर अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक अविश्वसनीय रूप से सटीक समतलता के स्तर तक पहुंचने की अनुमति देता है।

PCD उपकरणों का उपयोग करके कठोर सामग्री मशीनिंग में सतह फिनिश में सुधार

बहुक्रिस्टलीय हीरा (पीसीडी) उपकरण, सीवीडी लेपित विकल्पों की तुलना में टंगस्टन कार्बाइड मिलिंग के दौरान सतह की खुरदरापन लगभग 40 प्रतिशत तक कम कर देते हैं। ये उपकरण 0.08 माइक्रोमीटर से कम आरए मान प्राप्त कर सकते हैं, जो उन साँचों और डाईज़ के लिए वास्तव में महत्वपूर्ण है जिन्हें दर्पण जैसी सतह की आवश्यकता होती है। 8 से 12 माइक्रोन के बीच हीरे के कण युक्त बहु-परत पीसीडी के मामले में, इनका जीवनकाल भी काफी अधिक होता है। परीक्षणों से पता चलता है कि ग्लास फाइबर युक्त प्लास्टिक्स पर काम करते समय लगभग 1,200 कटिंग चक्रों में इन उपकरणों का सतह के ढांचे में 2% से कम की भिन्नता के साथ स्थिर प्रदर्शन बना रहता है। विस्तृत उपकरण जीवनकाल उन निर्माताओं के लिए विशेष रूप से मूल्यवान बनाता है जो उन संयुक्त सामग्री के साथ काम करते हैं जहाँ स्थिरता सबसे अधिक महत्वपूर्ण होती है।

हीरा-लेपित कटिंग उपकरणों के प्रदर्शन और घर्षण प्रतिरोध का आकलन

कटिंग प्रदर्शन मूल्यांकन विधियाँ: पृष्ठ घर्षण, घर्षण परीक्षण और मिलिंग परीक्षण

हीरे के कटिंग उपकरणों का आकलन करते समय, उद्योग के पेशेवर आमतौर पर तीन मुख्य कारकों पर विचार करते हैं: पार्श्व घर्षण (फ्लैंक वियर), घर्षण गुणांक, और वास्तविक फ्रीजिंग संचालन के दौरान उनके प्रदर्शन। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन कार्बाइड कंपोजिट के साथ काम करते समय, लगातार दो घंटे की मशीनिंग के बाद PCD उपकरणों में लगभग 0.02 मिमी का पार्श्व घर्षण देखा जाता है, जो कि पिछले वर्ष पोनेमॉन के अनुसंधान के अनुसार मानक कार्बाइड उपकरणों की तुलना में लगभग 63% बेहतर है। ज़िरकोनिया सिरेमिक्स पर किए गए परीक्षणों में भी एक दिलचस्प बात सामने आई है। ड्राई मिलिंग के दौरान हीरे के लेपित एंड मिल्स घर्षण गुणांक को 0.15 से कम बनाए रखते हैं, जिसका अर्थ है कि वे अपने अलेपित समकक्षों की तुलना में बहुत कम ऊष्मा उत्पन्न करते हैं। इससे उपकरण के जीवनकाल और कार्य-वस्तु की गुणवत्ता में बड़ा अंतर आता है।

हीरे के लेपित उपकरणों में घर्षण व्यवहार और लेपन विलगन

डायमंड कोटिंग्स के लिए परत-पृथक्करण प्राथमिक विफलता मोड है, विशेष रूप से लौह मिश्र धातुओं के संसाधन के दौरान। धातुकर्मीय अध्ययनों से पता चलता है कि उचित रासायनिक वाष्प अवक्षेपण (CVD) प्रक्रियाओं से आधारभूत सतह के पूर्वउपचार में सुधार करने के माध्यम से परत-पृथक्करण के जोखिम में 38% की कमी आती है। सूक्ष्म दरार प्रसार विश्लेषण से पता चलता है कि बहुपरत डायमंड कोटिंग्स अंतरापृष्ठ विफलता से पहले एकल परत कोटिंग्स की तुलना में 27% अधिक अपरूपण तनाव सहन कर सकती हैं।

उच्च-तनाव युक्त संसाधन स्थितियों के तहत डायमं कोटिंग्स की भंगुरता सहनशीलता

उच्च-गति संसाधन स्थितियों (≥ 800 मीटर/मिनट) के तहत, डायमंड कोटिंग्स 8 MPa√m से अधिक भंगुरता सहनशीलता मान बनाए रखती हैं, जो भंगुर सामग्री के संसाधन के दौरान किनारे की अखंडता को बनाए रखती हैं। तापीय स्थिरता परीक्षण में दिखाया गया है कि ये कोटिंग्स 600°C पर कमरे के तापमान पर कठोरता का 91% बनाए रखती हैं, जबकि टंगस्टन कार्बाइड औजारों के लिए यह 62% होता है।

