Fluide de coupe

LiquidesEdit

Il existe généralement trois types de liquides : minéraux, semi-synthétiques et synthétiques. Les liquides de coupe semi-synthétiques et synthétiques représentent des tentatives de combiner les meilleures propriétés de l’huile avec les meilleures propriétés de l’eau en mettant en suspension de l’huile émulsifiée dans une base aqueuse. Ces propriétés comprennent : l’inhibition de la rouille, la tolérance d’une large gamme de dureté de l’eau (en maintenant la stabilité du pH autour de 9 à 10), la capacité de travailler avec de nombreux métaux, la résistance à la rupture thermique et la sécurité environnementale.

L’eau est un bon conducteur de chaleur mais présente des inconvénients en tant que fluide de coupe. Elle bout facilement, favorise la rouille des pièces de la machine, et ne lubrifie pas bien. Par conséquent, d’autres ingrédients sont nécessaires pour créer un fluide de coupe optimal.

Les huiles minérales, qui sont à base de pétrole, ont vu leur première utilisation dans les applications de coupe à la fin du 19e siècle. Elles varient des huiles de coupe épaisses, sombres et riches en soufre utilisées dans l’industrie lourde aux huiles claires et transparentes.

Les liquides de refroidissement semi-synthétiques, également appelés huile soluble, sont une émulsion ou une microémulsion d’eau avec de l’huile minérale. Dans les ateliers utilisant l’anglais britannique, l’huile soluble est familièrement appelée SUDS. Ils ont commencé à être utilisés dans les années 1930. Une machine-outil CNC typique utilise généralement un liquide de refroidissement émulsifié, qui consiste en une petite quantité d’huile émulsifiée dans une plus grande quantité d’eau grâce à l’utilisation d’un détergent.

Les liquides de refroidissement synthétiques sont apparus à la fin des années 1950 et sont généralement à base d’eau.

La technique officielle pour mesurer la concentration d’huile dans les échantillons de liquide de coupe est le titrage manuel : 100ml du fluide testé sont titrés avec une solution de HCl 0,5M jusqu’à un point final de pH 4 et le volume de titrant utilisé pour atteindre le point final est utilisé pour calculer la concentration en huile. Cette technique est précise et n’est pas affectée par la contamination du fluide, mais elle doit être réalisée par un personnel qualifié dans un environnement de laboratoire. Un réfractomètre à main est la norme industrielle utilisée pour déterminer le rapport de mélange des liquides de refroidissement hydrosolubles qui estime la concentration d’huile à partir de l’indice de réfraction de l’échantillon mesuré sur l’échelle de Brix. Le réfractomètre permet de mesurer in situ la concentration d’huile dans les installations industrielles. Cependant, la contamination de l’échantillon réduit la précision de la mesure. D’autres techniques sont utilisées pour mesurer la concentration d’huile dans les fluides de coupe, comme la mesure de la viscosité du fluide, de sa densité et de la vitesse des ultrasons. D’autres équipements de test sont utilisés pour déterminer des propriétés telles que l’acidité et la conductivité.

Les autres comprennent :

