Optimization of surface morphology in the cutting tool manufacturing

For the systemic development and for the optimization of a precision cutting tool with a given performance to be fulfilled, it is indispensable to observe different aspects regarding not only the cutting tool characteristic (the cutting tool material, the coating technology, the macro geometry of the tool and the cutting edge preparation), but also the specific material and conditions with which the cutting tool will be forced to work. The focus of this paper is to work out, keeping the material to be machined and the machining conditions constant, a relation between the final cutting tool surface properties and his tribological behavior. The investigation that has been proposed has been divided in three main parts: A preliminary work of research of surface metrology and morphological properties in order to develop a reliable and strong analysis; A first real experimental part is represented by a detailed analysis of both surface properties and cutting edge shapes during the production steps, to determine how any part of the procedures a cutting tool receives, from the beginning to the finished product, modify those surface properties. A second analysis instead to find a possible relation between surface properties and Tribology of the cutting tool, done during metal cutting process (face milling) on a martensitic stainless steel (X22Cr13). In the second part different sets of cutting tools where used, providing same cutting edge conditions but different surface properties, allowing to gather information about the role of surface properties in tribology. Surface morphology and cutting edge properties have been evaluated by means of a focus variation 3D microscope and a surface texture analysis software. Differences in final wear degradation between different inserts with different surface properties has been observed.

Nell’industria del cutting tool, per lo sviluppo e la produzione di inserti da taglio con determinate prestazioni, è necessario la valutazione di diversi aspetti concatenati del processo di machinig dei metalli, riguardanti il metallo del manufatto da produrre, i materiali dell’inserto da taglio, e le condizioni di lavorazione; materiale dell’inserto da taglio, coating, geometria dell’inserto, preparazione del tagliente, parametri di taglio, sono solo alcuni degli aspetti concatenati da considerare. L’effetto che ogni singola delle variabili nominate ha sulla qualità superficiale finale (precisione geometrica e morfologia superficiale) del manufatto è molto marcato. L’ottimizzazione del processo produttivo e delle performance finali di un inserto da taglio rappresentano quindi l’obiettivo principale del produttore di cutting tool. Le estreme condizioni (temperature e sforzi di taglio elevati, attrito, vibrazioni, materiali a elevata durezza…) a cui sono sottoposti gli inserti da taglio, rendono ancora più fondamentale la comprensione dei complessi e concatenati fenomeni che avvengono nel processo del taglio metalli. In questo lavoro di tesi, frutto di un tirocinio di circa un anno presso la Seco Tools Italia di Guanzate, l’attenzione è stata concentrata sull’analisi morfologica delle superfici degli inserti da taglio, sull’evoluzione durante il processo produttivo e sulle performance finali. La prima parte del lavoro è focalizzata sulle modalità di analisi superficiale. Nell’industria meccanica come in molti altri campi infatti, l’analisi morfologica di una superficie viene infatti spesso ridotta all’analisi di parametri profilometrici come ad esempio la rugosità media Ra, che spesso è anche l’unica proprietà morfologica di una superficie indicata in fase di progetto. In questa tesi verrà dimostrato come, per una analisi superficiale esaustiva e dettagliata sia necessaria l’introduzione di più completi sistemi di misurazione che permettano la comprensione delle strutture presenti sulla superficie, quali picchi e valli, della presenza o meno di una texture direzionale; verrà illustrato come, attraverso uno strumento ottico 3D, sia possibile considerare il problema della metrologia superficiale con accuratezza e nella sua totale vastità. Successivamente all’illustrazione dei concetti alla base dell’analisi morfologica superficiale, questi verranno applicati alla catena di produzione di un cutting tool in una parte ed alla valutazione delle performance in una seconda. Nell’analisi della catena di produzione, un particolare inserto rivestito è stato scelto come candidato per questo lavoro. È stata quindi proposta la completa caratterizzazione delle proprietà superficiali dell’’inserto scelto durante i vari step produttivi; al fine di comprendere in maniera esaustiva la funzione delle principali fasi produttive dal punto di vista superficiale, dopo ogni step le variazioni morfologiche sono state monitorate ed accuratamente riassunte in questo lavoro. Completata la caratterizzazione superficiale durante le fasi produttive, si è quindi cercata una relazione tra le proprietà superficiali finali dell’inserto e le sue performance nel processo di taglio. È stato proposto un test di degrado superficiale innovativo in cui, stabiliti dei parametri di taglio e delle ripetitive interruzioni del test, è stato possibile monitorare, in un reale processo di fresatura su un acciaio martensitico, la variazione delle proprietà superficiale step-by-step. A questo test è stato inoltre associata l valutazione dell’usura finale sull’inserto