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

सटीक इंजीनियरिंग (precision engineering) की दुनिया में, धातु के पुर्जे की सतह अक्सर स्वयं पुर्जे से अधिक महत्वपूर्ण होती है। बेयरिंग के भीतर स्टील की गेंदों जैसे घटकों के लिए, सतह की चिकनाई यह तय करती है कि मशीन कितने समय तक चलेगी, वह कितनी शांति से चलेगी, और वह घर्षण से लड़ने में कितनी ऊर्जा बर्बाद करेगी। अरबों मीटर (billionths of a meter) में मापी जा सकने वाली चिकनी फिनिश प्राप्त करने के लिए, निर्माता पारंपरिक रूप से एक धीमी, बहु-चरणीय प्रक्रिया पर निर्भर करते हैं। वे धातु को ग्राइंड करते हैं, फिर उसे लैप करते हैं, फिर पॉलिश करते हैं, और अंत में सुपरफिनिश करते हैं। हालांकि यह विधि उत्कृष्ट परिणाम देती है, लेकिन यह समय लेने वाली और महंगी है। इंजीनियर लंबे समय से एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं जिससे वे बीच के चरणों को छोड़कर सीधे रफ ग्राइंड से दर्पण जैसी फिनिश तक पहुँच सकें, लेकिन ऐसी छलांग लगाने के लिए आवश्यक उपकरण नियंत्रित करना कठिन रहा है।

चुनौती ग्राइंडिंग व्हील की प्रकृति में निहित है। सामग्री को तेजी से हटाने के लिए, एक व्हील को अपघर्षक (abrasive) सामग्री के बड़े, तेज दानों की आवश्यकता होती है। हालांकि, ये बड़े दाने स्वाभाविक रूप से असमान होते हैं; कुछ दूसरों की तुलना में अधिक बाहर निकले होते हैं। जैसे ही व्हील घूमता है, सबसे ऊंचे दाने धातु में गहरे, ऊबड़-खाबड़ गड्ढे बना देते हैं, जबकि छोटे दानों का कोई प्रभाव नहीं पड़ता। यह एक ऐसी सतह बनाता है जो गहरे खांचों से भरी होती है, जो उच्च-परिशुद्धता वाले बेयरिंग के लिए आवश्यक चिकनाई के बिल्कुल विपरीत है। इसलिए, लक्ष्य एक ऐसे व्हील को लेना है जिसमें ये बड़े, आक्रामक दाने हों और किसी तरह उनके सिरों (tips) को समतल करना है ताकि वे सभी एक ही ऊंचाई पर बैठ सकें, जिससे एक अराजक खुदाई करने वाले औजारों के सेट को एक समान, सपाट काटने वाले किनारे में बदला जा सके। यदि यह किया जा सकता है, तो व्हील घंटों की पॉलिशिंग की आवश्यकता वाले गहरे निशान छोड़े बिना सामग्री को तेजी से हटा सकेगा।

