Novel Hybrid Composite Spindle Shaft for Horizontal Peripheral Milling: A Dynamic Behavior Analysis and Surface Roughness Assessment

भारी विनिर्माण (heavy manufacturing) की दुनिया में, चिकनी, तेज़ और अधिक सटीक मशीनिंग की खोज कंपन के विरुद्ध एक निरंतर संघर्ष है। जब एक मशीन टूल धातु या प्लास्टिक को काटता है, तो वह शांति से नहीं फिसलता; वह प्रति सेकंड हजारों बार सामग्री से टकराता है। ये बार-बार होने वाले प्रभाव एक लयबद्ध थरथराहट पैदा करते हैं, जो बिल्कुल एक ढोल की थाप की तरह होती है, जो मशीन के फ्रेम के माध्यम से यात्रा कर सकती है। यदि यह थरथराहट बहुत अधिक बढ़ जाती है, तो यह कट को धुंधला कर देती है, जिससे वर्कपीस पर खुरदरी सतह रह जाती है और कटिंग टूल समय से पहले घिस जाता है। दशकों तक, इंजीनियरों ने इसे मशीन में झटके को सोखने के लिए भारी, जटिल उपकरण जोड़कर, या भारी, सख्त धातु के पुर्जों का उपयोग करके जो झुकने का विरोध कर सकें, हल करने की कोशिश की है। हालाँकि, एक अलग दृष्टिकोण के प्रति बढ़ती रुचि है: मशीन के अपने चलते हुए पुर्जों को ऐसे पदार्थों से बनाना जो स्वाभाविक रूप से ऊर्जा को सोख लेते हैं, जिससे टूल स्वयं एक शॉक एब्जॉर्बर (झटका सोखने वाला यंत्र) बन जाता है।

यह वही चुनौती है जिसे ब्राजील के इंस्टिट्यूटो टेक्नोलॉजिकल डी एरोनॉटिका के शोधकर्ताओं ने हल करने का प्रयास किया। उन्होंने 'पेरिफेरल मिलिंग' नामक एक विशिष्ट प्रकार के कटिंग ऑपरेशन पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ एक डिस्क के आकार का कटर एक ब्लॉक में खांचे या सपाट सतह बनाने के लिए क्षैतिज रूप से घूमता है। इस प्रक्रिया में, वह घूमने वाला शाफ्ट जो कटर को थामे रखता है, सिस्टम का हृदय होता है। टीम ने एक सरल लेकिन कठिन प्रश्न पूछा: क्या होगा यदि वे पारंपरिक, ठोस स्टील शाफ्ट को कार्बन फाइबर से बने एक खोखले शाफ्ट से बदल दें, जो एक ऐसा पदार्थ है जो हल्का होने के साथ-साथ कंपन को कम करने की स्वाभाविक क्षमता के लिए जाना जाता है? उन्होंने इसे केवल कंप्यूटर पर सिम्युलेट नहीं किया; उन्होंने एक कस्टम हाइब्रिड शाफ्ट बनाया, उसे एक वास्तविक मिलिंग मशीन में लगाया, और यह देखने के लिए कि यह मूल स्टील संस्करण की तुलना में कैसा प्रदर्शन करता है, इसे नायलॉन के ब्लॉकों को काटने के काम में लगाया।

शोधकर्ताओं ने एक नया शाफ्ट बनाया जो पुराने वाले के समान दिखता था लेकिन आंतरिक रूप से मौलिक रूप से भिन्न था। जबकि मूल स्टील शाफ्ट लगभग 2.4 किलोग्राम वजन का एक ठोस रॉड था, नया संस्करण एपॉक्सी रेजिन में लिपटे कार्बन फाइबर की परतों से बना एक खोखला ट्यूब था, जिसके सिरे मशीन में फिट होने के लिए स्टील के थे। इस डिज़ाइन ने नए शाफ्ट का वजन केवल एक किलो से थोड़ा अधिक कर दिया, जो आधे से भी अधिक की कमी थी। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि कार्बन फाइबर सामग्री में एक अनूठी आंतरिक गुणवत्ता थी जिसने इसे स्टील की तुलना में ऊर्जा को कहीं बेहतर तरीके से नष्ट करने की अनुमति दी। जब टीम ने डैम्पिंग (कंपन कम करने की) क्षमता का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि नया शाफ्ट स्टील की तुलना में लगभग सौ गुना अधिक दर से कंपन को अवशोषित कर सकता है। इसके बाद उन्होंने स्पिंडल की गति, टेबल की गति और कटर की गहराई को बदलते हुए, कटिंग परीक्षणों की एक श्रृंखला चलाई।

