PRINCIPES PHYSIQUES DU CHOIX DES FLUIDES DE COUPE L’USINAGE DES METAUX PAR COUPE.

Publié par

Afin d’améliorer la qualité du travail des métaux on utilise les fluides de coupe. Les fluides de coupe ont quatre fonctions techniques. Ils servent, en premier lieu, à lubrifier les surfaces de contact entre l’outil et la pièce de manière à minimiser la friction. En lus, ils servent à refroidir le système dans la zone de travail et à évacuer les copeaux dans le cas du travail des métaux par enlèvement de copeaux. Les fluides de coupe offrent enfin une protection contre la corrosion lors de l’usinage. Ces fonctions contribuent à augmenter la durée de vie de l’outil de coupe et améliorer la qualité de la surface usinée.
Pour résoudre le problème du choix effectif du fluide de coupe lors de l’usinage par coupe cette étude, il faut considèrer tels modes des processus d’usinage : tournage, alésage et fraisage, en tenant compte des particularités de chaque mode d’usinage, des conditions d’usinage on définit les facteurs principaux qui influent sur le choix optimal du fluide de coupe.
Les propriétés physiques importantes qui influent sur l’efficacité du fluide de coupe sont les suivantes : la tension de surface – produit l’influence essentielle à la manifestation de l’effet capillaire ; la viscosité – caractérise les fluides de coupe à l’aspect de son capacité lubrifiant ; la conductibilité de chaleur et la capacité thermique – caractérise les propriétés refroidissant des fluides de coupe ; adhésion au métal – la vitesse et la profondeur de pénétration du fluide de coupe par les microcapillaires dépendent de la grandeur de la tension superficielle du fluide appliquée ; conductibilité électrique – caractérise la probabilité et le point de pénétration du fluide de coupe dans la zone de coupe.
Dans les travaux d’usinage des métaux, il est parfaitement au courant que lors de la coupe au moins quatre-vingt dix sept pour cent de l’ énergie consommée est transformée en chaleur. Cette chaleur endommage à la fois l’outil et la pièce si des conditions appropriées de refroidissement ne sont pas appliquées au niveau de l’arête de coupe de l’outil. Or, un outil surchauffé perd sa dureté, ce qui réduit sa durée de vie, tandis que la surchauffe de la pièce affecte son intégrité dimensionnelle. Hormis la possibilité offerte aujourd’hui de pouvoir accélérer la vitesse de coupe afin que la chaleur soit évacuée en majorité dans les copeaux, la solution consiste à refroidir à la fois l’outil et la pièce dans la zone de coupe.
L’efficacité du refroidissement de la zone de coupe dépend d’une diversité de facteurs suivants : 1) la matière usinée, 2) le type d’opération, 3) la vitesse de coupe, 4) l’envoi précis du fluide de coupe dans la zone de coupe et 5) le type d’outil utilisé. Chacun de ces facteurs joue son rôle dans le choix du bon fluide de coupe.

MEMOIRE

Fig. 1 : Mise en situation des 4 zones caractérisant le contact du triplet pièce-outil-copeau.

