कठीण सामग्री प्रक्रिया करण्यासाठी डायमंड कटिंग टूल्स कसे वापरावे

हिरा कटिंग टूल्स आणि त्यांच्या कार्यप्रणालीचे समजून घेणे

हीरा कटिंग साधने ही खोलीमध्ये कार्य करताना सिरॅमिक्स, संयुगे सामग्री आणि विविध अलौह धातूंसारख्या कठोर सामग्रीशी व्यवहार करताना उपलब्ध असलेल्या सर्वात मजबूत पदार्थाचा वापर करतात. डिझाइनमध्ये पॉलीक्रिस्टलाइन रचनांमध्ये व्यवस्थित कृत्रिम हिऱ्यांचा समावेश आहे, ज्यामुळे फाटण्याचा धोका कमी होतो आणि घासण्यापासून उत्कृष्ट प्रतिकार देखील राखला जातो. या साधनांना प्रभावी बनवणारे म्हणजे विकर्स स्केलवर सुमारे 10,000 HV च्या हिऱ्याच्या अविश्वसनीय कठोरतेचा आधार घेणे. यामुळे ते सूक्ष्म पातळीवर सामग्री कापू शकतात आणि जास्त उष्णता निर्माण करत नाहीत, जे नाजूक किंवा उष्णता-संवेदनशील सामग्रीसाठी खूप महत्त्वाचे आहे जी उच्च तापमानाखाली सहज फुटू शकतात किंवा विकृत होऊ शकतात.

हीरा कटिंग साधने म्हणजे काय आणि ती कसे काम करतात?

आजकाल हिर्यापासून बनवलेल्या कटिंग साधनांचे दोन मुख्य प्रकार आहेत: पूर्णपणे सिंटर केलेले हिरे मॅट्रिक्स किंवा ती ज्यांच्यावर हिरे सबस्ट्रेट्सवर बाँडेड असतात. सामग्रीवर काम करताना, हिऱ्याचे कडा त्यांना वितळवण्याऐवजी यांत्रिक अपघटनाद्वारे कामगिरीच्या भागातील बंधने तोडतात. यामुळे अत्यंत निरभ्र पृष्ठभाग तयार होतात, कधीकधी रू. 0.02 माइक्रोमीटर पर्यंत फिनिशिंग गुणवत्ता. सामान्य कार्बाइड साधनांच्या तुलनेत, घासणार्‍या सामग्रींशी व्यवहार करताना हिरे साधने सुमारे 10 ते 15 पट जास्त काळ धारदार राहतात. का? कारण हिराला सुमारे 90 GPa इतकी आश्चर्यकारक कठोरता रेटिंग आहे आणि तो सुमारे 2,000 W प्रति मीटर केल्विन इतकी उष्णता वाहून नेऊ शकतो. याचा अर्थ ऑपरेशनदरम्यान उष्णता खूप कार्यक्षमतेने दूर केली जाते, ज्यामुळे कामगिरी आणि साधनाचे आयुष्य दोन्ही टिकवण्यास मदत होते.

हिरे कटिंग साधनांचे प्रकार: PCD, CVD, आणि हिरे-लेपित प्रकार

उद्योगातील अनुप्रयोगांमध्ये तीन मुख्य हिरे साधनांचे प्रकार प्रभावी आहेत:

1. पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड (PCD) — संयुगे मध्ये खंडित कटसाठी आदर्श, टंगस्टन कार्बाइडला बांधलेले सिंटर केलेले हिरे कण
2. CVD हिरे साधने — रासायनिक वाफर अवक्षेपणाद्वारे वाढवलेल्या एकल-स्फटिक हिरे स्तरांचा वापर अत्यंत अचूक ऑप्टिक्स यंत्रमागाच्या कामासाठी केला जातो
3. हिरे-लेपित साधने — HFCVD (हॉट फिलामेंट CVD) द्वारे कार्बाइड सबस्ट्रेट्सवर लावलेल्या माइक्रॉन-जाडीच्या हिरे फिल्म्स, सेरॅमिक मिलिंगसाठी खर्चाच्या दृष्टीने परवडणारे समाधान देतात

PCD साधने धातू मॅट्रिक्स संयुगे मध्ये 700 N पर्यंत कटिंग बल सहन करू शकतात, तर CVD प्रकार एअरोस्पेस घटकांमध्ये ±0.5 μm अचूकता प्राप्त करतात.

