วิธีใช้เครื่องมือตัดแบบไดมอนด์สำหรับการแปรรูปวัสดุแข็ง

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับเครื่องมือตัดแบบไดมอนด์และหลักการทำงานของมัน

เครื่องมือตัดแบบไดมอนด์ใช้สารที่แข็งแกร่งที่สุดสำหรับงานความแม่นยำสูงเมื่อทำงานกับวัสดุที่ทนทาน เช่น เซรามิก วัสดุคอมโพสิต และโลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็กต่างๆ การออกแบบใช้เพชรสังเคราะห์ที่จัดเรียงตัวในรูปแบบผลึกหลายชนิด ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงในการแตกร้าว ขณะเดียวกันก็ยังคงให้ความต้านทานการสึกหรออย่างยอดเยี่ยม สิ่งที่ทำให้เครื่องมือเหล่านี้มีประสิทธิภาพคือการอาศัยความแข็งของเพชรที่มีค่าประมาณ 10,000 HV บนสเกลวิกเคอร์ส ซึ่งช่วยให้สามารถตัดวัสดุในระดับไมโครได้โดยไม่เกิดความร้อนมากนัก สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อทำงานกับวัสดุที่บอบบางหรือไวต่อความร้อน ซึ่งอาจแตกร้าวหรือเสียรูปได้ง่ายภายใต้อุณหภูมิสูง

เครื่องมือตัดแบบไดมอนด์คืออะไร และทำงานอย่างไร?

เครื่องมือตัดที่ทำจากเพชรในปัจจุบันมีอยู่สองรูปแบบหลัก ได้แก่ เมทริกซ์เพชรที่เผาจนแน่นทั้งชิ้น หรือแบบที่มีการยึดเพชรเข้ากับพื้นผิวของวัสดุรองรับ เมื่อทำงานกับวัสดุต่างๆ ขอบตัดที่เป็นเพชรจะทำการแยกพันธะของชิ้นงานออกโดยอาศัยแรงเฉือนเชิงกล แทนที่จะทำให้วัสดุละลายไป ซึ่งกระบวนการนี้สามารถสร้างพื้นผิวที่เรียบมาก บางครั้งมีค่าความหยาบผิวเพียง 0.02 ไมโครเมตร (Ra) เท่านั้น เมื่อเทียบกับเครื่องมือคาร์ไบด์ทั่วไป เครื่องมือที่ใช้เพชรจะคงความคมอยู่ได้นานกว่าประมาณ 10 ถึง 15 เท่าเมื่อใช้งานกับวัสดุที่กัดกร่อน ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น? เพราะเพชรนั้นมีความแข็งสูงถึงประมาณ 90 กิกะพาสกาล และสามารถนำความร้อนได้ดีถึงประมาณ 2,000 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน ส่งผลให้สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างการทำงาน ซึ่งช่วยรักษาระดับประสิทธิภาพและยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ

ประเภทของเครื่องมือตัดเพชร: PCD, CVD และแบบเคลือบเพชร

เครื่องมือตัดชนิดเพชรสามประเภทหลักที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรม ได้แก่

1. โพลีคริสตัลไลน์ไดมอนด์ (PCD) — อนุภาคเพชรที่เผาจนแน่นแล้วผสานกับทังสเตนคาร์ไบด์ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตัดแบบหยุดจังหวะในวัสดุคอมโพสิต
2. เครื่องมือเคลือบด้วยเพชรแบบ CVD — ชั้นของเพชรจากผลึกเดี่ยวที่เติบโตโดยใช้กระบวนการตกตะกอนจากไอเคมี (chemical vapor deposition) ใช้ในการกลึงชิ้นส่วนออปติกส์ความแม่นยำสูงพิเศษ
3. เครื่องมือที่มีการเคลือบด้วยเพชร — ฟิล์มเพชรความหนาไมครอนที่เคลือบลงบนพื้นผิวคาร์ไบด์โดยใช้กระบวนการ HFCVD (Hot Filament CVD) ซึ่งเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าต่อต้นทุนสำหรับงานกัดเซรามิก

เครื่องมือ PCD ทนต่อแรงตัดได้สูงถึง 700 นิวตันในการประมวลผลวัสดุเมทริกซ์โลหะ ในขณะที่รุ่น CVD สามารถบรรลุความแม่นยำ ±0.5 ไมโครเมตรในชิ้นส่วนอากาศยาน

กลไกการขจัดวัสดุในการกลึงด้วยเพชร

ในการประมวลผลวัสดุแข็ง เครื่องมือเพชรจะขจัดวัสดุด้วยวิธี:

• การตัดโหมดแบบเหนียว (สำหรับเซรามิกที่มีความลึกต่ำกว่าเกณฑ์สำคัญที่ 0.2 ไมโครเมตร)
• การแพร่กระจายของไมโครฟ랙เจอร์ ในวัสดุเปราะต่างๆ เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์
• การสึกหรอจากความร้อนและปฏิกิริยาเคมี ลดลงได้จากการนำความร้อนที่สูงของเพชร

กลไกการทำงานทั้งทางกลและทางความร้อนนี้ช่วยลดความเสียหายใต้ผิววัสดุลง 60—80% เมื่อเทียบกับการเจียรแบบเดิม ตามที่แสดงให้เห็นในการทดลองกัดเซอร์โคเนีย (Yuan et al., 2023)

การกลึงเซรามิก คอมโพสิต และคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะด้วยเครื่องมือเคลือบด้วยเพชร

เครื่องมือเคลือบด้วยเพชรได้กลายเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อทำงานกับวัสดุที่แข็งแกร่ง เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ และเซรามิกอลูมินา เนื่องจากเครื่องมือตัดทั่วไปไม่สามารถทนต่อความแข็งระดับ 8 ถึง 9.5 บนสเกลโมส์ได้ เครื่องมือพิเศษเหล่านี้สามารถรักษาระดับความแม่นยำสูงมากที่ประมาณบวกหรือลบ 0.005 มิลลิเมตร เมื่อตัดวัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์คาร์บอนที่ใช้ในระบบเบรกของรถยนต์ ซึ่งช่วยลดปัญหาการแยกชั้นของวัสดุลงได้ประมาณสองในสาม เมื่อเทียบกับเครื่องมือคาร์ไบด์ทั่วไป ตามการวิจัยจากสมาคมวิศวกรรมความแม่นยำในปี 2023 ส่วนในงานวัสดุคอมโพสิตที่มีโลหะเป็นแมทริกซ์ เช่น อลูมิเนียมผสมกับซิลิคอนคาร์ไบด์ การตัดด้วยเพชรช่วยให้ชิ้นส่วนคงรูปทรงทางมิติได้แม้มachines จะร้อนจัด บางครั้งสูงกว่า 400 องศาเซลเซียส รายงานจากอุตสาหกรรมระบุว่า ผู้ผลิตที่เปลี่ยนมาใช้เครื่องมือกัดปลายแบบเคลือบด้วยเพชร โดยทั่วไปจะเห็นค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนเครื่องมือลดลงประมาณหนึ่งในสาม เมื่อผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตจำนวนมาก

การกลึงความแม่นยำสูงพิเศษด้วยเครื่องมือเพชรในอุตสาหกรรมการบินและทางการแพทย์

อุตสาหกรรมการบินใช้เครื่องมือเพชรแบบผลึกเดี่ยวเมื่อทำงานกับใบพัดเทอร์ไบน์อินโคเนล โดยสามารถทำผิวเรียบได้ต่ำกว่า Ra 0.2 ไมครอน ซึ่งช่วยลดแรงต้านอากาศระหว่างการบิน สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ผู้ผลิตเลือกใช้เครื่องมือเพชรแบบโพลีคริสตัลไลน์ (PCD) เพื่อกลึงชิ้นงานไทเทเนียมสำหรับข้อความหลัง ซึ่งเครื่องมือเหล่านี้ให้ความแม่นยำในการจัดตำแหน่งได้ประมาณ 3 ไมครอน ถือว่าอยู่ในเกณฑ์ที่เพียงพอตามข้อกำหนดของ FDA ที่กำหนดไว้ที่ 5 ไมครอน สำหรับพื้นผิวที่สัมผัสกับร่างกาย ตามรายงานอุตสาหกรรมล่าสุดในปี 2024 บริษัทที่เปลี่ยนมาใช้เครื่องมือเพชรพบว่ากระบวนการกลึงมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นประมาณ 28% ในการผลิตเลนส์ออปติก การปรับปรุงนี้ช่วยให้สามารถบรรลุระดับความเรียบได้อย่างแม่นยำสูงมาก ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานเลเซอร์ความแม่นยำสูง