Le kérosène et l’alcool à friction donnent souvent de bons résultats lorsqu’on travaille sur l’aluminium.
Le WD-40 et l’huile 3-In-One fonctionnent bien sur divers métaux. Cette dernière a une odeur de citronnelle ; si l’odeur choque, l’huile minérale et les huiles lubrifiantes d’usage général fonctionnent à peu près de la même façon.
L’huile pour voies (l’huile fabriquée pour les voies des machines-outils) fonctionne comme une huile de coupe. En fait, certaines machines à vis sont conçues pour utiliser une seule huile à la fois comme huile de voie et huile de coupe. (La plupart des machines-outils traitent le lubrifiant de voie et le liquide de refroidissement comme des choses séparées qui se mélangent inévitablement pendant l’utilisation, ce qui conduit à utiliser des écumeurs d’huile de tramp pour les séparer à nouveau.)
Les huiles moteur ont une relation légèrement compliquée avec les machines-outils. Les huiles moteur non détergentes de poids normal sont utilisables, et en fait les huiles SAE 10 et 20 étaient les huiles de broche et de voie (respectivement) recommandées sur les machines-outils manuelles il y a des décennies, bien que de nos jours les formules d’huile de voie dédiées prévalent dans l’usinage commercial. Bien que presque toutes les huiles moteur puissent constituer des fluides de coupe adéquats du point de vue de leur seule performance de coupe, il est préférable d’éviter les huiles moteur modernes à poids multiples contenant des détergents et d’autres additifs. Ces additifs peuvent présenter un problème de corrosion du cuivre pour le laiton et le bronze, que les machines-outils ont souvent dans leurs roulements et leurs écrous de vis-mère (surtout les machines-outils anciennes ou manuelles).
Le fluide diélectrique est utilisé comme fluide de coupe dans les machines à décharge électrique (EDM). Il s’agit généralement d’eau déionisée ou d’un kérosène à point d’éclair élevé. Une chaleur intense est générée par l’action de coupe de l’électrode (ou du fil) et le fluide est utilisé pour stabiliser la température de la pièce à usiner, ainsi que pour chasser toutes les particules érodées de la zone de travail immédiate. Le fluide diélectrique est non conducteur.
Les tables à eau refroidies par liquide (eau ou huile de pétrole) sont utilisées avec le procédé de découpe à l’arc plasma (PAC).
L’huile de pieds-nés de la plus haute qualité est utilisée comme lubrifiant. Elle est utilisée dans les industries métallurgiques comme fluide de coupe pour l’aluminium. Pour l’usinage, le taraudage et le perçage de l’aluminium, elle est supérieure au kérosène et à divers fluides de coupe à base d’eau.

Pâtes ou gelsEdit

Le fluide de coupe peut également prendre la forme d’une pâte ou d’un gel lorsqu’il est utilisé pour certaines applications, notamment les opérations manuelles telles que le perçage et le taraudage. Lors du sciage du métal avec une scie à ruban, il est courant de passer périodiquement un bâton de pâte contre la lame. Ce produit a un facteur de forme similaire à celui du rouge à lèvres ou de la cire d’abeille. Il se présente dans un tube en carton, qui se consume lentement à chaque application.

Aérosols (brouillards)Edit

Certains fluides de coupe sont utilisés sous forme d’aérosol (brouillard) (air avec de minuscules gouttelettes de liquide dispersées). Les principaux problèmes avec les brouillards ont été qu’ils sont plutôt mauvais pour les travailleurs, qui doivent respirer l’air environnant teinté de brouillard, et qu’ils ne fonctionnent parfois même pas très bien. Ces deux problèmes sont dus à l’imprécision de leur distribution, qui fait que le brouillard est souvent répandu partout et tout le temps, sauf à l’interface de coupe, pendant la coupe – le seul endroit et moment où il est souhaité. Cependant, une nouvelle forme d’aérosol, le MQL (minimum quantity of lubricant), permet d’éviter ces deux problèmes. La distribution de l’aérosol se fait directement à travers les cannelures de l’outil (il arrive directement à travers ou autour de la plaquette elle-même – un type idéal de distribution de fluide de coupe qui, traditionnellement, n’était pas disponible en dehors de quelques contextes tels que le forage au pistolet ou la distribution de liquide coûteux et de pointe dans le fraisage de production). L’aérosol de MQL est délivré de manière si précisément ciblée (en ce qui concerne l’emplacement et le moment) que l’effet net ressemble presque à un usinage à sec du point de vue des opérateurs. Les copeaux semblent généralement être des copeaux usinés à sec, ne nécessitant pas d’égouttage, et l’air est si propre que les cellules d’usinage peuvent être stationnées plus près de l’inspection et de l’assemblage qu’auparavant. Le MQL ne fournit pas beaucoup de refroidissement au sens du transfert de chaleur, mais son action lubrifiante bien ciblée empêche une partie de la chaleur d’être générée en premier lieu, ce qui contribue à expliquer son succès.

