Brevet FR2315356A1 — publié le 19770121

La présente invention concerne un procédé d'enlèvement de matière et plus particulièrement un procédé usinage par enlèvement de matière ou de forage. On eonnatt déjà différents procédés d'usinage et parmi ceux-ci les procédés appelés "par enlèvement de matière, dans lesquels la pièce à usiner, qui peut btre en une matière métallique, céramique, organique ou autre, est amenée à la forme et aux dimensions voulues par enlèvement de la matière excédentaire. Cet enlèvement de matière excédentaire peut être réalisé par différentes méthodes connues mettant en oeuvre une action soit électrochimique, soit électrique (étincelage), soit chimique, soit encore mécanique. Dans le cas d'un usinage mettant en oeuvre une action mécanique, llorgane mécanique qui permet d'enlever la matière excédentaire est constitué par un outil qui peut autre soit un outil manuel, tel qu 'un burin ou autre, soit un outil de machine-outil, tel qu'une fraise, une mèche ou foret, un outil de tournage, un abrasif (meule, bande ou autre), etc. L'usinage élémentaire d'une pièce par un outil provoque une rayure et on utilise en pratique à cet effet un outil d'une plus grande dureté que la pièce à usiner. Or, il a été démontré que toute rayure résultait d'une fusion locale de la matière à usiner, fusion occasionnée par la quantité de chaleur produite par la pression locale exercée sur la pièce par l'outil Celui-ci creuse alors un sillon dans ladite pièce, comme un soc de charrue dans une terre meuble. On a pu confirmer lTexactitude de cette théorie par un examen microscopique et l'utilisation de microcouples a permis de mesurer les températures et de vérifier la fusion du matériau usiné (voir Proceeding R.S. Series A, N0 833+ p. 154). L'usinage par coupe, bien que plus complexe que Usinage par rayures, nlen relève pas moins du même principe : la fusion de la matière à usiner se produit au contact de l'arête de l'outil ; le copeau formé se trouve séparé de la pièce par cette zone en fusion et 11 outil le détache de ladite pièce, ce qui est réalisé avec plus ou moins de difficulté selon que le copeau est plus ou moins large et épais et selon que la cohésion de la matière à usiner est plus ou moins grande. D'une façon générale, on peut assimiler l'usinage par abrasion à une succession de multiples rayures, tandis que l'usinage au tour, à la perceuse, à l'aléseuse ou à l'étau-limeur peut être assimilé à une coupe prolongée suivant un itinéraire défini et que l'usinage à la fraise peut Autre assimilé å ne série de coupes successives. La chaleur produite par cette pression de outil provoque certes une fusion locale, mais se répand également par conduction dans la pièce en cours d'usinage et dans l'outil lui-même. Aussi pour éviter tout échauffement excessif, en particulier dans Outil, il faut refroidir la pièce et ltoutfll. A cet effet, on a utilisé différents fluides, soit aqueux, soit non aqueux, soit m#me gazeux. Le liquide de refroidissement peut toutefois difficilement agir sur l'arête de coupe elle-m8me ; il ne peut refroidir celle-ci que grâce à la conductivité thermique de l'outil Or, il est très important de refroidir l'arête de 1' ou- til, ou du moins d'en limiter ltéchauffement. Sous l'effet de la chaleur produite par la pression, l'outil peut en effet être soumis à des microfusions locales, qui provoquent son usure et augmentent la surface de l'arEte, en diminuant le rendement de l'outil, car plus la surface de l'arête est grande, plus grande est l'énergie nécessaire pour atteindre la température de fusion de la matière à usiner.Il faut alors réaffûter l'outil ou même, lorsque cela n1 est pas possible ou serait trop onéreux, prévoir de le remplacer, et cela périodiquement. On a déjà proposé, selon le brevet français 1.150.401 > d'utiliser, dans un procédé d'usinage par enlèvement de matière, un agent mouillant constitué par un matériau solide, plus fusible que la matière à usiner et possédant de préférence, à l'état fondu, une tension superficielle- élevée, de manière que la pression exercée par l'outil fasse fondre cet agent solide et que celui-ci abaisse ainsi considérablement, par un effet de liquostrietion, la cohésion de la matière usinée, en facilitant 11 enlèvement du copeau par l'outil. On a maintenant trouvé que l'on peut à la fois améliorer le rendement d'un outil et diminuer l'usure de celui-ci en abaissant la température de fusion du matériau à attaquer. L'invention a pour objet un procédé d'enlèvement de matière, notamment applicable à l'usinage et au forage, comprenant l'utilisatlon, sur le lieu même de l'opération, de composés capables de former au moins un eutectique ou au moins un eutectotde avec le solide à attaquer, abaissant ainsi la température de fusion de ce lul-e1. Selon l'invention, on abaisse la température de fusion du solide à attaquer par la formation d'eutectiques ou dSeutectoides, c'est-à-dire d'alliages ou de mélanges de.corps, simples