การปรับปรุงคุณภาพผิวในการกลึงวัสดุแข็งโดยใช้เครื่องมือ PCD

เครื่องมือที่ทำจากโพลีคริสตัลไลน์ไดอะมอนด์ (PCD) สามารถลดความหยาบของพื้นผิวได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือเคลือบ CVD แบบเดิม ขณะทำการกัดวัสดุทังสเตนคาร์ไบด์ เครื่องมือเหล่านี้สามารถทำค่า Ra ต่ำกว่า 0.08 ไมโครเมตร ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแม่พิมพ์และตายที่ต้องการพื้นผิวเรียบเสมือนกระจก เมื่อพิจารณาถึง PCD แบบหลายชั้นที่มีอนุภาคไดอะมอนด์ขนาดระหว่าง 8 ถึง 12 ไมโครเมตร จะพบว่ามีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นอย่างมาก การทดสอบแสดงให้เห็นว่าเครื่องมือเหล่านี้ยังคงประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ โดยมีความแปรปรวนของพื้นผิวไม่เกิน 2% ตลอดรอบการตัดประมาณ 1,200 รอบ เมื่อทำงานกับพลาสติกเสริมใยแก้ว อายุการใช้งานที่ยืดยาวขึ้นนี้ทำให้เครื่องมือเหล่านี้มีคุณค่าอย่างยิ่งต่อผู้ผลิตที่จัดการกับวัสดุคอมโพสิต ซึ่งความสม่ำเสมอมีความสำคัญสูงสุด

การประเมินสมรรถนะและความต้านทานการสึกหรอของเครื่องมือตัดที่เคลือบด้วยเพชร

วิธีการประเมินสมรรถนะการตัด: การสึกหรอบริเวณด้านหลัง, การทดสอบแรงเสียดทาน และการทดลองกัด

เมื่อประเมินเครื่องมือตัดเพชร ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมมักพิจารณาปัจจัยหลักสามประการ ได้แก่ การสึกหรอของด้านข้าง (flank wear) สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน และสมรรถนะระหว่างการกัดโลหะจริง โดยตัวอย่างเช่น เมื่อทำงานกับวัสดุคอมโพสิตคาร์ไบด์ซิลิคอน เครื่องมือ PCD มักแสดงอาการสึกหรอของด้านข้างที่ประมาณ 0.02 มม. หลังจากการกลึงต่อเนื่องประมาณสองชั่วโมง ซึ่งดีกว่าเครื่องมือคาร์ไบด์ทั่วไปประมาณ 63% ตามการศึกษาของโปนีแมนเมื่อปีที่แล้ว นอกจากนี้ การทดสอบบนเซรามิกส์ไซโบรเนียยังเปิดเผยข้อมูลที่น่าสนใจอีกด้วย เครื่องกัดปลายที่เคลือบด้วยเพชรสามารถรักษาระดับสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำกว่า 0.15 ขณะทำการกัดแบบแห้ง หมายความว่าสร้างความร้อนน้อยกว่าเครื่องมือที่ไม่มีการเคลือบมาก ซึ่งส่งผลอย่างมากต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือและคุณภาพของชิ้นงาน

พฤติกรรมการสึกหรอและการลอกตัวของชั้นเคลือบในเครื่องมือที่เคลือบด้วยเพชร

การลอกชั้นเป็นรูปแบบความล้มเหลวหลักของเคลือบผิวด้วยเพชร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำการกลึงโลหะผสมเหล็ก การศึกษาทางโลหะวิทยาแสดงให้เห็นว่า กระบวนการเคลือบด้วยไอเคมี (CVD) ที่ได้รับการปรับแต่งสามารถลดความเสี่ยงของการลอกชั้นได้ 38% โดยการเพิ่มประสิทธิภาพในการเตรียมพื้นผิวก่อนเคลือบ การวิเคราะห์การขยายตัวของไมโครครากระบุว่า เคลือบผิวด้วยเพชรแบบหลายชั้นมีความสามารถในการทนต่อแรงเฉือนได้สูงกว่าแบบชั้นเดียว 27% ก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวที่บริเวณรอยต่อ

ความเหนียวต่อการแตกหักของชั้นเคลือบผิวด้วยเพชรภายใต้สภาวะการกลึงที่มีแรงกดสูง

ภายใต้สภาวะการกลึงความเร็วสูง (≥ 800 เมตร/นาที) ชั้นเคลือบผิวด้วยเพชรมีค่าความเหนียวต่อการแตกหักเกินกว่า 8 เมกะปาสกาลรากที่สองของเมตร ซึ่งช่วยรักษาความสมบูรณ์ของขอบตัดในระหว่างการประมวลผลวัสดุเปราะ การทดสอบความคงตัวทางความร้อนแสดงให้เห็นว่าชั้นเคลือบเหล่านี้ยังคงความแข็งได้ 91% เมื่อเทียบกับที่อุณหภูมิห้องที่ 600°C เมื่อเทียบกับเครื่องมือคาร์ไบด์ทังสเตนที่คงไว้ได้เพียง 62%

