FLUIDES DE COUPE DANS L’USINAGE.

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La sévérité des sollicitations que subit l’outil pendant la coupe peut être si importante que l’utilisation de lubrifiant conditionne le succès de l’opération. Même si dans certaines applications, on cherche ouvertement à éliminer les fluides de coupe pour des raisons variées telles que la diminution des coûts liés à leur utilisation ou leur traitement, l’aspect environnemental ou la sécurité des opérateurs de machines outils, toujours est‐il qu’ils sont indispensables pour certains usages et qu’ils ne peuvent être complètement remplacés ou bannis à l’heure actuelle.

Les tests de performance des fluides de coupe sont utilisés depuis des années pour formuler de nouveaux lubrifiants avec des composants plus performants et mieux adaptés aux applications et ainsi suivre l’évolution technologique en usinage. Toutefois, les normes écologiques pour les lubrifiants deviennent de plus en plus contraignantes. Les règles imposées, concernant surtout la diminution de la teneur en certaines substances chimiques nuisibles, obligent les fabricants d’huiles de coupe à développer de nouvelles formulations toujours moins toxiques.

L’ensemble des paramètres suivants : le matériau usiné, le matériau coupant et la géométrie de l’outil, les paramètres de coupe, la technique d’usinage et donc les sollicitations engendrées sur les deux faces de l’outil, constitue une configuration des facteurs qui ont un effet sur l’action et la performance du fluide de coupe. Les paramètres de coupe, essentiellement la vitesse de coupe et la géométrie de l’arête, semblent jouer un rôle primordial en terme d’accessibilité du lubrifiant aux interfaces dans les deux zones de contacts. Par conséquent, un intérêt particulier est porté dans la littérature à la vitesse de coupe dans les différents modèles d’action des fluides de coupe en usinage.

2. ROLE ET COMPOSITION DES FLUIDES DE COUPE

Les deux actions principales d’un fluide de coupe en usinage sont la lubrification d’une part et l’évacuation de la chaleur du copeau, de l’outil, de la pièce usinée et de la machine d’autre part.

La lubrification consiste à réduire la quantité de chaleur produite par la diminution du frottement métal/métal et en facilitant l’écoulement du copeau sur l’outil. Le lubrifiant engendre des réactions physico‐chimiques dans la zone de coupe, sur l’outil, sur les copeaux et la pièce usinée. Les produits de ces réactions à l’interface copeau‐outil, sous forme d’une couche facilement cisaillable par exemple, éviteront la soudure des surfaces, protègeront contre l’usure,   diminueront le frottement et par conséquent le travail nécessaire pour enlever la matière et la chaleur générée à cette interface.

Même si les propriétés lubrifiantes du fluide de coupe influencent hypothétiquement 20% du travail mécanique fourni, en pratique, pour certaines applications, une action lubrifiante réussie peut se traduire par des gains très importants (augmentation de la durée de vie des outils, amélioration de l’état des surfaces, baisse des efforts de coupe) par rapport à l’usinage à sec. En effet, la réduction du frottement sur la face de coupe de l’outil contribue de plus à la formation d’un copeau moins déformé (angle de cisaillement plus grand), à la réduction de la zone de contact et finalement à la baisse de l’énergie produite dans la zone primaire de cisaillement (zone de formation du copeau).

Les raisons pour lesquelles on utilise les fluides de coupe sont multiples, à savoir : augmenter la durée de vie de l’outil, protéger l’outil, la pièce et la machine de la surchauffe et de la dilatation ainsi que de la corrosion, évacuer les copeaux et nettoyer les surfaces, obtenir des dimensions précises pour la pièce réalisée et une bonne qualité de la surface usinée [LEE_90, DeC_02, TRE_00, COR_03]. De plus, ils doivent se caractériser par une faible agressivité et toxicité envers l’homme et l’environnement, par une facilité d’application et de maintenance, une bonne comptabilité avec les lubrifiants et les graisses de machines outils.

On distingue deux grandes familles parmi les fluides de coupe : les huiles de coupe entières et les fluides de coupe à base d’eau (fluides aqueux appelés souvent émulsions). Les huiles de coupe entières sont des produits qui ne contiennent pas d’eau. Elles se composent d’huile de base (minérale, végétale, animale ou synthétique) à laquelle on ajoute différents additifs (antioxydant, antibrouillard, anti‐usure (AU), extrême‐pression (EP), onctuosité etc.) dans le but d’améliorer ses propriétés naturelles et de lui en conférer de nouvelles. Les bases d’origine minérale sont le plus souvent utilisées pour les huiles entières de coupe traditionnelles. Les bases d’origine végétale, pas encore bien appliquée dans les formulations traditionnelles à cause de leur stabilité thermique inférieure par rapport aux huiles minérales, sont souvent utilisées dans la micro‐lubrification (cf. I.2.5. Performances actuelles – besoins de futur). Les lubrifiants d’aujourd’hui (toutes catégories confondues) sont constitués d’environ 93% d’huile de base et 7% d’additifs en moyenne [MAN_07] (cf. Figure I‐7). Ce sont les additifs qui sont la clé de la performance chimique du lubrifiant.

En ce qui concerne les fluides de coupe à base d’eau, ce sont des produits que l’on obtient par la dispersion d’huile minérale ou synthétique (et d’additifs) dans l’eau stabilisée par des émulsifiants. Il existe aussi des solutions qui sont entièrement à base d’eau, auxquelles on ajoute des agents anti‐ corrosion, des agents mouillants ainsi que des additifs (biocides, extrême‐pression (EP), anti‐mousse, etc.).

Il est admis qu’un seul lubrifiant polyvalent pour toutes les applications d’usinage n’existe pas. Le choix de l’utilisation des différents fluides se fait par rapport à la fonction du fluide recherchée pour l’application donnée et à la sévérité des sollicitations envisagée. Les fluides de coupe à base d’eau ont un très grand pouvoir de réfrigération car ils contiennent de l’eau (la capacité thermique de l’eau est égale à 4,2 J/gK alors que celle de l’huile est de 1,9 J/gK). Ils sont utilisés par exemple pour les opérations à grandes vitesses de coupe où la fonction de refroidissement est prépondérante. Les huiles entières, fortement concentrées en additifs chimiques, sont utilisées dans les applications où la fonction lubrifiante permettra d’améliorer la qualité de l’usinage. Le Tableau I‐1 compare les propriétés des deux types de fluides de coupe.

En fonction du matériau usiné, de l’outil coupant et des paramètres de coupe, le choix du fluide de coupe adéquat pour une application donnée peut être réalisé entre les huiles entières de coupe ou les fluides aqueux.

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