Surface texturing of cutting inserts for turning of aluminium – Study of cutting forces, wear, chip formation and tool-chip contact

في عالم التصنيع، غالبًا ما يعتمد شكل المعدن الذي يتم تشكيله على حدة ومتانة الأداة التي تقوم بالقطع. فعندما تقطع آلة قطعة من معدن لين ولزج مثل الألمنيوم، تميل المادة إلى الالتصاق بالنصل، تمامًا كما يلتصق الطين الرطب بأصابع النحات. هذا الالتصاق يولد احتكاكًا، ويولد حرارة، ويسبب تآكل الأداة بسرعة أو كسرها. ولحل هذه المشكلة، حاول المهندسون منذ زمن طويل تغيير سطح أداة القطع، آملين أن يساعد نسيج معين في جعل المعدن ينزلق بعيدًا بسهما. الفكرة هي أنه من خلال نحت أنماط دقيقة في سطح الأداة، يمكن للمرء التحكم في كيفية تفتت المعدن، وتقليل القوة المطلوبة للقطع، والحفاظ على حدة الأداة لفترة أطول. لا يقتصر الأمر على صنع نصل أفضل فحسب؛ بل يتعلق بجعل عملية بناء السيارات والطائرات والآلات بأكملها أكثر كفاءة وأقل هدرًا.

قام فريق من الباحثين في فرنسا مؤخرًا بتطبيق هذا المفهوم باستخدام أداة دقيقة للغاية: ليزر الفيمتو ثانية. وهذا الليزر يطلق نبضات من الضوء قصيرة جدًا بحيث تستمر لمجرد جزء من كوادريليون من الثانية، مما يسمح له بنحت أنماط مجهرية في المواد الصلبة دون حرقها. ركز الفريق على قطع "تنجستن كاربايد" غير المغلفة، وهي النهايات الصغيرة القابلة للاستبدال المستخدمة في المخارط لتشكيل أجزاء الألمنيوم. لقد أنشأوا ثلاثة أنواع مختلفة من الأنسجة السطحية على الجزء المسطح العلوي لهذه الأدوات. تألف أحد الأنسجة من تموجات دقيقة للغاية تشبه الأمواج تُعرف بالهياكل السطحية الدورية المستحثة بالليزر. وتميز الآخر بخطوط متوازية أكبر. أما الثالث، فكان مزيجًا من كليهما، حيث جمع بين التموجات الصغيرة والمنخفضات المستديرة الصغيرة. ثم وضعوا هذه الأدوات في العمل لقطع سبيكة ألمنيوم محددة في بيئة رطبة، حيث يتم رش سائل تبريد على منطقة القطع، وقارنوا النتائج بأداة ناعمة قياسية.

كشفت النتائج أن نسيج الأداة أحدث فرقًا هائلاً في مدى طول عمر الأداة. فعندما قاس الباحثون التآكل في جانب الأداة الذي يحتك بالقطعة النهائية، وجدوا أن الأداة ذات التموجات الموجية الدقيقة تآكلت بنسبة أقل بنحو 92 بالمائة مقارنة بالأداة الناعمة. كما حققت الأداة ذات النمط المختلط من التموجات والمنخفضات أداءً استثنائيًا، حيث قللت التآكل بنسبة تقارب 80 بالمائة. ومع ذلك، فإن الأداة ذات الخطوط المتوازية الكبيرة لم تكن جيدة الحال؛ بل في الواقع، تآكلت بشكل أسرع من الأداة الناعمة. يشير هذا إلى أن حجم وشكل النسيج يهمان للغاية، وأن مجرد جعل السطح خشنًا ليس دائمًا هو الحل. لاحظ الباحثون أيضًا أن الأداة ذات التموجات الصغيرة منعت الألمنيوم من الالتصاق بسطحها بقدر ما فعلت الأدوات الأخرى، وهو عامل رئيسي في منع تضرر الأداة.

بينما تحسن التآكل في جانب الأداة بشكل كبير، فإن القوى المطلوبة لدفع الأداة عبر المعدن أخبرت قصة مختلفة قليًا. بقيت قوة القطع، وهي الدفعة الرئيسية اللازمة لشق المعدن، ثابتة إلى حد كبير لمعظم الأدوات ذات النسيج مقارلة بالناعمة. الاستثناء الوحيد كان الأداة ذات النمط المختلط من التموجات والمنخفضات، والتي تطلبت قوة أقل بنحو 7 بالمائة للقطع. ومع ذلك، زادت قوة دفع الأداة جانبيًا، والمعروفة بقوة التغذية، لجميع الأدوات ذات النسيج. ويعتقد الباحثون أن هذا يحدث لأن الأنسجة تغير كيفية ضغط شظية المعدن على الأداة، مما يخلق نوعًا مختلفًا من الاحتكاك. ومن المثير للاهتمام أن الأداة ذات الخطوط الكبيرة تسببت في جعل المعدن ينقسم (يشطر) بزاوية أكثر انحدارًا من الأدوات الأخرى، مما غير شكل شظية المعدن الناتجة.

لفهم سبب عمل هذه الأنسجة بهذه الطريقة، أجرى الفريق أيضًا عمليات محاكاة حاسوبية لنمذجة التلامس بين الأداة وشظية المعدن. أظهرت هذه المحاكاة أن التموجات الصغيرة والأنماط المختلطة سمحت للأداة بالحفاظ على مساحة تلامس أكبر مع المعدن دون أن تلتصق، مما يساعد في تفسير سبب انخفاض التآكل بهذا القدر. كما اقترحت المحاكاة أن الأنسجة قد تخلق قنوات صغيرة تساعد في إبعاد جزيئات التآكل الدقيقة التي تتكون أثناء القطع. وأشار الباحثون إلى أن الخشونة الأولية للأداة، الناتجة عن عملية التجليخ قبل استخدام الليزر، لعبت أيضًا دورًا في كيفية انزلاق المعدن عبر السطح. وهذا يعني أن الأداء النهائي للأداة ذات النسيج هو مزيج من الأنماط الجديدة وحالة السطح الأساسية.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما لا تقلل أدوات الليزر ذات النسيج دائمًا من قوة القطع الرئيسية، إلا أنها توفر طريقة قوية لإطالة عمر الأداة وتحسين جودة القطع. جاءت أفضل النتائج مع الأدوات ذات التموجات الأكثر دقة أو المزيج من التموجات والمنخفضات، والتي قللت بشكل كبير من التآكل والالتصاق. ويقترح الباحثون أن هذا النهج يمكن أن يحل محل الحاجة إلى الطلاءات الكيميائية الخاصة على أدوات القطع، والتي غالبًا ما تكون مكلفة ويمكن أن تضعف الحافة الحادة للنصل. وباستخدام الليزر لإنشاء هذه الأنماط، يمكن للمصنعين تقليل تكاليف الأدوات وتقليل الأثر البيئي لإنتاج أدوات جديدة. وبينما أُجريت الدراسة على أداة غير مغلفة بسيطة لمعرفة التأثير الصافي للنسيج، فإن النتائج تشير إلى مستقبل يكون فيه سطح أداة القطع مهندسًا بعناية للتعامل مع تحديات لزوجة المعادن اللينة.