Oxygen-Assisted Truncation of Coarse-Grained Electroplated CBN Grinding Wheels for Ultra-Smooth Grinding of Bearing Steel

في عالم الهندسة الدقيقة، غالبًا ما تكون سطح قطعة معدنية أكثر أهمية من القطعة نفسها. فبالنسبة لمكونات مثل الكرات الفولاذية داخل المحمل (الرولمان بلي)، تحدد نعومة السطح مدى طول عمر الآلة، ومدى هدوء تشغيلها، وكمية الطاقة التي تهدرها في محاربة الاحتكاك. ولتحقيق تشطيب ناعم بما يكفي ليُقاس بأجزاء من المليار من المتر، يعتمد المصنعون تقليديًا على عملية بطيئة متعددة الخطوات؛ حيث يقومون بجلخ المعدن، ثم صقله (lapping)، ثم تلميعه، وأخيرًا إنهاء سطحه بدقة فائقة (superfinishing). وبينما تحقق هذه الطريقة نتائج ممتازة، إلا أنها تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة. وقد سعى المهندسون منذ زمن طويل لإيجان طريقة لتخطي الخطوات الوسطى والانتقال مباشرة من الجلخ الخشن إلى تشطيب يشبه المرآة، لكن الأدوات المطلوبة لمثل هذه القفزة كانت صعبة التحكم.

يكمن التحدي في طبيعة حجر الجلخ نفسه. فلكي يزيل الحجر المادة بسرعة، يحتاج إلى حبيبات خشنة وكبيرة من المواد الكاشطة. ومع ذلك، فإن هذه الحبيبات الكبيرة غير متساوية بطبيعتها؛ فبعضها يبرز أكثر من غيره. وعندما يدور الحجر، تحفر الحبيبات الأكثر بروزًا أخاديد عميقة ومسننة في المعدن، بينما لا تفعل الحبيبات الأقصر شيئًا. وهذا يخلق سطحًا مغطى بأخاديد عميقة، وهو عكس النعومة المطلوبة للمحامل عالية الدقة. لذا، فإن الهدف هو أخذ حجر يحتوي على هذه الحبيبات الكبيرة والعدوانية، وجعل رؤوسها مسطحة بطريقة ما بحيث تستقر جميعها عند نفس الارتفاع، مما يحول مجموعة فوضوية من أدوات الحفر إلى حافة قطع موحدة ومسطحة. وإذا أمكن تحقيق ذلك، يمكن للحجر إزالة المادة بسرعة دون ترك الندوب العميقة التي تتطلب عادةً ساعات من التلميع.

لقد طور باحثون في جامعة كوماموتو ومعهد كوماموتو للبحوث الصناعية طريقة لتحقيق هذا التوازن باستخدام نوع معين من الحجر الكاشط وحيلة كيميائية بسيطة ولكنها قوية. فقد ركزوا على أحجار مصنوعة من نيتريد البورون المكعب، وهي مادة اصطناعية تقترب صلابتها من صلابة الماس ومثالية لجلخ الفولاذ المقسى. غالبًا ما تكون هذه الأحجار مطلية كهربائيًا، مما يعني أن الحبيبات الكاشطة مثبتة في رابط معدني، وتأتي بدرجات خشنة ذات حبيبات كبيرة مصممة لإزالة المواد بكثافة. واكتشف الفريق أنه من خلال إدخال تيار من الأكسجين مباشرة إلى نقطة التلامس بين الحجر وسطح زجاجي ناعم، يمكنهم تآكل رؤوس أقسى الحبيبات في الحجر كيميائيًا.

لفهم كيفية عمل ذلك، نظر الباحثون أولاً إلى الحطام المجهري المتبقي عندما يتم فرك كتلة من هذه المادة الكاشطة مقابل لوح من زجاج الكوارتز. ووجدوا أن الجسيمات الصغيرة من البورون والنيتروجين من المادة الكاشطة كانت مختلطة مع الأكسجين بطريقة تشير إلى أن تفاعلًا كيميائيًا يعمل على تفكيك المادة. وقد أكد هذا أن الأكسجين كان يساعد في إذابة رؤوس الحبيبات بدلاً من مجرد تحطيمها ميكانيكيًا. ومع هذا الفهم، طبقوا تيار الأكسجين نفسه على حجر جلخ دوار يضغط على لوح زجاجي. عمل الأكسجين مثل مبرد لطيف وغير مرئي، حيث قام بتآكل أعلى نقاط الحبيبات الكاشطة بشكل انتقائي.

