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

En el mundo de la fabricación, la forma en que se da forma al metal a menudo depende de la nitidez y la durabilidad de la herramienta que realiza el corte. Cuando una máquina corta un metal suave y pegajoso como el aluminio, el material tiende a adherirse a la cuchilla, de forma muy parecida a como la arcilla húmeda se pega a los dedos de un escultor. Esta adhesión crea fricción, genera calor y provoca que la herramienta se desgaste rápidamente o se rompa. Para resolver esto, los ingenieros han intentado durante mucho tiempo cambiar la superficie de la herramienta de corte, con la esperanza de que una textura específica ayude a que el metal se deslice más fácilmente. La idea es que, al tallar diminutos patrones en la superficie de la herramienta, uno puede controlar cómo se desprende la viruta de metal, reducir la fuerza necesaria para cortar y mantener la herramienta afilada por más tiempo. No se trata solo de fabricar una mejor cuchilla; se trata de hacer que todo el proceso de construcción de coches, aviones y maquinaria sea más eficiente y menos costoso en términos de desperdicio.

Un equipo de investigadores en Francia aplicó recientemente este concepto utilizando una herramienta muy precisa: un láser de femtosegundo. Este es un láser que dispara pulsos de luz tan cortos que duran solo una milbillonésima de segundo, lo que permite tallar patrones microscópicos en materiales duros sin quemarlos. El equipo se centró en insertos de carburo de tungsteno sin recubrimiento, que son las pequeñas puntas reemplazables utilizadas en tornos para mecanizar piezas de aluminio. Crearon tres tipos diferentes de texturas superficiales en la parte superior plana de estas herramientas. Una textura consistía en ondulaciones extremadamente finas, similares a ondas, conocidas como estructuras superficiales periódicas inducidas por láser. Otra presentaba líneas paralelas más grandes. La tercera era una combinación de ambas, mezclando las diminutas ondulaciones con pequeños hoyuelos circulares. Luego, pusieron estas herramientas a trabajar cortando una aleación de aluminio específica en un entorno húmedo, donde se rocía un refrigerante líquido en la zona de corte, y compararon los resultados con una herramienta estándar y lisa.

Los resultados revelaron que la textura de la herramienta marcaba una diferencia drástica en cuánto duraba la misma. Cuando los investigadores midieron el desgaste en el lado de la herramienta que roza contra la pieza terminada, descubrieron que la herramienta con las diminutas ondulaciones en forma de onda se desgastó casi un 92 por ciento menos que la herramienta lisa. La herramienta con el patrón mixto de ondulaciones y hoyuelos también funcionó excepcionalmente bien, reduciendo el desgaste en casi un 80 por ciento. Sin embargo, la herramienta con las líneas paralelas más grandes no lo hizo tan bien; de hecho, se desgastó más rápido que la herramienta lisa. Esto sugiere que el tamaño y la forma de la textura importan inmensamente, y que simplemente hacer que una superficie sea más rugosa no siempre es la solución. Los investigadores también observaron que la herramienta con las diminutas ondulaciones evitaba que el aluminio se pegara a su superficie tanto como las otras herramientas, lo cual es un factor clave para evitar que la herramienta se dañe.

Si bien el desgaste en el lateral de la herramienta mejoró significamente, las fuerzas necesarias para empujar la herramienta a través del metal contaron una historia ligeramente diferente. La fuerza de corte, que es el empuje principal necesario para rebanar el metal, se mantuvo prácticamente igual para la mayoría de las herramientas texturizadas en comparación con la lisa. La única excepción fue la herramienta con el patrón mixto de ondulaciones y hoyuelos, que requirió aproximadamente un 7 por ciento menos de fuerza para cortar. Sin embargo, la fuerza que empuja la herramienta lateralmente, conocida como fuerza de avance, aumentó para todas las herramientas texturizadas. Los investigadores creen que esto sucede porque las texturas cambian la forma en que la viruta de metal presiona contra la herramienta, creando un tipo de fricción diferente. Curiosamente, la herramienta con las líneas más grandes hizo que el metal se cortara o se dividiera en un ángulo más pronunciado que las otras herramientas, lo que cambió la forma de la virilla de metal producida.

Para comprender por qué estas texturas funcionaron de esa manera, el equipo también realizó simulaciones por computadora que modelaban el contacto entre la herramienta y la viruta de metal. Estas simulaciones mostraron que las diminutas ondulaciones y los patrones mixtos permitían que la herramienta mantuviera un área de contacto mayor con el metal sin quedarse trabada, lo que ayuda a explicar por qué el desgaste fue mucho menor. Las simulaciones también sugirieron que las texturas podrían crear diminutos canales que ayudan a evacuar las diminutas partículas de residuos de desgaste que se forman durante el corte. Los investigadores señalaron que la rugosidad inicial de la herramienta, causada por el proceso de rectificado antes de usar el láser, también desempeñó un papel en cómo el metal se deslizaba sobre la superficie. Esto significa que el rendimiento final de una herramienta texturizada es una combinación de los nuevos patrones y la condición de la superficie subyacente.

El estudio concluye que, si bien estas herramientas texturizadas por láser no siempre reducen la fuerza de corte principal, ofrecen una forma poderosa de extender la vida útil de la herramienta y mejorar la calidad del corte. Los mejores resultados se obtuvieron con las herramientas de ondulaciones más finas o con la combinación de ondulaciones y hoyuelos, las cuales redujeron drásticamente el desgaste y la adhesión. Los investigadores sugieren que este enfoque podría eventualmente reemplazar la necesidad de recubrimientos químicos especiales en las herramientas de corte, que a menudo son costosos y pueden embotar el filo de la cuchilla. Al utilizar un láser para crear estos patrones, los fabricantes podrían potencialmente ahorrar dinero en costos de herramientas y reducir el impacto ambiental de la producción de nuevas herramientas. Aunque el estudio se realizó en una herramienta sencilla y sin recubrimiento para observar el efecto puro de la textura, los hallazgos apuntan hacia un futuro donde la superficie de una herramienta de corte se diseñe cuidadosamente para manejar los desafíos pegajosos del mecanizado de metales blandos.