ou composés, dont l'association avec le solide considéré fond à une température inférieure à celle des constituants stil s'agit d'un eutectique, ou à celle du constituant principal s'il s'agit d'eutectotdes. Le procédé selon l'invention s'applique tout particulièrement aux cas d'usinage par abrasion et par percussion, les composés capables d'engendrer des eutectiques ou des eutectotdes étant alors véhiculés sous forme de fines particules par un fluide porteur, liquide ou gazeux. L'invention ne se rapporte pas seulement aux usinages sur machines-outils, mais également à une grande variété d'usinages par abrasion et par percussion, et en particulier au perçage des roches ou au forage, par percussion ou par tige rotative équipée d'outils divers, tels que des lames coupantes, des trépans, des têtes diamantées ou des têtes munies de grains de carbures ou d'autres matières dures.Pour ces modes de mise en oeuvre particulièrement préférés du procédé de l'invention, il convient de disposer soit de différentes boues chargées du composé approprié respectivement pour le forage d'un type précis de roche, soit d'une boue chargée de différents composés capables de produire des eutectotdes avec plusieurs roches, soit encore d'une boue chargée d'un composé capable de former des eutectotdes avec plusieurs types de roches. Parmi les composés capables de former des eutectiques ou des eutectotdes utiles dans le procédé selon l'invention, on peut distinguer les produits naturels et les produits de synthèse. Les produits naturels utiles à cet effet sont le spath-fluor (CaF2), la cryolithe (Na5AlF6) > les minerais naturels de plomb et d'autres métaux, à bas point de fusion généralement, certains feldspaths et autres composés naturels des métaux alcalins, ainsi que certains micas et autres roches fusibles, telles que la syénite néphéline. Les produits de synthèse utiles dans le procédé selon l'invention sont les verres ou émaux de récupération, certains laitiers ou scories provenant des opérations de métallurgie, ainsi que tout mélange approprié ou combinaison spécialement préparée. Les produits de récupération utiles dans ce procédé sont en particulier des poudres obtenues par broyage de verres à teneur relativement élevée en éléments "fondants", tels que B203, PbO, Na20, KtO, etc.), et peuvent être aussi certains résidus industriels possédant les mêmes propriétés. Les mélanges spécialement préparés peuvent être des combinaisons adaptées aux roches à forer ; on peut, grSce à des dosages à la portée de l'homme de l'art, obtenir des mélanges ou combinaisons particulièrement efficaces (voir par exemple les ouvrages intitulés Phasediagram for ceramista de 1964 et 1969). C'est ainsi que l'on peut par exemple associer les composés du fluor avec d'autres fondants, de façon à créer des fondants ayant une efficacité très générale et non sélective. En ce qui concerne les roches, il convient de remarquer qu'elles sont en général composées principalement d'oxydes et de carbonates. Les principaux composants des roches sont la silice (oxyde de silicium sis2) et l'alumine (oxyde d'aluminium A1203) > la calcite (carbonate de calcium CaCO3) et le carbonate de magnésium MgCO. Les combinaisons de ces principaux composants et des autres, qui sont moins importants, sont très nombreuses ; aussi on distingue des centaines de roches et les associations possibles de ces multiples combinaisons avec les composés introduits selon l'inven- tion sont innombrables. De préférence on utilise des composés insolubles dans l'eau de la boue de forage, s T il STagit d'un forage, ou dans le liquide d'arrosage, s'il s'agit d'un usinage par abrasion. On peut toutefois utiliser aussi des solutions, saturées ou sursaturées, du ou des composés capables de former au moins un eutectique ou au moins un eutectotde avec le matériau à attaquer. Bien qu'on ne désire pas autre lié par une quelconque théorie, on pense que la pression exercée par l'outil sur le matériau à attaquer, au cours de l'opération d'usinage, engendre de la chaleur dans ledit matériau et dans l'outil Même en milieu aqueux protecteur, on atteint ainsi la température de fusion du matériau à attaquer, ce qui en permet donc bien l'usinage et le forage, mais parfois aussi la température de fusion de l'outil, ce qui en provoque l'usure. Si de fines particules d'un matériau plus fusible sont prises "en sandwich" entre l'outil et le matériau à attaquer, elles fondent les premières et se comportent localement comme un "fondant dans la mesure bien str où elles possèdent cette propriété à 1'égard du matériau à attaquer. Les dimensions de cet effet sont infinitésimales, mais leur répétition est très importante ; dans le cas de l'abrasion, par exemple, une meule à grains fins travaillant à la vitesse de 35 mètres/seconde présente plus de 35000 arêtes cou pantes à la seconde par mm de surface de travail. Il ne fait pas de doute qu'après fusion eutectique ou eutectotde les particules