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

在制造业领域，金属的成型方式往往取决于进行切割的工具的锋利度和耐用性。当机器切开像铝这样柔软且具有粘性的金属时，材料往往会粘在刀片上，就像湿润的粘土粘在雕塑家的手指上一样。这种粘附作用会产生摩擦、产生热量，并导致工具快速磨损或损坏。为了解决这个问题，工程师们长期以来一直尝试改变切削工具的表面，希望通过特定的纹理让金属更容易滑走。其理念是，通过在工具表面刻画微小的图案，可以控制金属碎屑的剥离方式，减少切削所需的力，并使工具保持更长时间的锋利。这不仅仅是为了制造出更好的刀刃，更是为了让汽车、飞机和机械的整个制造过程更加高效且减少浪费。

法国的一个研究小组最近利用一种非常精密的工具应用了这一概念：飞秒激光。这是一种发射出的光脉冲极短（仅持续一千万亿分之一秒）的激光，能够通过在硬质材料上刻画微观图案而不将其烧毁。该团队专注于未涂层的硬质合金刀片（钨钢刀片），这些是用于车削铝零件的车床中使用的可更换小尖端。他们在工具的平坦顶部创建了三种不同类型的表面纹理。一种纹理是由被称为“激光诱导周期性表面结构”的极其细微的波状纹路组成的；另一种具有较大的平行线；第三种则是两者的结合，将微小的纹路与微小的圆形凹坑混合在一起。随后，他们将这些工具用于在湿润环境下切割一种特定的铝合金（即喷洒液体冷却剂于切削区），并将结果与标准的平滑工具进行了对比。

结果显示，工具的纹理对工具的使用寿命产生了显著影响。当研究人员测量与成品接触侧面的工具磨损时，他们发现带有微小波状纹路的工具磨损减少了近92%，而平滑工具的磨损程度则较高。带有纹路和凹坑混合图案的工具表现也异常出色，将磨损降低了近80%。然而，带有较大平行线的工具表现并不理想；事实上，它的磨损速度比平滑工具更快。这表明，纹理的大小和形状至关重要，仅仅增加表面的粗糙度并不总是有效的解决方案。研究人员还观察到，带有微小纹路的工具能有效防止铝粘附在其表面，这比其他工具更能防止工具受损，而这正是防止工具损坏的关键因素。

虽然工具侧面的磨损情况得到了显著改善，但推动工具穿过金属所需的力却呈现出略微不同的情况。切削力（即切开金属所需的主要推力）对于大多数有纹理的工具与平滑工具相比基本保持不变。唯一的例外是带有纹路和凹坑混合图案的工具，它所需的切削力减少了约7%。然而，推动工具侧向移动的进给力对于所有有纹理的工具来说都增加了。研究人员认为，这是因为纹理改变了金属碎屑压向工具的方式，从而产生了一种不同类型的摩擦。有趣的是，带有较大线条的工具导致金属在更陡的角度进行剪切（或分裂），这改变了所产生的金属碎屑的形状。

为了理解这些纹理为何能发挥作用，团队还运行了模拟工具与金属碎屑之间接触过程的计算机仿真。这些仿真表明，微小的纹路和混合图案使工具能够在不被卡住的情况下保持较大的接触面积，这解释了为什么磨损会大幅降低。仿真还表明，这些纹理可能会创造出微小的通道，帮助移走切削过程中产生的微小磨损颗粒。研究人员指出，在激光使用前由研磨工艺造成的初始粗糙度，也在金属如何沿表面滑动方面起到了作用。这意味着，纹理工具的最终性能是新图案与底层表面状态共同作用的结果。

研究结论指出，虽然这些激光纹理工具并不总能降低主要的切削力，但它们提供了一种增强工具寿命和提高切削质量的强大手段。效果最好的工具是具有最细微纹路或纹路与凹坑结合的工具，它们极大地减少了磨损和粘附。研究人员建议，这种方法最终可能取代切削工具上昂贵的化学涂层，因为这些涂层不仅价格高昂，还会使刀刃变钝。通过使用激光来创建这些图案，制造商有望降低工具成本并减少生产新工具时的环境影响。虽然本研究是在一种简单的未涂层工具上进行的，旨在观察纹理的纯粹效应，但其研究结果指向了一个未来：即切削工具的表面将被精心设计，以应对加工软金属时的粘性挑战。