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

In der Welt der Fertigung hängt die Art und Weise, wie Metall geformt wird, oft von der Schärfe und Haltbarkeit des schneidenden Werkzeugs ab. Wenn eine Maschine durch ein weiches, klebriges Metall wie Aluminium schneidet, neigt das Material dazu, am Schneidblatt zu haften, ähnlich wie nasser Ton an den Fingern eines Bildhauers klebt. Diese Adhäsion erzeugt Reibung, generiert Hitze und führt dazu, dass das Werkzeug schnell verschleißt oder bricht. Um dies zu lösen, versuchen Ingenieure seit langem, die Oberfläche des Schneidwerkzeugs zu verändern, in der Hoffnung, dass eine bestimmte Textur helfen könnte, das Metall leichter abgleiten zu lassen. Die Idee ist, dass man durch das Einritzen winziger Muster in die Oberfläche des Werkzeugs kontrollieren kann, wie das Metall wegspannt, die für den Schnitt benötigte Kraft reduziert und das Werkzeug länger scharf hält. Dies dient nicht nur dazu, eine bessere Klinge herzustellen; es geht darum, den gesamten Prozess des Baus von Autos, Flugzeugen und Maschinen effizienter und weniger verschwenderisch zu gestalten.

Ein Forschungsteam in Frankreich hat dieses Konzept kürzlich angewandt und dabei ein sehr präzises Werkzeug verwendet: einen Femtosekundenlaser. Dies ist ein Laser, der Lichtpulse aussendet, die so kurz sind, dass sie nur eine Billiardstel Sekunde dauern, was es ermöglicht, mikroskopische Muster in harte Materialien zu ritzen, ohne diese zu verbrennen. Das Team konzentrierte sich auf unbeschichtete Wolframkarbid-Wendelplatten, welche die kleinen, austauschbaren Spitzen sind, die in Drehmaschinen verwendet werden, um Aluminiumteile zu drehen. Sie erzeugten drei verschiedene Arten von Oberflächentexturen auf der flachen Oberseite dieser Werkzeuge. Eine Textur bestand aus extrem feinen, wellenartigen Rippeln, die als laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen bekannt sind. Eine andere zeichnete sich durch größere, parallele Linien aus. Die dritte war eine Kombination aus beidem, bei der die winzigen Rippel mit kleinen, runden Vertiefungen gemischt wurden. Sie setzten diese Werkzeuge dann beim Schneiden einer spezifischen Aluminiumlegierung in einer feuchten Umgebung ein, in der ein flüssiges Kühlmittel auf die Schneidzone gespritzt wird, und verglichen die Ergebnisse mit einem standardmäßigen, glatten Werkzeug.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Textur des Werkzeugs einen dramatischen Unterschied darin machte, wie lange das Werkzeug hielt. Als die Forscher den Verschleiß an der Seite des Werkzeugs maßen, die an dem fertigen Teil reibt, fanden sie heraus, dass das Werkzeug mit den winzigen, wellenartigen Rippeln fast 92 Prozent weniger verschlissen war als das glatte Werkzeug. Das Werkzeug mit dem gemischten Muster aus Rippeln und Vertiefungen schnitt ebenfalls außergewöhnlich gut ab und reduzierte den Verschleiß um fast 80 Prozent. Das Werkzeug mit den größeren, parallelen Linien kam jedoch nicht so gut zurecht; tatsächlich verschliss es schneller als das glatte Werkzeug. Dies deutet darauf hin, dass die Größe und Form der Textur eine immense Bedeutung haben und dass es nicht immer die Lösung ist, eine Oberfläche einfach nur rauer zu machen. Die Forscher beobachteten auch, dass das Werkzeug mit den winzigen Rippeln das Aluminium weniger stark an seiner Oberfläche haften ließ als die anderen Werkzeuge, was ein Schlüsselfaktor ist, um das Werkzeug vor Beschädigungen zu schützen.

Während der Verschleiß an der Seite des Werkzeugs signifikant verbessert wurde, erzählten die für das Durchdringen des Metalls erforderlichen Kräfte eine etwas andere Geschichte. Die Schnittkraft, also der Hauptschub, der benötigt wird, um das Metall zu schneiden, blieb für die meisten texturierten Werkzeuge im Vergleich zum glatten Werkzeug weitgehend gleich. Die einzige Ausnahme war das Werkzeug mit dem gemischten Muster aus Rippeln und Vertiefungen, welches etwa 7 Prozent weniger Kraft zum Schneiden benötigte. Die Kraft, die das Werkzeug zur Seite drückt, bekannt als Vorschubkraft, stieg jedoch für alle texturierten Werkzeuge an. Die Forscher glauben, dass dies geschieht, weil die Texturen die Art und Weise verändern, wie der Metallspan gegen das Werkzeug drückt, wodurch eine andere Art von Reibung entsteht. Interessanterweise bewirkte das Werkzeug mit den größeren Linien, dass das Metall in einem steileren Winkel abscherte, was die Form des produzierten Metallspans veränderte.

Um zu verstehen, warum diese Texturen so funktionierten, wie sie es taten, führten die Forscher auch Computersimulationen durch, die den Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Metallspan modellierten. Diese Simulationen zeigten, dass die winzigen Rippel und die gemischten Muster es dem Werkzeug ermöglichten, eine größere Kontaktfläche mit dem Metall aufrechtzuerhalten, ohne stecken zu bleiben, was erklärt, warum der Verschleiß so viel geringer war. Die Simulationen deuteten auch darauf hin, dass die Texturen winzige Kanäle schaffen könnten, die helfen, die winzigen Partikel des Abriebs, die beim Schneiden entstehen, abzutransportieren. Die Forscher merkten an, dass auch die ursprüngliche Rauheit des Werkzeugs, die durch den Schleifprozess vor der Verwendung des Lasers verursacht wurde, eine Rolle dabei spielte, wie das Metall über die Oberfläche glitt. Dies bedeutet, dass die endgültige Leistung eines texturierten Werkzeugs eine Kombination aus den neuen Mustern und dem zugrunde liegenden Oberflächenzustand ist.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese lasertexturierten Werkzeuge zwar nicht immer die Hauptschnittkraft reduzieren, aber eine leistungsstarke Möglichkeit bieten, die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern und die Qualität des Schnitts zu verbessern. Die besten Ergebnisse lieferten die Werkzeuge mit den feinsten Rippeln oder der Kombination aus Rippeln und Vertiefungen, die den Verschleiß und die Adhäsion drastisch reduzierten. Die Forscher schlagen vor, dass dieser Ansatz langfristig die Notwendigkeit spezieller chemischer Beschichtungen für Schneidwerkzeuge ersetzen könnte, die oft teuer sind und die scharfe Kante der Klinge abstumpfen können. Durch die Verwendung eines Lasers zur Erzeugung dieser Muster könnten Hersteller potenziell Geld bei den Werkzeugkosten sparen und die Umweltauswirkungen bei der Herstellung neuer Werkzeuge reduzieren. Obwohl die Studie an einem einfachen, unbeschichteten Werkzeug durchgeführt wurde, um den reinen Effekt der Textur zu untersuchen, deuten die Ergebnisse auf eine Zukunft hin, in der die Oberfläche eines Schneidwerkzeugs sorgfältig entwickelt wird, um die klebrigen Herausforderungen beim Bearbeiten weicher Metalle zu bewältigen.