ou les copeux ainsi détachés sont emportés et refroidis par le liquide vecteur et le matériau usiné lui-même reste dans son état initial. Il faut à ce sujet remarquer qu'il est connu d'ajouter à certains matériaux métalliques d'autres corps plus fusibles pour en faciliter l'usinage, à savoir du plomb ou du soufre ajoutés pour l'usinage des aciers, mais ce mode opératoire diffère sur deux points au moins du procédé de l'invention 1) le mode opératoire mis en oeuvre dans ce procédé de l'art antérieur modifie au préalable la composition du matériau à attaquer, et 2) l'effet obtenu par ce procédé de l'art antérieur n'a rien qui s'apparente, mEme de loin, à la formation d'eutectiques ou d'eutectotdes (la quantité d'additif étant beaucoup trop faible) et consiste seulement en la formation d'un film lubrifiant du matériau fusible à l'arête de l'outil. A titre d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on a usiné par abrasion des carreaux de fatence, en utilisant comme composé capable d'engendrer des eutectiques ou des eutectotdes une poudre de verre au borosilicate en suspension dans l'eau, additionnée d'un agent émulsionnant. On a pu établir qu'en opérant ainsi on parvenait à doubler, et même à augmenter nettement au-delà du double, la vitesse d'abrasion, tant à la meule qu'à la bande abrasive Tout au long de cet usinage par abrasion, l'usure de l'outil était nulle et il ne se produisait aucun encrassement. On a d'autre part procédé à un perçage au foret diamanté d'une stéatite électrotechnique, en utilisant à titre de composé capable d'engendrer des eutectiques ou des eutectotdes une poudre de verre au borosilicate ; ce mode opératoire a permis de réaliser le perçage avec une vitesse au moins égale à 1,5 fois la vitesse du même perçage réalisé dans les conditions classiques On a également utilisé avec de bons résultats des poudres de verre au bore (borosilicates) pour le perçage de roches à haute teneur en silice, en particulier de roches comportant des rognons de silice épars dans certaines couches sédimentaires. Pour le perçage de roches à haute teneur en alumine, la cryolithe s'est révélée très efficace. Pour percer des roches de compositions diverses ou forer dans des sous-sols de compositions diverses, on peut par exemple utiliser une poudre d'un verre au bore très chargé d'oxydes métalliques. Ces verres peuvent être soit des produits de récupération, soit des verres ou frittes composés spécialement, et dans ce dernier cas un dosage approprié des différents éléments constitutifs de ces verres ou frittes permet d'élaborer le mélange le plus efficace pour l'objectif que l'on s'est assigné. On utilise à cet effet des fours du type de ceux qui sont habituellement utilisés pour la fabrication des frittes d'émaux dans les industries de la céramique ou de l'émaillage. REVENDICATIONS 1. Procédé d'enlèvement de matière, notamment applicable à l'usinage et au forage, caractérisé en ce qu'il comprend l'utiles sation, sur le lieu même de I'opération, d'au moins un composé capable de former au moins un eutectique ou un eutectotde avec le solide à attaquer, abaissant ainsi la température de fusion de celui ci. 2. P#rocédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un usinage ou forage par abrasion ou par percussion et les composés capables d'engendrer des eutectiques ou des eutectotdes avec le matériau à attaquer son véhiculés sous forme de fines particules par un fluide porteur, liquide ou gazeux. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, carac térisé en ce que les composés capables de former au moins un eutectique ou un eutectotde avec le matériau à attaquer sont choisis parmi le spath-fluor, la cryolithe, les minerais naturels de plomb et d'autres métaux, essentiellement à bas point de fusion, des feldspaths et autres composés naturels des métaux alcalins, ainsi que des micas et autres roches fusibles, telles que la syénite néphéli ne. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les composés capables de former au moins un eutectique ou un eutectotde avec le matériau à attaquer sont choisis parmi les verres ou émaux de récupération, des laitiers ou scories provenant des opérations de métallurgie et des mélanges appropriés ou combinaisons spécialement préparées. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que les composés capables de former au moins un eutectique ou un eutectotde avec le matériau à attaquer sont sous forme de solutions, saturées ou sursaturées. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il consiste en un forage et les composés capables de former au moins un eutectique ou un eutectotde avec le matériau à attaquer sont des composés insolubles dans l'eau de la boue de forage. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste en un usinage par abrasion et les composés capables de former au moins un eutectique ou un eutectoide avec le matériau à attaquer sont des composés insolubles dans le liquide d'arrosage.