संसाधन स्थितियों के तहत औजार प्रदर्शन: ऊष्मा और कंपन का प्रभाव

ग्लास फाइबर-प्रबलित पॉलिमर की मशीनिंग के दौरान उच्च-आवृत्ति कंपन निगरानी यह दर्शाती है कि अनावृत औजारों की तुलना में हीरे के लेपित ड्रिल कंपन आयामों में 44% की कमी करते हैं। एयरोस्पेस-ग्रेड एल्यूमीनियम मिलिंग संचालन में हीरे के लेप के अंतर्निहित अवमंदन गुण कार्यपृष्ठ की सतह की खुरदरापन (Ra) को 1.2 μm से घटाकर 0.4 μm कर देते हैं।

हीरे के लेपित बनाम अनावृत औजार: औजार जीवन और घर्षण प्रतिरोध की तुलना

कार्बन फाइबर कंपोजिट्स पर निरंतर मशीनिंग परीक्षणों में, हीरे के लेपित एंड मिल्स अनावृत कार्बाइड औजारों की तुलना में 3.8 गुना अधिक समय तक चलते हैं। किनारे त्रिज्या माप टाइटेनियम मशीनिंग के 8 घंटे बाद हीरे के लेपित इंसर्ट्स में 82% कम विरूपण दर्शाते हैं, जो ±2 μm सहिष्णुता के भीतर कटिंग परिशुद्धता सुनिश्चित करता है।

HFCVD तकनीक के साथ हीरे के लेप निक्षेपण का अनुकूलन

HFCVD हीरे के लेप की चिपकाव और एकरूपता को कैसे बढ़ाता है

हॉट फिलामेंट केमिकल वैपर डिपॉजिशन, या संक्षेप में HFCVD, निर्माताओं को हीरे के लेपन को उगाने के समय बहुत बेहतर नियंत्रण प्रदान करता है क्योंकि यह उपयोग किए जाने वाले गैसों और सब्सट्रेट सामग्री के तापमान दोनों को सटीक ढंग से समायोजित करने की अनुमति देता है। पिछले साल मैटेरियल्स टुडे में प्रकाशित शोध के अनुसार, ज़िरकोनिया मशीनीकरण पर परीक्षणों ने दिखाया कि इस तरह बने लेपन नियमित CVD विधियों की तुलना में लगभग 34 प्रतिशत अधिक मजबूती से सतहों पर चिपकते हैं। HFCVD की विशेषता यह है कि यह जटिल आकृति वाले औजारों पर लेपन को कितनी समान रूप से फैलाता है, जिससे पूरे भाग में भिन्नताएँ धनात्मक-ऋणात्मक दो माइक्रोमीटर से कम रहती हैं, जबकि तीखे किनारों को बनाए रखता है। इंजीनियर मीथेन और हाइड्रोजन के मिश्रण को समायोजित करके लेपन के घनत्व को 98 प्रतिशत के निशान से ऊपर ले जा सकते हैं, जो तीव्र मिलिंग की स्थितियों में, जहाँ औजार लगातार तनाव में रहते हैं, छोटे दरारों के निर्माण को वास्तव में कम कर देता है।

ज़िरकोनिया सिरेमिक्स को मिलिंग करने में बहुलेप, द्विलेप और एकलेप हीरे के लेपन का प्रदर्शन

हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि 3Y-TZP ज़िरकोनिया को मशीन करते समय हीरे की कोटिंग वास्तुकला में अलग-अलग प्रदर्शन में अंतर होता है:

बहुलेयर कोटिंग्स एकल लेयर संस्करणों की तुलना में उत्कृष्ट तनाव वितरण के कारण औजार जीवन को 40% अधिक समय तक बढ़ा देती हैं। नैनोक्रिस्टलाइन और सूक्ष्मक्रिस्टलीय परतों के एकांतरित होने से कंपन ऊर्जा को अधिक प्रभावी ढंग से अवशोषित किया जाता है, जिससे औजार के संचालन आयु के 85% तक ≤ 0.35 माइक्रोमीटर Ra की सतह परिष्करण बनी रहती है, जैसा कि उच्च गति खराद परीक्षणों में सत्यापित किया गया है।