   Pour chacune de ces catégories, il est proposé trois sortes de fluide de coupe susceptibles de bien convenir et que l’on va immédiatement analyser. Les fluides semi-synthétiquessont composés d’émulsifiants naturels et synthétiques, de minuscules gouttes d’huile et d’émulsions appropriées. Elles assurent une bonne protection contre la corrosion, une lubrification satisfaisante et une tolérance à la contamination, ceci avec de meilleures stabilité et conservation dans le réservoir que les fluides de coupe à base d’huiles solubles. Ils conviennent aussi bien pour les métaux ferreux que non ferreux et contribuent à maintenir un environnement de travail propre. Les fluides synthétiques sont des solutions, sans présence d’huile, de polymères et d’autres matières organiques et inorganiques mélangées à de l’eau. Comme il n’y a pas d’huile, ils présentent une très longue durée de vie. Ils ne salissent pas, résistent à la formation de mousse et sont parfaitement compatibles à de l’eau dite “dure”. Ils conviennent parfaitement bien à l’usinage à grande vitesse des métaux ferreux. Leur seul inconvénient est que, dans certains cas, ils peuvent provoquer des dépôts dans certains endroits de la machine et, en outre, risquent parfois de ternir la surface des pièces en métaux ferreux. Les huiles solubles sont composées d’huile et d’émulsifiants leur permettant de se mélanger efficacement dans de l’eau. Elles ont le gros avantage d’assurer un excellent glissement dans une variété d’applications. Leur domaine d’application privilégié est le perçage profond et celui au foret à canon dans les métaux non ferreux.
Lors du tournage afin de décrire les sollicitations induites sur un outil de coupe, il faut se ramener à l’étude de la formation du copeau (figure 1). Il est nécessaire de distinguer 4 zones sollicitant différemment l’outil.
Zone 1 : Il s’agit de la zone de séparation du métal en deux. Dans cette zone, qui entoure de manière étroite l’arête de l’outil, il y a une déformation intense par refoulement du métal. Cette zone peut donner naissance à des phénomènes de soudures locales de la matière usinée sur l’outil. Ces soudures locales se créent et disparaissent fréquemment, entraînant avec elles des morceaux d’outils.
Zone 2 : Zone de glissement plastique (zone de formation du copeau). La ligne MN (figure 1) est le front où la limite élastique est atteinte. La ligne EH’ est celle de fin de déformation plastique. Cette zone est couramment dénommée Zone de Cisaillement Primaire (ZCP). Cette zone n’étant pas en contact direct avec l’outil, elle n’influence pas directement l’usure de celui-ci. Par contre, les grandes déformations plastiques qui s’y produisent sont à l’origine d’un dégagement de chaleur très important qui va conditionner une grande partie du flux de chaleur transmis à l’outil. Le niveau de température qu’atteindra le substrat de l’outil sera un des éléments clefs de la résistance à l’usure.
Zone 3 : Les phénomènes, qui se produisent à l’interface copeau/outil, sont d’une extrême complexité. Il semble que cette interface soit le siège de cohabitations et/ou d’alternances entre des phénomènes locaux d’adhésion et d’intenses frottements de glissement. Ces phénomènes conduisent à des cisaillements locaux très intenses dans le copeau, alors que la majeure partie de celui-ci s’écoule sans être grandement perturbé. Cette zone à frottement et adhésion intense est dénommée Zone de Cisaillement Secondaire (ZCS) et génère une quantité de chaleur très importante ( ~ 20 à 30 % de la chaleur totale produite). Ce flux de chaleur diffuse à la fois dans l’outil et dans le copeau. Cette source de chaleur tend à faire croître les températures dans le substrat des outils et donc à le fragiliser.
Zone 4 : La zone interface entre la surface usinée et la face en dépouille est une zone clef de l’usure en dépouille des outils. Cette interface est principalement le siège d’un frottement à grande vitesse (= vitesse de coupe). Ce frottement est moins énergétique que celui de la zone de cisaillement secondaire, car la pression locale est bien plus réduite. L’usure par abrasion est le principal phénomène d’usure qui se produit à cette interface. Cette usure abrasive est conditionnée par la température de l’outil sur la face de coupe. Le frottement outil / pièce génère une quantité de chaleur qui n’est pas très importante (comparativement à celle de la ZCS), mais qui est très localisée, ce qui entraîne des températures d’interface élevées. (Remarque : la température dans la zone 4 est également très influencée par la quantité de chaleur transmise au substrat, venant de la ZCP et de la ZCS).
Les phénomènes associés aux quatre zones caractéristiques de la formation du copeau donnent une bonne représentation des sollicitations d’un outil lors d’une opération de coupe continue (tournage, alésage, etc.).
Lors de l’alésage le problème essentiel est la haute température de l’outil de coupe car le processus se passe dans la zone fermée qui est caractérisée par les difficultés d’évacuation de la chaleur et des copeaux.
Les opérations à coupe interrompue (taillage, fraisage, etc.) se distinguent par le fait que l’outil est en contact avec son environnement extérieur entre deux phases d’usinage : l’air (cas des opérations en usinage à sec) ou le fluide de coupe (émulsion, huile entière). Le problème important du fraisage est l’évacuation opportune des copeaux de la zone des rainures, des labyrinthes façonnés etc. Etant donné que le copeau séparé peut avoir la dureté beaucoup plus grande en comparaison de la dureté de matériaux usinée en conséquence du durcissement et trempe, alors à l’enlisement dans la zone de coupe en conséquence de la circulation il y a la haute probabilité d’émoussage et détérioration des arêtes de coupe des lames de fraise. Cela amène à la perte de la capacité de travail de l’outil, de la précision d’usinage, de l’accroissement de rugosité et à la dépense d’énergie. La résolution du problème est assurée par l’évacuation opportune du copeau de la zone de coupe par le fluide de coupe.
Ainsi, en savant les particularités essentielles de la mode d’usinage des métaux, les conditions d’usinage (l’équipement, les régimes de coupe, la technique d’amenages du fluide de coupe etc.), le matériau à usiner et l’outil de coupe on peut créer le modèle du choix optimal du fluide de coupe qui sera exprimé aux paramètres des propriétés physiques de ce dernier.

 Le modèle obtenu pourrait contribuer à améliorer la qualité du travail des métaux et réduire le débit de fluide de coupe.

Votre commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Photo Google

Vous commentez à l’aide de votre compte Google. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s