हिरे यंत्रमागामध्ये सामग्री निष्कासन यंत्रणा

कठीण सामग्री प्रक्रिया मध्ये, हिरे साधने सामग्री काढून टाकतात:

• लवचिक-मोड कटिंग (0.2 μm खालील एक निर्णायक खोलीसाठी सेरॅमिक्ससाठी)
• माइक्रोफ्रॅक्चर प्रसार सिलिकॉन कार्बाइड सारख्या भुर्र होणार्‍या सामग्रीमध्ये
• थर्मोकेमिकल घिसट डायमंडच्या उच्च उष्णता वाहकतेमुळे कमी होणे

झिरकोनिया मिलिंग चाचण्यांमध्ये दाखवल्याप्रमाणे (युआन एट अल., 2023), ही दुहेरी यांत्रिक आणि उष्णता क्रिया पारंपारिक ग्राइंडिंगच्या तुलनेत 60—80% पर्यंत सबसरफेस नुकसान कमी करते.

डायमंड-कोटेड टूल्स वापरून सेरॅमिक्स, कॉम्पोझिट्स आणि मेटल मॅट्रिक्स कॉम्पोझिट्स यांचे मशीनिंग

सिलिकॉन कार्बाइड आणि अल्युमिना सेरॅमिक्स सारख्या कठोर पदार्थांसह काम करताना डायमंड कोटेड टूल्स अपरिहार्य झाले आहेत, कारण सामान्य कटिंग उपकरणे मोहस प्रमाणावर जवळजवळ 8 ते 9.5 च्या त्यांच्या अविश्वसनीय कठोरतेला सामोरे जाऊ शकत नाहीत. कार ब्रेक्समध्ये वापरल्या जाणार्‍या कार्बन फायबर कॉम्पोझिट्स कापताना ही विशिष्ट उपकरणे जवळजवळ प्लस किंवा मायनस 0.005 मिलीमीटर इतक्या अत्यंत जवळच्या सहनशीलतेचे पालन करतात, ज्यामुळे 2023 मधील प्रिसिजन इंजिनिअरिंग सोसायटीच्या संशोधनानुसार सामान्य कार्बाइड टूल्सच्या तुलनेत सामग्रीचे विभाजन कमीतकमी दोन-तृतीयांशाने कमी होते. सिलिकॉन कार्बाइडसह मिसळलेल्या अॅल्युमिनियम सारख्या धातू मॅट्रिक्स कॉम्पोझिट्सच्या बाबतीत, डायमंड कटिंग घटकांना आयामी स्थिर ठेवते, जेव्हा मशीन्स 400 अंश सेल्सिअसपेक्षा जास्त गरम झाले तरीही. उद्योग अहवालांमध्ये असे नमूद केले आहे की कॉम्पोझिट घटकांच्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करताना डायमंड कोटेड एंड मिल्सवर स्विच करणाऱ्या उत्पादकांना सामान्यत: त्यांच्या टूल प्रतिस्थापन खर्चात जवळजवळ एक तृतीयांश कपात होते.

एअरोस्पेस आणि मेडिकल उद्योगांमध्ये हीरा साधनांसह अत्यंत अचूक यंत्रमय काम

इनकॉनेल टर्बाइन ब्लेड्सवर काम करताना एअरोस्पेस उद्योग एकल स्फटिक हिरा साधनांवर अवलंबून असतो, ज्यामुळे उड्डाणादरम्यान हवेच्या प्रतिकारात कमी होण्यास मदत होते अशी Ra 0.2 माइक्रॉनपेक्षा कमी पृष्ठभाग पूर्णता मिळते. मेडिकल उपकरणांसाठी, उत्पादक टायटॅनियम मणक्याच्या इम्प्लांट्सचे आकार देण्यासाठी पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड किंवा PCD साधनांचा वापर करतात. या साधनांमुळे सुमारे 3 माइक्रॉनची अचूकता मिळते, जी शरीरासोबत संपर्कात येणाऱ्या पृष्ठभागांसाठी FDA च्या 5 माइक्रॉनच्या आवश्यकतेपेक्षा आरामदायीपणे पूर्ण होते. 2024 च्या एका अलीकडील उद्योग अहवालानुसार, हिरा साधनांवर स्विच करणाऱ्या कंपन्यांना ऑप्टिकल लेन्स तयार करण्यामध्ये त्यांची यंत्रमय प्रक्रिया सुमारे 28% अधिक कार्यक्षम झाल्याचे आढळून आले. ही सुधारणा उच्च अचूकतेच्या लेझर अनुप्रयोगांसाठी आवश्यक असलेल्या अत्यंत सूक्ष्म सपाटपणापर्यंत पोहोचण्यास शक्यता निर्माण करते.