शोधकर्ताओं ने कुमामोटो विश्वविद्यालय और कुमामोटो इंडस्ट्रियल रिसर्च इंस्टीट्यूट में एक विशिष्ट प्रकार के अपघर्षक व्हील और एक सरल, फिर भी शक्तिशाली, रासायनिक तरकीब का उपयोग करके इस संतुलन को प्राप्त करने का तरीका विकसित किया है। उन्होंने क्यूबिक बोरोन नाइट्राइड से बने व्हील्स पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक सिंथेटिक सामग्री है जो हीरे के लगभग समान कठोर है और कठोर स्टील को ग्राइंड करने के लिए आदर्श है। ये व्हील्स अक्सर इलेक्ट्रोप्लेटेड होते हैं, जिसका अर्थ है कि अपघर्षक दानों को एक धातु बॉन्ड द्वारा अपनी जगह पर रखा जाता है, और वे भारी सामग्री हटाने के लिए डिज़ाइन किए गए बड़े दानों के साथ मोटे ग्रेड में आते हैं। टीम ने पाया कि व्हील और एक नरम कांच की सतह के बीच संपर्क बिंदु पर ऑक्सीजन की एक धारा पेश करके, वे व्हील के सबसे कठोर दानों के सिरों को रासायनिक रूप से घिस सकते हैं।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, शोधकर्ताओं ने पहले उस सूक्ष्म मलबे (microscopic debris) का अध्ययन किया जो एक क्वार्ट्ज ग्लास प्लेट के खिलाफ इस अपघर्षक सामग्री के एक ब्लॉक को रगड़ने से पीछे रह गया था। उन्होंने पाया कि अपघर्षक से निकले बोरोन और नाइट्रोजन के नन्हे कण ऑक्सीजन के साथ इस तरह मिले हुए थे जो यह संकेत देते थे कि एक रासायनिक प्रतिक्रिया सामग्री को तोड़ रही है। इसने पुष्टि की कि ऑक्सीजन दानों के सिरों को केवल यांत्रिक रूप से तोड़ने के बजाय उन्हें घोलने में मदद कर रही थी। इस समझ के साथ, उन्होंने एक घूमने वाले ग्राइंडिंग व्हील को कांच की प्लेट के विरुद्ध दबाकर उसी ऑक्सीजन धारा का उपयोग किया। ऑक्सीजन ने एक सौम्य, अदृश्य फाइल की तरह काम किया, जो अपघर्षक दानों के उच्चतम बिंदुओं को चुनिчески घिस देता था।

इस ऑक्सीजन-सहायता प्राप्त प्रक्रिया के परिणाम मापने योग्य और महत्वपूर्ण थे। अतिरिक्त ऑक्सीजन के बिना एक मानक वातावरण में, प्रक्रिया ने व्हील की सतह पर लगभग 2.91 प्रतिशत दानों के सिरों को समतल किया। जब ऑक्सीजन मिलाई गई, तो वह संख्या बढ़कर 4.08 प्रतिशत हो गई। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि सिरों से हटाई गई सामग्री की ऊंचाई लगभग 19 से बढ़कर 24 हो गई। यह सुनने में बहुत छोटा अंतर लग सकता है, लेकिन ग्राइंडिंग की दुनिया में, इसका मतलब था कि सबसे ऊंचे, सबसे अधिक नुकसानदेह दानों को प्रभावी रूप से काट दिया गया था, जिससे एक ऐसी सतह तैयार हुई जहां काटने वाले किनारे बहुत अधिक एक समान थे। शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे व्हील को देखकर इसकी पुष्टि की, जहाँ उन्होंने देखा कि नुकीले, ऊबड़-खाबड़ शिखरों को समतल, स्तरित प्लेटफार्मों द्वारा बदल दिया गया था।