كانت نتائج هذه العملية المدعومة بالأكسجين قابلة للقياس وهامة. ففي بيئة قياسية بدون أكسجين إضافي، قامت العملية بتسطيح حوالي 2.91 بالمائة من رؤوس الحبيبات على سطح الحجر. وعند إضافة الأكسجين، ارتفع هذا الرقم إلى 4.08 بالمائة. والأهم من ذلك، أن ارتفاع المادة التي تمت إزالتها من الرؤوس زاد من حوالي 19 إلى 24. قد يبدو هذا فرقًا ضئيلًا، لكن في عالم الجلخ، كان ذلك يعني أن الحبيبات الأطول والأكثر ضررًا قد تم تقليمها بفعالية، مما خلق سطحًا تكون فيه حواف القطع أكثر تجانسًا. وقد تحقق الباحثون من ذلك بالنظر إلى الحجر تحت المجهر، حيث رأوا أن القمم الحادة والمسننة قد استُبدلت بمنصات مسطحة ومستوية.

جاء الاختبار الحقيقي عندما استخدموا هذا الحجر المعدل لجلخ فولاذ المحامل GCr15، وهو مادة شائعة للمحامل عالية الأداء. قاموا بضبط الآلة لتتحرك عبر الفولاذ بمعدل بطيء جدًا، وهو 3 لكل دورة كاملة للحجر. وعندما فحصوا السطح الناتج، كان الفرق مذهلاً. فقد ترك الحجر القياسي غير المعدل سطحًا مغطى بأخاديد واضحة وعميقة تتبع مسار الحجر، مع قياس خشونة يقارب 11. وفي المقابل، كان السطح الذي جُلخ بالحجر المقلّم بالأكسجين خاليًا من هذه المسارات العميقة؛ حيث حقق خشونة قدرها 3.149 نانومتر فقط، وهو مستوى من النعومة يضاهي أفضل النتائج من عمليات التلميع التقليدية متعددة الخطوات.

ربما كان الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو مدى صمود هذا السطح الناعم حتى عندما دفع الباحثون الآلة إلى أقصى حدودها. فقد زادوا عمق القطع، الذي يجعل السطح عادة أكثر خشونة، وصولًا إلى 500. وحتى عند هذا العمق العدواني، حيث كان الحجر يزيل كمية هائلة من المادة، ظل خشونة السطح النهائية منخفضة بشكل ملحوظ، حيث بلغت 10.555 نانومتر فقط. وأوضح الباحثون ذلك بالإشارة إلى أن الحجر يعمل في مناطق؛ حيث تقوم الحافة الخارجية للحجر بالعمل الشاق المتمثل في إزالة الجزء الأكبر من الفولاذ، بينما تعمل الرؤوس المسطحة والمقلّمة في وجه الحجر كأدوات الإنهاء النهائية. ولأن الرؤوس جميعها مصطفة عند نفس الارتفاع، فإنها تمسح فوق السطح بشكل موحد، مما يزيل التعرجات التي خلفها القطع الخشن، بغض النظر عن مدى عمق القطع الأولي.

ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضًا أن هناك حدًا لمدى فائدة التقطير (التقليم). فقد اختبر الفريق أحجارًا ذات كميات مختلفة من رؤوس الحبيبات المسطحة ووجدوا أنه بينما أدى القدر المتوسط من التسطيح إلى تحسين السطح، فإن الكثير من التسطيح جعل النتائج أسوأ في الواقع. فعندما تجاوزت مساحة الرؤوس المسطحة نقطة معينة، زادت قوة الجلخ بشكل كبير، وبدأت خشونة السطح في الارتفاع مرة أخرى. وهذا يشير إلى أن الحالة المثالية هي توازن دقيق: قدر كافٍ من التسطيح لمحاذاة حواف القطع ومنع الأخاديد العميقة، ولكن ليس كثيرًا بحيث يصبح الحجر ثقيلًا وغير مستقر. لقد أنتج الحجر ذو مساحة التقطير البالغة 2.91 بالمائة أنعم سطح، بينما أدت الأحجار ذات النسب المئوية الأعلى، والتي تصل إلى 5 بالمائة، إلى تشطيبات أكثر خشونة وقوى أكبر.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن الجمع بين سرعة الجلخ الخشن وتشطيب التلميع الدقيق باستخدام الأكسجين لتعديل شكل الحبيبات الكاشطة كيميائيًا. وهو يوفر مسارًا محتملاً لتصنيع أسطح المحامل عالية الجودة في خطوات أقل ووقت أقل. وبينما أشار الباحثون إلى أن نتائجهم تستند إلى اختبارات محددة وأن هناك حاجة لمزيد من العمل لفهم التفاعلات الكيميائية بشكل كامل وتأكيد هذه النتائج مع عينات أكثر، فإن الأدلة تشير إلى إمكانية واضحة. فمن خلال إضافة الأكسجين ببساطة إلى عملية الجلخ، تمكنوا من تحويل أداة خشنة وعدوانية إلى أداة دقيقة قادرة على إنشاء أسطح ناعمة بما يكفي للتطبيقات الأكثر تطلبًا.