PCD साधनांचा वापर करून कठीण सामग्रीच्या यंत्रमयीकरणामध्ये पृष्ठभाग पूर्णतेत सुधारणा

टंगस्टन कार्बाइड मिलिंग दरम्यान पारंपारिक सीव्हीडी लेपित पर्यायांच्या तुलनेत पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड (पीसीडी) साधनांमुळे सतहीच्या खडबडीतपणावर सुमारे 40 टक्के कमी होते. या साधनांद्वारे 0.08 माइक्रोमीटर खालील Ra मूल्ये साध्य केली जाऊ शकतात, जे आरशासारखी सतह आवश्यक असलेल्या साचे आणि डायसाठी खूप महत्त्वाचे आहे. 8 ते 12 माइक्रोन दरम्यान डायमंड कण असलेल्या बहुस्तरीय पीसीडी साठी, त्यांचे आयुष्य लक्षणीयरीत्या जास्त असते. काचेच्या तंतू प्रबलित प्लास्टिक्सवर काम करताना सुमारे 1,200 कटिंग चक्रांमध्ये सतहीच्या गुणधर्मांमध्ये 2% पेक्षा कमी फरक राखून या साधनांची कार्यक्षमता स्थिर राहते, असे चाचण्यांमधून दिसून आले आहे. सातत्य महत्त्वाचे असलेल्या संयुगे सामग्री सह काम करणाऱ्या उत्पादकांसाठी वाढलेले साधन आयुष्य त्यांना विशेष मूल्यवान बनवते.

डायमंड-लेपित कटिंग साधनांच्या कामगिरी आणि घर्षण प्रतिरोधकतेचे मूल्यांकन

कटिंग कामगिरीच्या मूल्यांकन पद्धती: बाजूचे घर्षण, घर्षण चाचण्या आणि मिलिंग चाचण्या

हीरा कटिंग औजारांचे मूल्यमापन करताना, उद्योग तज्ञ सहसा तीन मुख्य घटकांकडे पाहतात: फ्लँक घिसण, घर्षण गुणांक आणि वास्तविक मिलिंग ऑपरेशन्स दरम्यान त्यांचे कामगिरी. उदाहरणार्थ, सिलिकॉन कार्बाइड कॉम्पोझिट्ससह काम करताना, सतत दोन तास मशीनिंग नंतर PCD औजारांमध्ये सुमारे 0.02 मिमी फ्लँक घिसण दिसून येते, जी पोनमनच्या गेल्या वर्षीच्या संशोधनानुसार सामान्य कार्बाइड औजारांच्या तुलनेत अंदाजे 63% चांगली आहे. झिरकोनिया सेरॅमिक्सवर केलेल्या चाचण्यांमध्ये एक आश्चर्यकारक गोष्ट देखील उघड होते. कोरड्या मिलिंग दरम्यान हिरा लेपित एंड मिल्स 0.15 खाली घर्षण गुणांक राखतात, म्हणजेच त्यांच्या अनलेपित तुलनेत त्यांच्यापेक्षा खूप कमी उष्णता निर्माण होते. यामुळे औजारांच्या आयुष्यात आणि कामगिरीच्या गुणवत्तेत मोठा फरक पडतो.

हिरा लेपित औजारांमधील घिसण वर्तन आणि लेप निर्मुक्तता

हीराच्या लेपनासाठी डेलॅमिनेशन हे प्राथमिक अपयश आहे, विशेषतः लोखंडी मिश्रधातूंच्या यंत्रणेदरम्यान. धातूकीय अभ्यासात असे दिसून आले आहे की सबस्ट्रेटच्या पूर्व-उपचारामध्ये सुधारणा करून रासायनिक वाफ अवक्षेपण (CVD) प्रक्रियेचे इष्टतमीकरण केल्याने डेलॅमिनेशनचा धोका 38% ने कमी होतो. बहुस्तरीय हीरा लेपने इंटरफेस अपयश येण्यापूर्वी एकस्तरीय लेपनांपेक्षा 27% जास्त अपरूपी ताण सहन करू शकतात, असे सूक्ष्म-दरारे प्रसार विश्लेषणात दिसून आले आहे.

उच्च-ताण यंत्रणा परिस्थितीत हीरा लेपनाची तुटण्याची कठोरता

उच्च-गती यंत्रणा परिस्थितीत (≥ 800 मी/मिनिट), हीराचे लेपन 8 MPa√m पेक्षा जास्त तुटण्याची कठोरता मूल्ये टिकवून ठेवतात, जड घन पदार्थांच्या प्रक्रियेदरम्यान धारेची अखंडता राखतात. उष्णता स्थिरता चाचणीत असे दिसून आले आहे की ही लेपने 600°C वर कोरड्या तापमानावरील कठोरतेचे 91% मूल्य टिकवून ठेवतात, तर टंगस्टन कार्बाइड औजारांच्या तुलनेत हा आकडा 62% इतका आहे.

