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

विनिर्माण की दुनिया में, धातु को आकार देने का तरीका अक्सर काटने वाले उपकरण की तीक्ष्णता और स्थायित्व पर निर्भर करता है। जब कोई मशीन एल्युमीनियम जैसी नरम, चिपचिपी धातु को काटती है, तो सामग्री ब्लेड से चिपकने लगती है, ठीक वैसे ही जैसे गीली मिट्टी एक मूर्तिकार की उंगलियों से चिपक जाती है। यह आसंजन (adhesion) घर्षण पैदा करता है, ऊष्मा उत्पन्न करता है, और उपकरण को जल्दी घिसने या टूटने का कारण बनता है। इसे हल करने के लिए, इंजीनियरों ने लंबे समय से काटने वाले उपकरण की सतह को बदलने की कोशिश की है, इस उम्मीद में कि एक विशिष्ट बनावट धातु को आसानी से फिसलने में मदद कर सके। विचार यह है कि उपकरण की सतह पर सूक्ष्म पैटर्न उकेरकर, एक व्यक्ति यह नियंत्रित कर सकता है कि धातु कैसे अलग होती है, काटने के लिए आवश्यक बल को कम कर सकता है, और उपकरण को लंबे समय तक तेज रख सकता है। यह केवल एक बेहतर ब्लेड बनाने के बारे में नहीं है; यह कारों, विमानों और मशीनरी के निर्माण की पूरी प्रक्रिया को अधिक कुशल और कम बर्बादी वाला बनाने के बारे में है।

फ्रांस में शोधकर्ताओं के एक दल ने हाल ही में इस अवधारणा को एक बहुत ही सटीक उपकरण का उपयोग करके लागू किया है: एक फेम्टोसेकंड लेजर। यह एक ऐसा लेजर है जो प्रकाश के ऐसे पल्स (pulses) छोड़ता है जो इतने छोटे होते हैं कि वे एक क्वाड्रिलियनवें सेकंड तक चलते हैं, जिससे वे कठोर सामग्रियों को जलाए बिना उनमें सूक्ष्म पैटर्न उकेर सकते हैं। टीम ने अनकोटेड (uncoated) टंगस्टन कार्बाइड इंसर्ट्स पर ध्यान केंद्रित किया, जो खराद (lathes) में एल्युमीनियम के पुर्जों को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले छोटे, प्रतिस्थापनीय (replaceable) सिरे होते हैं। उन्होंने इन उपकरणों के सपाट ऊपरी हिस्से पर तीन अलग-अलग प्रकार की सतह बनावट (surface textures) बनाई। एक बनावट में अत्यंत महीन, लहरदार तरंगें थीं जिन्हें लेजर-प्रेरित आवधिक सतह संरचनाएं (laser-induced periodic surface structures) कहा जाता है। दूसरे में बड़ी, समानांतर रेखाएं थीं। तीसरा दोनों का मिश्रण था, जिसमें सूक्ष्म तरंगों को छोटे, गोल गड्ढों (dimples) के साथ मिलाया गया था। इसके बाद उन्होंने इन उपकरणों को एक गीले वातावरण में एक विशिष्ट एल्युमीनियम मिश्र धातु को काटने के लिए काम पर लगाया, जहाँ एक तरल शीतलक (coolant) को काटने वाले क्षेत्र पर छिड़का जाता है, और एक मानक, चिकने उपकरण के विरुद्ध तुलना की।

परिणामों से पता चला कि उपकरण की बनावट ने इस बात पर नाटकीय अंतर डाला कि उपकरण कितने समय तक चला। जब शोधकर्ताओं ने उपकरण के उस हिस्से पर घिसावट को मापा जो तैयार पुर्जे के साथ रगड़ता है, तो उन्होंने पाया कि सूक्ष्म, लहरदार तरंगों वाले उपकरण में चिकने उपकरण की तुलना में लगभग 92 प्रतिशत कम घिसावट हुई। तरंगों और गड्ढों वाले मिश्रित पैटर्न वाले उपकरण ने भी असाधारण रूप से प्रदर्शन किया, जिससे घिसावट में लगभग 80 प्रतिशत की कमी आई। हालांकि, बड़ी, समानांतर रेखाओं वाले उपकरण ने उतना अच्छा प्रदर्शन नहीं किया; वास्तव में, वह चिकने उपकरण की तुलना में तेजी से घिस गया। यह सुझाव देता है कि बनावट का आकार और रूप अत्यंत महत्वपूर्ण है, और केवल सतह को खुरदरा बनाना हमेशा समाधान नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि सूक्ष्म तरंगों वाले उपकरण ने एल्युमीनियम को अन्य उपकरणों की तुलना में अपनी सतह पर उतना चिपकने से रोका, जो उपकरण को क्षतिग्रस्त होने से बचाने में एक प्रमुख कारक है।