असली परीक्षण तब आया जब उन्होंने इस संशोधित व्हील का उपयोग GCr15 बेयरिंग स्टील, जो उच्च-प्रदर्शन वाले बेयरिंग के लिए एक सामान्य सामग्री है, को ग्राइंड करने के लिए किया। उन्होंने मशीन को व्हील के प्रत्येक पूर्ण चक्कर के लिए केवल 3 की दर से बहुत धीमी गति से स्टील के ऊपर चलाने के लिए सेट किया। जब उन्होंने सतह का परीक्षण किया, तो अंतर चौंकाने वाला था। एक मानक, बिना संशोधित व्हील ने एक ऐसी सतह छोड़ी जो व्हील के पथ का अनुसरण करने वाले स्पष्ट, गहरे खांचों से भरी थी, जिसकी खुरदरापन (roughness) माप लगभग 11 थी। इसके विपरीत, ऑक्सीजन-ट्रंकेटेड (oxygen-truncated) व्हील द्वारा ग्राइंड की गई सतह इन गहरे निशानों से मुक्त थी। इसने केवल 3.149 नैनोमीटर की खुरदरापन प्राप्त की, जो एक ऐसा स्तर है जो पारंपरिक, बहु-चरणीय पॉलिशिंग प्रक्रियाओं के सर्वोत्तम परिणामों की बराबरी करता है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि यह चिकनी सतह कितनी मजबूत बनी रही, यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने मशीन को अपनी सीमाओं तक धकेला। उन्होंने कट की गहराई बढ़ाई, जो आमतौर पर सतह को अधिक खुरदरा बना देती है, जिसे 500 तक बढ़ाया गया। इस आक्रामक गहराई पर भी, जहाँ व्हील भारी मात्रा में सामग्री निकाल रहा था, अंतिम सतह की खुरदरापन उल्लेखनीय रूप से कम रही, जो केवल 10.555 नैनometers मापी गई। शोधकर्ताओं ने इसे समझाते हुए कहा कि व्हील अलग-अलग क्षेत्रों (zones) में काम करता है। व्हील का बाहरी किनारा भारी काम करता है, स्टील का मुख्य हिस्सा हटाता है, जबकि व्हील के चेहरे पर स्थित सपाट, ट्रंकेटेड (काटे गए) सिरे अंतिम फिनिशर के रूप में कार्य करते हैं। क्योंकि सभी सिरे एक ही ऊंचाई पर संरेखित हैं, वे सतह के ऊपर समान रूप से चलते हैं, और प्रारंभिक कट कितना भी गहरा क्यों न हो, वे अनियमितताओं को मिटा देते हैं।

हालाँकि, अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ट्रंकेशन (कटाई) का लाभ उठाने की एक सीमा है। टीम ने विभिन्न मात्रा में चपटे दानों वाले व्हील्स का परीक्षण किया और पाया कि हालांकि मध्यम मात्रा में चपटापन सतह में सुधार करता है, बहुत अधिक चपटापन वास्तव में परिणामों को बदतर बना देता है। जब चपटे सिरों का क्षेत्र एक निश्चित बिंदु से आगे बढ़ गया, तो ग्राइंडिंग बल काफी बढ़ गया, और सतह की खुरदरापन फिर से बढ़ने लगी। यह सुझाव देता है कि आदर्श स्थिति एक सावधानीपूर्वक संतुलन है: काटने वाले किनारों को संरेखित करने और गहरे खांचों को रोकने के लिए पर्याप्त चपटापन, लेकिन इतना भी नहीं कि व्हील बहुत भारी और अस्थिर हो जाए। 2.91 प्रतिशत के ट्रंकेशन क्षेत्र वाले व्हील ने सबसे चिकनी सतह बनाई, जबकि 5 प्रतिशत तक के उच्च प्रतिशत वाले व्हील के परिणामस्वरूप अधिक खुरदरी फिनिश और उच्च बल प्राप्त हुआ।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि ऑक्सीजन का उपयोग करके काटने वाले दानों के आकार को रासायनिक रूप से ट्यून करके, तेज़ ग्राइंडिंग की गति और परिशुद्धता पॉलिशिंग की फिनिश को मिलाना संभव है। यह कम चरणों और कम समय में उच्च गुणवत्ता वाली बेयरिंग सतहों के निर्माण का एक संभावित मार्ग प्रदान करता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके निष्कर्ष विशिष्ट परीक्षणों पर आधारित हैं और रासायनिक प्रतिक्रियाओं को पूरी तरह से समझने और इन परिणामों की पुष्टि करने के लिए और अधिक कार्य की आवश्यकता है, साक्ष्य एक स्पष्ट संभावना की ओर इशारा करते हैं। ग्राइंडिंग प्रक्रिया में ऑक्सीजन जोड़कर, वे एक रफ, आक्रामक उपकरण को एक सटीक उपकरण में बदलने में सक्षम रहे जो ऐसी सतहें बनाने में सक्षम है जो सबसे मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए भी पर्याप्त चिकनी हैं।