यंत्रणा परिस्थितीत औजारांची कामगिरी: उष्णता आणि कंपनांचा प्रभाव

ग्लास फायबर-रीनफोर्स्ड पॉलिमर मशीनिंग दरम्यान उच्च-वारंवारता कंपन निरीक्षण दाखवते की अल्परुपाती साधनांच्या तुलनेत डायमंड-कोटेड ड्रिल्स कंपन आयाम 44% ने कमी करतात. एअरोस्पेस-ग्रेड अ‍ॅल्युमिनियम मिलिंग ऑपरेशन्समध्ये डायमंड कोटिंगच्या अंतर्गत डॅम्पिंग गुणधर्मांमुळे कार्यपृष्ठ पृष्ठभाग खराबी (Ra) 1.2 μm वरून 0.4 μm पर्यंत कमी होते.

डायमंड कोटेड आणि अल्परुपाती साधने: साधन आयुष्य आणि घर्षण प्रतिरोधकतेची तुलना

कार्बन फायबर कॉम्पोझिट्सवर सतत मशीनिंग चाचण्यांमध्ये, डायमंड-कोटेड एंड मिल्स अल्परुपाती कार्बाइड साधनांपेक्षा 3.8 पट जास्त काळ टिकतात. टायटॅनियम मशीनिंगच्या 8 तासांनंतर डायमंड-कोटेड इन्सर्ट्समध्ये 82% कमी विकृती दर्शविणारे धार त्रिज्या मोजमाप ±2 μm सहिष्णुतेत कटिंग अचूकता राखण्यास खात्री करतात.

HFCVD तंत्रज्ञानासह डायमंड कोटिंग अवक्षेपण ऑप्टिमाइझिंग

HFCVD कसे डायमंड कोटिंग चिकटणे आणि एकरूपता सुधारते

हॉट फिलामेंट केमिकल व्हॅपर डिपॉझिशन, किंवा अल्पाक्षरीत HFCVD, डायमंड कोटिंग्ज वाढवताना उत्पादकांना खूप चांगले नियंत्रण मिळण्यास मदत करते कारण ते वापरल्या जाणार्‍या वायूंसह बेस मटेरियलचे तापमान दोन्ही ठीक करण्याची परवानगी देते. गतवर्षी मटेरियल्स टुडेमध्ये प्रकाशित झालेल्या संशोधनानुसार झिर्कोनियाच्या मशीनिंगवर झालेल्या चाचण्यांमध्ये असे आढळून आले की या पद्धतीने तयार केलेल्या कोटिंग्ज सामान्य CVD पद्धतींपेक्षा सुमारे 34 टक्के जास्त चिकटतात. HFCVD ला वेगळे करणारी गोष्ट म्हणजे ते गुंतागुंतीच्या आकाराच्या साधनांवर कोटिंग समानरीत्या कशी पसरवते, ज्यामुळे संपूर्ण तुकड्यात प्लस किंवा माइनस दोन मायक्रोमीटरपेक्षा कमी फरक राहतो आणि त्या धारदार कडा टिकवून ठेवल्या जातात. अभियंते मिथेन आणि हायड्रोजनचे मिश्रण बदलून कोटिंग घनता 98 टक्क्यांच्या वर नेऊ शकतात, ज्यामुळे सतत ताणल्या जाणाऱ्या तीव्र मिलिंग परिस्थितीत लहान फुटणे खूप कमी होते.

झिर्कोनिया सिरॅमिक्स मिलिंगमध्ये बहु-थर, दु-थर आणि एकल-थर डायमंड कोटिंग्जचे कार्य

अलीकडील अभ्यासात 3Y-TZP झिरकोनिया मशीन करताना हिऱ्याच्या कोटिंग आर्किटेक्चरमध्ये विशिष्ट कामगिरीतील फरक दिसून आले आहेत:

बहुस्तरीय लेप मध्ये उत्कृष्ट तणाव वितरणामुळे एकस्तरीय आवृत्तींपेक्षा 40% जास्त साधन आयुष्य असते. नॅनोक्रिस्टलीन आणि माइक्रोक्रिस्टलीन स्तरांचे पर्यायी स्तर अधिक प्रभावीपणे कंपन ऊर्जा शोषून घेतात, उच्च वेगाने मिलिंगच्या चाचण्यांमध्ये सत्यापित केल्याप्रमाणे, साधनाच्या कार्यात्मक आयुष्याच्या 85% पर्यंत ≤ 0.35 μm Ra पृष्ठभाग पूर्णत्व कायम ठेवतात.