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

In de wereld van de productie hangt de manier waarop metaal wordt gevormd vaak af van de scherpte en duurzaamheid van het gereedschap dat het snijdt. Wanneer een machine door een zacht, kleverig metaal zoals aluminium snijdt, heeft het materiaal de neiging om aan het blad te blijven kleven, net zoals natte klei aan de vingers van een beeldhouwer blijft plakken. Deze adhesie creëert wrijving, genereert hitte en zorgt ervoor dat het gereedschap snel slijt of breekt. Om dit op te lossen, proberen ingenieurs al lang het oppervlak van het snijgereedschap te veranderen, in de hoop dat een specifieke textuur het metaal makkelijker kan laten wegglijden. Het idee is dat men door minuscule patronen in het oppervlak van het gereedschap te kerven, de manier waarop de metaalspanen worden afgevoerd kan beheersen, de kracht die nodig is om te snijden kan verminderen en het gereedschap langer scherp kan houden. Dit gaat niet alleen over het maken van een beter mes; het gaat over het efficiënter en minder verspillend maken van het gehele proces van het bouwen van auto's, vliegtuigen en machines.

Een team onderzoekers in Frankrijk heeft dit concept onlangs toegepast met behulp van een zeer precies instrument: een femtoseconde-laser. Dit is een laser die lichtpulsen afgeeft die zo kort zijn dat ze slechts een quadrillionde van een seconde duren, waardoor ze microscopische patronen in harde materialen kunnen kerven zonder ze te verbranden. Het team richtte zich op ongecoate wolfraamcarbide inserten, wat de kleine, vervangbare punten zijn die in draaibanken worden gebruikt om aluminium onderdelen te draaien. Ze creëerden drie verschillende soorten oppervlaktexturen op de vlakke bovenkant van deze gereedschappen. De ene textuur bestond uit extreem fijne, golfachtige rimpelingen, bekend als laser-geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren. Een andere bestond uit grotere, parallelle lijnen. De derde was een combinatie van beide, waarbij de kleine rimpelingen werden gemengd met kleine, ronde kuiltjes. Ze lieten deze gereedschappen vervolgens aan het werk snijden in een specifiek aluminiumlegering in een natte omgeving, waarbij een vloeibare koelmiddel op de snijzone wordt gespoten, en vergeleken de resultaten met een standaard, glad gereedschap.

De resultaten toonden aan dat de textuur van het gereedschap een dramatisch verschil maakte in hoe lang het gereedschap meeging. Wanneer de onderzoekers de slijtage op de zijkant van het gereedschap mat die langs het afgewerkte onderdeel schuurt, ontdekten ze dat het gereedschap met de kleine, golfachtige rimpelingen bijna 92 procent minder versleten was dan het gladde gereedschap. Het gereedschap met het gemengde patroon van rimpelingen en kuiltjes presteerde ook uitzonderlijk goed, waarbij de slijtage met bijna 80 procent werd verminderd. De tool met de grotere, parallelle lijnen deed het echter minder goed; het was in feite sneller versleten dan het gladde gereedschap. Dit suggereert dat de grootte en vorm van de textuur er enorm toe doen, en dat het simpelweg ruwer maken van een oppervlak niet altijd de oplossing is. De onderzoekers merkten ook op dat het gereedschap met de kleine rimpelingen het aluminium minder aan het oppervlak liet plakken dan de andere gereedschappen, wat een belangrijke factor is bij het voorkomen van beschadiging van het gereedschap.

Hoewel de slijtage aan de zijkant van het gereedschap aanzienlijk verbeterde, vertelde het verhaal over de vereiste krachten om het gereedschap door het metaal te duwen een iets ander verhaal. De snijkracht, wat de belangrijkste duwkracht is om het metaal te snijden, bleef voor de meeste getextureerde gereedschappen grotendeels gelijk aan die van het gladde gereedschap. De enige uitzondering was het gereedschap met het gemengde patroon van rimpelingen en kuiltjes, dat ongeveer 7 procent minder kracht vereiste om te snijden. Echter, de kracht die het gereedschap zijwaarts duwt, de zogenaamde voedingskracht, nam toe voor alle getextureerde gereedschappen. De onderzoekers geloven dat dit gebeurt omdat de texturen de manier waarop de metaalspan tegen het gereedschap drukt veranderen, wat een ander soort wrijving creëert. Interessant genoeg zorgde het gereedschap met de grotere lijnen ervoor dat het metaal onder een steilere hoek afschuifde of splitste, wat de vorm van de geproduceerde metaalspan veranderde.

Om te begrijpen waarom deze texturen zo werkten als ze deden, voerde het team ook computersimulaties uit die het contact tussen het gereedschap en de metaalspan modelleerden. Deze simulaties toonden aan dat de kleine rimpelingen en de gemengde patronen het gereedschap in staat stelden om een groter contactoppervlak met de metaalspan te behouden zonder vast te komen zitten, wat helpt verklaren waarom de slijtage zoveel lager was. De simulaties suggereerden ook dat de texturen kleine kanaaltjes kunnen creëren die helpen bij het afvoeren van de kleine deeltjes slijtageafval die tijdens het snijden ontstaan. De onderzoekers merkten ook op dat de initiële ruwheid van het gereedschap, veroorzaakt door het slijpproces voordat de laser werd gebruikt, ook een rol speelde in hoe het metaal over het oppervlak gleed. Dit betekent dat de uiteindelijke prestaties van een getextureerd gereedschap een combinatie zijn van de nieuwe patronen en de onderliggende oppervlakteconditie.

De studie concludeert dat hoewel deze laser-getextureerde gereedschappen niet altijd de belangrijkste snijkracht verminderen, ze een krachtige manier bieden om de levensduur van het gereedschap te verlengen en de kwaliteit van de snede te verbeteren. De beste resultaten kwamen van de gereedschappen met de fijnste rimpelingen of de combinatie van rimpelingen en kuiltjes, die de slijtage en adhesie drastisch verminderden. De onderzoekers suggereren dat deze aanpak uiteindelijk de behoefte aan speciale chemische coatings op snijgereedschappen zou kunnen vervangen, die vaak duur zijn en de scherpe rand van het blad kunnen afvlakken. Door een laser te gebruiken om deze patronen te creëren, zouden fabrikanten potentieel geld kunnen besparen op gereedskosten en de milieu-impact van de productie van nieuw gereedschap kunnen verminderen. Hoewel de studie werd uitgevoerd op een eenvoudig, ongecoat gereedschap om het pure effect van de textuur te zien, wijzen de bevindingen op een toekomst waarin het oppervlak van een snijgereedschap zorgvuldig wordt ontworpen om de plakkerige uitdagingen van het bewerken van zachte metalen aan te kunnen.