Refroidissement au CO2Modifier

Le dioxyde de carbone (formule chimique CO2) est également utilisé comme réfrigérant. Dans cette application, on laisse le CO2 liquide sous pression se dilater et cela s’accompagne d’une baisse de température, suffisante pour provoquer un changement de phase en solide. Ces cristaux solides sont redirigés dans la zone de coupe, soit par des buses externes, soit par une distribution à travers la broche, pour fournir un refroidissement à température contrôlée de l’outil de coupe et de la pièce à usiner.

Air ou autres gaz (par exemple, l’azote)Edit

L’air ambiant, bien sûr, était le liquide de refroidissement d’usinage original. L’air comprimé, fourni par des tuyaux et des flexibles à partir d’un compresseur d’air et déchargé par une buse dirigée vers l’outil, est parfois un liquide de refroidissement utile. La force du flux d’air de décompression chasse les copeaux, et la décompression elle-même a un léger effet de refroidissement. Le résultat net est que la chaleur de la coupe d’usinage est un peu mieux évacuée que par l’air ambiant seul. Parfois, des liquides sont ajoutés au flux d’air pour former un brouillard (systèmes de refroidissement par brouillard, décrits ci-dessus).

L’azote liquide, fourni dans des bouteilles en acier pressurisées, est parfois utilisé de manière similaire. Dans ce cas, l’ébullition suffit à fournir un puissant effet réfrigérant. Pendant des années, cela s’est fait (dans des applications limitées) en inondant la zone de travail. Depuis 2005, ce mode de refroidissement est appliqué d’une manière comparable au MQL (avec une distribution à travers la broche et à travers la pointe de l’outil). Le corps et les pointes de l’outil sont ainsi réfrigérés à un point tel qu’ils agissent comme une « éponge thermique », aspirant la chaleur de l’interface outil-copeau. Ce nouveau type de refroidissement à l’azote est encore en cours de brevetage. La durée de vie des outils a été augmentée d’un facteur 10 dans le fraisage de métaux durs tels que le titane et l’inconel.

Alternativement, l’utilisation d’un flux d’air combiné à une substance à évaporation rapide (ex. alcool, eau, etc.) peut être utilisée comme un liquide de refroidissement efficace lors de la manipulation de pièces chaudes qui ne peuvent pas être refroidies par d’autres méthodes.

Pratiques antérieuresModifier

Dans les pratiques d’usinage du 19e siècle, il n’était pas rare d’utiliser de l’eau ordinaire. Il s’agissait simplement d’un expédient pratique pour garder la fraise froide, indépendamment du fait qu’elle fournissait une quelconque lubrification à l’interface tranchant-copeau. Si l’on considère que l’acier rapide (HSS) n’avait pas encore été développé, la nécessité de refroidir l’outil devient d’autant plus évidente. (L’acier rapide conserve sa dureté à haute température, ce qui n’est pas le cas des autres aciers à outils au carbone). Une amélioration était l’eau de soude (bicarbonate de sodium dans l’eau), qui inhibait mieux la rouille des glissières de machines. Ces options ne sont généralement pas utilisées aujourd’hui car des alternatives plus efficaces sont disponibles.
Les graisses animales comme le suif ou le saindoux étaient très populaires dans le passé. Elles sont peu utilisées aujourd’hui, en raison de la grande variété d’autres choix, mais restent une option.
Les anciens textes de formation des ateliers d’usinage parlent de l’utilisation du plomb rouge et du plomb blanc, souvent mélangés au saindoux ou à l’huile de saindoux. Cette pratique est obsolète en raison de la toxicité du plomb.
Du milieu du 20e siècle aux années 1990, le 1,1,1-trichloroéthane était utilisé comme additif pour rendre certains fluides de coupe plus efficaces. Dans l’argot de l’atelier, on l’appelait « one-one-one ». Il a été progressivement abandonné en raison de ses propriétés d’appauvrissement de la couche d’ozone et de dépression du système nerveux central.