สมรรถนะของเครื่องมือภายใต้สภาวะการกลึง: ผลกระทบจากความร้อนและการสั่นสะเทือน

การตรวจสอบการสั่นสะเทือนความถี่สูงระหว่างการกลึงพอลิเมอร์ที่เสริมด้วยไฟเบอร์กลาสแสดงให้เห็นว่าดอกสว่านเคลือบด้วยเพชรสามารถลดแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนได้ 44% เมื่อเทียบกับเครื่องมือที่ไม่มีการเคลือบ คุณสมบัติการดูดซับแรงสั่นสะเทือนตามธรรมชาติของชั้นเคลือบด้วยเพชรทำให้ความหยาบผิวของชิ้นงาน (Ra) ลดลงจาก 1.2 ไมครอน เหลือเพียง 0.4 ไมครอน ในการกลึงอลูมิเนียมเกรดอากาศยาน

เครื่องมือเคลือบด้วยเพชร เทียบกับ เครื่องมือที่ไม่มีการเคลือบ: การเปรียบเทียบอายุการใช้งานและความต้านทานการสึกหรอ

ในการทดสอบการกลึงอย่างต่อเนื่องบนวัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์คาร์บอน เครื่องมือกัดปลายแบบเคลือบด้วยเพชรสามารถใช้งานได้นานกว่าเครื่องมือคาร์ไบด์ที่ไม่มีการเคลือบถึง 3.8 เท่า การวัดรัศมีขอบคมพบว่าเครื่องมือที่เคลือบด้วยเพชรมีการเปลี่ยนรูปน้อยลง 82% หลังจากการกลึงไทเทเนียมเป็นเวลา 8 ชั่วโมง ซึ่งช่วยรักษาระดับความแม่นยำในการตัดภายในค่าความคลาดเคลื่อน ±2 ไมครอน

การปรับแต่งกระบวนการเคลือบด้วยเพชรโดยใช้เทคโนโลยี HFCVD

HFCVD ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการยึดเกาะและความสม่ำเสมอของชั้นเคลือบด้วยเพชรได้อย่างไร

การสะสมฟิล์มแบบเคมีจากไอระเหยด้วยไส้ร้อน หรือ HFCVD ย่อมาจาก Hot Filament Chemical Vapor Deposition ทำให้ผู้ผลิตสามารถควบคุมการเติบโตของชั้นเคลือบเพชรได้ดีขึ้นมาก เพราะสามารถปรับแต่งแก๊สที่ใช้และอุณหภูมิของวัสดุพื้นฐานได้อย่างแม่นยำ การทดสอบในการกลึงเซอร์โคเนียแสดงให้เห็นว่า ชั้นเคลือบที่ผลิตด้วยวิธีนี้ยึดเกาะกับพื้นผิวได้แข็งแรงกว่าวิธี CVD แบบปกติประมาณ 34 เปอร์เซ็นต์ ตามรายงานการวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วในวารสาร Materials Today สิ่งที่ทำให้ HFCVD โดดเด่นคือความสามารถในการกระจายชั้นเคลือบอย่างสม่ำเสมอบนเครื่องมือที่มีรูปร่างซับซ้อน โดยรักษาระดับความแปรปรวนไม่เกิน ±2 ไมโครเมตรตลอดทั้งชิ้นงาน ขณะเดียวกันยังคงรักษาขอบที่แหลมคมเหมือนใบมีดไว้ได้ วิศวกรสามารถปรับอัตราส่วนของมีเทนและไฮโดรเจนเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของชั้นเคลือบให้เกิน 98 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งช่วยลดการเกิดรอยแตกเล็กๆ ภายใต้สภาวะการกัดกร่อนอย่างรุนแรงที่เครื่องมือต้องเผชิญกับแรงเครียดอย่างต่อเนื่อง

สมรรถนะของชั้นเคลือบเพชรแบบหลายชั้น สองชั้น และชั้นเดียวในการกลึงเซรามิกเซอร์โคเนีย

การศึกษาล่าสุดเปิดเผยว่ามีความแตกต่างอย่างชัดเจนในด้านประสิทธิภาพระหว่างโครงสร้างเคลือบผิวด้วยเพชรเมื่อใช้กลึงเซอโคเนีย 3Y-TZP:

การเคลือบหลายชั้นให้อายุการใช้งานของเครื่องมือยาวนานกว่าแบบชั้นเดียวถึง 40% เนื่องจากมีการกระจายแรงเครียดที่ดีกว่า โครงสร้างชั้นนาโนผลึกและไมโครผลึกที่สลับกันสามารถดูดซับพลังงานการสั่นสะเทือนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้รักษาระดับผิวสัมผัสได้ที่ ≤ 0.35 ไมครอน Ra ตลอด 85% ของอายุการใช้งานเครื่องมือ ตามที่ยืนยันแล้วจากการทดลองกัดด้วยความเร็วสูง