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

Nel mondo della produzione, il modo in cui il metallo viene modellato dipende spesso dalla nitidezza e dalla durevolezza dello strumento che effettua il taglio. Quando una macchina incide un metallo morbido e appiccicoso come l'alluminio, il materiale tende ad aderire alla lama, proprio come l'argilla bagnata si attacca alle dita di uno scultore. Questa adesione crea attrito, genera calore e causa l'usura rapida o la rottura dell'utensile. Per risolvere questo problema, gli ingegneri cercano da tempo di modificare la superficie dell'utile da taglio, sperando che una specifica trama possa aiutare il metallo a scivolare via più facilmente. L'idea è che, incidendo minuscoli motivi sulla superficie dell'utensile, si possa controllare il modo in cui i trucioli di metallo si staccano, ridurre la forza necessaria per il taglio e mantenere l'utensile affilato più a lungo. Non si tratta solo di creare una lama migliore; si tratta di rendere l'intero processo di costruzione di auto, aerei e macchinari più efficiente e meno dispendioso.

Un team di ricercatori in Francia ha recentemente applicato questo concetto utilizzando uno strumento molto preciso: un laser a femtosecondi. Si tratta di un laser che emette impulsi di luce così brevi da durare solo un quadrilionesimo di secondo, permettendo di incidere modelli microscopici su materiali duri senza bruciarli. Il team si è concentrato su inserti in carburo di tungsteno non rivestiti, che sono le piccole punte sostituibili utilizzate nei torni per lavorare parti in alluminio. Hanno creato tre diversi tipi di texture sulla parte superiore piatta di questi utensili. Una texture consisteva in increspature ondulate estremamente fini, note come strutture superficiali periodiche indotte dal laser. Un'altra presentava linee parallele più grandi. La terza era una combinazione di entrambe, mescolando le minuscole increspature con piccoli avvallamenti circolari. Hanno poi messo alla prova questi strumenti tagliando una specifica lega di alluminio in un ambiente umido, dove un refrigerante liquido viene spruzzato sulla zona di taglio, e hanno confrontato i risultati con un utensile liscio standard.

I risultati hanno rivelato che la texture dell'utensile ha fatto una differenza drammatica nella durata dello strumento stesso. Quando i ricercatori hanno misurato l'usura sul lato dell'utensile che sfrega contro il pezzo finito, hanno scoperto che l'utensile con le minuscole increspature ondulate si era consumato quasi il 92% in meno rispetto all'utensile liscio. L'utensile con il modello misto di increspature e avvallamenti ha ottenuto prestazioni eccezionali, riducendo l'usura di quasi l'80%. Tuttavia, l'utensile con le linee parallele più grandi non è andato altrettanto bene; anzi, si è consumato più velocemente dell'utensile liscio. Ciò suggerisce che la dimensione e la forma della texture contano immensamente, e che semplicemente rendere una superficie più ruvida non è sempre la soluzione. I ricercatori hanno anche osservato che l'utensile con le minuscole increspature impediva all'alluminio di attaccarsi alla sua superficie tanto quanto gli altri utensili, il che è un fattore chiave per prevenire il danneggiamento dell'utensile.

Sebbene l'usura sul lato dell'utensile sia migliorata significamente, le forze necessarie per spingere l'utensile attraverso il metallo hanno raccontato una storia leggermente diversa. La forza di taglio, ovvero la spinta principale necessaria per incidere il metallo, è rimasta ampiamente la stessa per la maggior parte degli utensili testurizzati rispetto a quello liscio. L'unica eccezione è stata l'utensile con il modello misto di increspature e avvallamenti, che ha richiesto circa il 7% di forza in meno per il taglio. Tuttavia, la forza che spinge l'utensile lateralmente, nota come forza di avanzamento, è aumentata per tutti gli utensili testurizzati. I ricercatori ritengono che ciò accada perché le texture cambiano il modo in cui il truciolo di metallo preme contro l'utensile, creando un tipo diverso di attrito. Curiosamente, l'utensile con le linee più grandi ha fatto sì che il metallo venisse tagliato con un angolo di scorrimento più ripido rispetto agli altri strumenti, cambiando la forma del truccio prodotto.

Per capire perché queste texture funzionassero in questo modo, il team ha anche eseguito simulazioni al computer che modellavano il contatto tra l'utensile e il truciolo di metallo. Queste simulazioni hanno mostrato che le minuscole increspature e i modelli misti permettevano all'utensile di mantenere un'area di contatto maggiore con il truciolo senza bloccarsi, il che spiega perché l'usura fosse molto più bassa. Le simulazioni hanno anche suggerito che le texture potrebbero creare piccoli canali che aiutano a rimuovere le minuscole particelle di detriti di usura che si formano durante il taglio. I ricercatori hanno notato che anche la rugosità iniziale dell'utensile, causata dal processo di rettifica prima dell'uso del laser, ha giocato un ruolo nel modo in cui il metallo scivolava sulla superficie. Ciò significa che la prestazione finale di un utensile testurizzato è una combinazione dei nuovi motivi e delle condizioni superficiali sottostanti.

Lo studio conclude che, sebbene questi utensili con texture laser non sempre riducano la forza di taglio principale, offrono un modo potente per estendere la vita dell'utensile e migliorare la qualità del taglio. I risultati migliori sono stati ottenuti con gli utensili con le increspature più fini o con la combinazione di increspature e avvallamenti, che hanno ridotto drasticamente l'usura e l'adesione. I ricercatori suggeriscono che questo approccio potrebbe eventualmente sostituire la necessità di rivestimenti chimici speciali sugli utensili da taglio, che sono spesso costosi e possono smussare il bordo tagliente della lama. Utilizzando un laser per creare questi modelli, i produttori potrebbero potenzialmente risparmiare sui costi degli utensili e ridurre l'impatto ambientale della produzione di nuovi strumenti. Sebbene lo studio sia stato condotto su un semplice utensile non rivestito per osservare l'effetto puro della texture, i risultati indicano un futuro in cui la superficie di un utensile da taglio è accuratamente progettata per gestire le sfide della lavorazione dei metalli teneri.