जबकि उपकरण के किनारे पर घिसावट में काफी सुधार हुआ, धातु के माध्यम से उपकरण को धकेलने के लिए आवश्यक बल ने थोड़ा अलग कहानी बताई। कटिंग फोर्स (cutting force), जो धातु को काटने के लिए मुख्य धक्का है, अधिकांश बनावट वाले उपकरणों के लिए चिकने उपकरण की तुलना में काफी हद तक समान रहा। एकमात्र अपवाद तरंगों और गड्ढों वाला मिश्रित पैटर्न वाला उपकरण था, जिसे काटने के लिए लगभग 7 प्रतिशत कम बल की आवश्यकता थी। हालांकि, फीड फोर्स (feed force), जो उपकरण को बगल से धकेलता है, सभी बनात्मक उपकरणों के लिए बढ़ गया। शोधकर्ता मानते हैं कि ऐसा इसलिए होता है क्योंकि बनावट धातु के चिप (chip) के उपकरण के विरुद्ध दबाव बनाने के तरीके को बदल देती है, जिससे एक अलग प्रकार का घर्षण पैदा होता है। दिलचस्प बात यह है कि बड़ी रेखाओं वाले उपकरण ने धातु को अन्य उपकरणों की तुलना में अधिक तीव्र कोण पर शीयर (shear) या विभाजित किया, जिससे उत्पादित धातु के चिप का आकार बदल गया।

यह समझने के लिए कि ये बनावटें कैसे काम करती थीं, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाया जिसने धातु के चिप और उपकरण के बीच के संपर्क का मॉडल बनाया। इन सिमुलेशन ने दिखाया कि सूक्ष्म तरंगों और मिश्रित पैटर्न ने उपकरण को धातु के साथ संपर्क के एक बड़े क्षेत्र को बनाए रखने की अनुमति दी बिना फंसे, जो यह समझाने में मदद करता है कि घिसावट इतनी कम क्यों थी। सिमुलेशन ने यह भी सुझाव दिया कि बनावट सूक्ष्म चैनलों का निर्माण कर सकती है जो काटने के दौरान बनने वाले घिसावट के सूक्ष्म कणों को दूर ले जाने में मदद करते हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उपकरण की प्रारंभिक खुरदरापन, जो लेजर के उपयोग से पहले ग्राइंडिंग प्रक्रिया के कारण हुआ था, ने भी इस बात में भूमिका निभाई कि धातु सतह पर कैसे फिसली। इसका मतलब है कि बनात्मक उपकरण का अंतिम प्रदर्शन नए पैटर्न और अंतर्निहित सतह की स्थिति का एक संयोजन है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि ये लेजर-टेक्स्चर्ड उपकरण हमेशा मुख्य कटिंग फोर्स को कम नहीं करते हैं, वे उपकरण के जीवन को बढ़ाने और कट की गुणवत्ता में सुधार करने का एक शक्तिशाली तरीका प्रदान करते हैं। सबसे अच्छे परिणाम उन उपकरणों से मिले जिनमें सबसे महीन तरंगें थीं या तरंगों और गड्ढों का संयोजन था, जिन्होंने घिसावट और आसंजन (adhesion) को भारी रूप से कम कर दिया। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण अंततः काटने वाले उपकरणों पर विशेष रासायनिक कोटिंग की आवश्यकता को बदल सकता है, जो अक्सर महंगी होती है और ब्लेड के तेज किनारे को कुंद कर सकती है। इन पैटर्न को बनाने के लिए लेजर का उपयोग करके, निर्माता संभावित रूप से टूल लागत को बचा सकते हैं और नए उपकरण बनाने के पर्यावरणीय प्रभाव को कम कर सकते हैं। जबकि यह अध्ययन एक साधारण, अनकोटेड टूल पर शुद्ध बनावट के प्रभाव को देखने के लिए किया गया था, इसके निष्कर्ष एक ऐसे भविष्य की ओर इशारा करते हैं जहाँ काटने वाले उपकरण की सतह को नरम धातुओं की मशीनिंग की चिपचिपी चुनौतियों को संभालने के लिए सावधानीपूर्वक इंजीनियर किया जाएगा।