परिणामों ने काम के स्तर के आधार पर दो बहुत अलग व्यवहारों की कहानी बताई। जब शोधकर्ताओं ने मशीन को उच्च गति पर धकेला, जिसमें कटर को 1,560 आरपीएम (revolutions per minute) पर घुमाया गया, तो कार्बन फाइबर शाफ्ट एक बेहतर प्रदर्शन करने वाला साबित हुआ। इन उच्च-ऊर्जा स्थितियों में, शाफ्ट ने एक निष्क्रिय फिल्टर की तरह कार्य किया, जो उन उच्च-आवृत्ति के झटकों को चुपचाप सोख लेता है जो आमतौर पर सतह की फिनिश को खराब कर देते हैं। सबसे कठिन कटिंग स्थितियों के तहत, जहाँ टूल ने सामग्री की एक बड़ी मात्रा हटाई, नए शाफ्ट ने सतह के उभारों और गड्ढों पर काफी चिकनी सतह प्रदान की। विशेष रूप से, सतह पर सबसे गहरे निशान (scratches) लगभग 28 प्रतिशत कम हो गए, और सतह की अनियमितताओं की कुल ऊंचाई स्टील शाफ्ट की तुलना में 34 प्रतिशत से अधिक गिर गई। कार्बन फाइबर शाफ्ट ने उन तीव्र, अनुनाद (resonant) कंपनों को सफलतापूर्वक दबा दिया जिन्हें स्टील का शाफ्ट नहीं संभाल सका, जिससे एक साफ कट प्राप्त हुआ।

हालाँकि, यह कहानी हर स्थिति में नए पदार्थ की सरल विजय नहीं थी। जब शोधकर्ताओं ने मशीन की गति धीमी की या फीड रेट को बहुत कम स्तर तक कम किया, तो स्टील का शाफ्ट वास्तव में बेहतर प्रदर्शन करता था। इन धीमी, कोमल कटिंग मोड में, शामिल बल अलग थे; तीखे प्रभावों के बजाय, टूल सामग्री के विरुद्ध रगड़ने और खुरचने लगा। क्योंकि कार्बन फाइबर शाफ्ट स्टील की तुलना में हल्का और थोड़ा अधिक लचीला था, इस रगड़ के कारण इसमें मुड़ने और उछलने की प्रवृत्ति हुई जिससे एक खुरदरी, असमान सतह बन गई। स्टील का शाफ्ट, भारी और सख्त होने के कारण, इस मुड़ने का विरोध करता था और एक चिकनी फिनिश बनाए रखता था। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक विशिष्ट कम गति और कम फीड रेट पर, कार्बन फाइबर शाफ्ट ने सतह की गुणवत्ता को बहुत खराब कर दिया, जिसमें रफनेस मेट्रिक्स (roughness metrics) नाटकीय रूप से बढ़ गए। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि टूल सफाई से कट नहीं रहा था बल्कि सामग्री के माध्यम से रास्ता बना रहा था, और लचीले शाफ्ट ने इस अस्थिरता को बढ़ा दिया।

कटिंग के दौरान शाफ्ट की गति को मैप करके, टीम ने देखा कि दोनों सामग्रियां वास्तव में कैसे व्यवहार करती हैं। स्टील का शाफ्ट एक स्थिर, अनुमानित घेरे में घूमता था, जबकि कार्बन फाइबर शाफ्ट ने अपने किनारे पर छोटी लहरों के साथ एक अधिक जटिल, झटकेदार पथ दिखाया। फिर भी, इन छोटी लहरों के बावजूद, कार्बन फाइबर शाफ्ट उच्च बलों के दौरान अपने इच्छित केंद्र की स्थिति के करीब रहा, जबकि स्टील का शाफ्ट केंद्र से दूर चला गया। कट के झटके को अवशोषित करते हुए केंद्र के करीब रहने की यह क्षमता ही इसकी सफलता की कुंजी थी। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह हल्का, स्व-डैम्पिंग (self-damping) शाफ्ट उच्च गति वाले विनिर्माण के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली उपकरण है, बशर्ते ऑपरेटर उन विशिष्ट कम-गति वाली स्थितियों से बचे जहाँ सामग्री का लचीलापन एक नुकसान बन जाता है। यह उद्योग को भारी, बाहरी कंपन डैम्पर्स की आवश्यकता के बिना, केवल शाफ्ट की सामग्री को बदलकर, उच्च उत्पादकता और बेहतर सतह गुणवत्ता प्राप्त करने का एक नया मार्ग प्रदान करता है।