Brevet FR2896714A1 — publié le 20070803

Méthode et dispositif de foreuse pour contrôler et optimiser un fluide de coupe, La présente invention concerne une méthode et un dispositif permettant de suivre l'évolution et d'optimiser les performances d'un fluide de coupe en opération, par le biais d'une mesure du rythme d'enlèvement de matière, dans des opérations d'usinage comme le fraisage, le décolletage, le perçage et tout autre usinage caractérisé en ce que les efforts d'enlèvement de matière sont prépondérants devant les efforts de friction et de glissement. La sélection du fluide de coupe le mieux adapté revêt une grande 10 importance pour l'usinage de métaux et alliages, car au travers de fonctions de lubrification et de refroidissement de l'outil, ce fluide peut avoir un impact important sur le rythme possible d'enlèvement du métal et donc sur la productivité des installations. Néanmoins, quelles que soient ses qualités initiales, les performances 15 d'un tel fluide de coupe ont tendance à se dégrader au cours du temps, jusqu'à provoquer des arrêts non programmés des machines de production. Avec l'augmentation régulière des prix des matières premières, les opérateurs sont de moins en moins enclins à un remplacement régulier et programmé du fluide de coupe, et demandent souvent un remplacement du 20 fluide en opération selon l'état, ou même une maintenance sur site. Face à ce besoin de contrôle sur site, l'utilisateur est aujourd'hui assez dépourvu. Il existe bien un certain nombre de machines qui servent aux concepteurs de lubrifiants pour mesurer l'effet de divers additifs dits antiusure ou extrême-pression, mais ces machines sont d'une part, hors de 25 portée du plus grand nombre du fait de leur coût prohibitif et d'autre part, elles ne sont pas toujours assez proches de l'application d'usinage. Il y a donc un besoin croissant pour des machines de test tout à la fois économiques et proches des applications, mais ne le cédant en rien sur le plan de la fiabilité par rapport à ce qui existe. 30 Enfin, parce qu'elles seront plus pertinentes par rapport au travail de métaux, de telles machines pourront aussi faciliter la tâche des formulateurs, qui sont eux-mêmes engagés dans le remplacement de gammes d'additifs aujourd'hui obsolètes, du fait des récentes évolutions dans les normes relatives à l'environnement ou la santé. Historiquement les premières machines de test de lubrifiants à avoir été mises au point sont plutôt basées sur des phénomènes de lubrification et de friction alors que les tests de coupe proprement dits, c'est à dire d'enlèvement de métal, sont une préoccupation plus récente. On peut classer le type de machine en fonction de la géométrie du contact métal-métal (figures 1A-1C). La disposition en tétraèdre de quatre billes (figure 1A) est revendiquée pour la première fois dans des brevets de la société Shell délivrés dans les années 30 en Grande-Bretagne sous le numéro 409903 et aux Etats-Unis sous le numéro 2019948, d'où le nom de "Shell 4 bail test" souvent donné à cette méthode. Dans ce test, trois billes en acier sont maintenues au contact dans le même plan et sont immobilisées dans une cavité contenant aussi le lubrifiant à tester. Une quatrième bille d'acier, solidaire d'un mandrin, est appliquée sur les trois autres avec une force qui peut dépasser la demi-tonne puis on imprime à cette bille un mouvement de rotation de 600 ou 1200 tours/min., pour provoquer soit une usure, soit une soudure du système de billes. La plupart des brevets que l'on observe sont des améliorations tendant à fiabiliser le système qui est assez coûteux hormis les consommables. La machine FALEX "Pin on vee block", est un système presque aussi ancien, puisque les brevets ont été délivrés en 1938 aux Etats-Unis sous les numéros 2106170 et 2110288. Dans ce test, 2 mâchoires en acier formant une gorge en V enserrent un axe tournant à grande vitesse (figure 1B). La pression exercée par les mâchoires peut dépasser la demi-tonne ce qui pose des problèmes de déformation de la structure à la longue. Le constructeur a d'ailleurs modifié la machine à partir de 1965 de façon à ce qu'elle puisse être recalibrée régulièrement à cause de ces déformations. Les consommables sont également plus chers que dans la machine 4 billes. On connaît encore d'autres machines de tests par friction dont la principale est celle de la société Timken (figure 1C), dont les brevets ont été délivrés dès 1935 sous les numéros 1990771 et 1995832. Ce test est plus simple dans son principe mais est souvent moins bien en accord avec le comportement en service réel de sorte qu'il est relativement peu utilisé. Bien qu'elles soient très utiles pour la conception des additifs anti-usure, ces machines de tests par friction ne conviennent pas aussi bien aux simples utilisateurs de fluides de coupe pour deux raisons, qui sont le coût mais surtout la géométrie du contact métal-métal. Un des systèmes de test le mieux reconnu aujourd'hui pour l'évaluation des fluides de coupe est le "tapping torque test", ce que l'on peut traduire par "machine de mesure de couple de taraudage". Cette méthode est basée sur la mesure du couple nécessaire pour 5 effectuer un taraudage sur un alésage (figure ID). Dans cette méthode, plus le couple nécessaire est faible pour un travail donné, meilleur est le lubrifiant. La procédure actuelle recommande de donner le résultat comme un coefficient d'efficacité par rapport à un fluide de référence (produit qui reste au choix de l'utilisateur). 10 Le principal fabricant de ce type de machine est aujourd'hui la société FALEX, qui ne dispose pas cependant d'un brevet correspondant. Cette machine est assez coûteuse du fait de la précision d'avance, qui doit être stable à 0,1 m/min. et surtout du fait de la cellule de mesure du couple, qui ne doit pas interférer avec l'opération. 15 Le coût des consommables dans cette méthode est également assez élevé à cause de la précision nécessaire sur les alésages d'essai (norme ISO 2306: tolérance sur le diamètre au moins IT 7, cylindricité 20 microns, rugosité 1 micron), et compte tenu que les tarauds sont généralement des outils assez coûteux par nature. 20 En conclusion, le "Tapping Torque Test" reste globalement un test assez coûteux qui, s'il convient à des applications de taraudage, ne correspond pas vraiment à de la coupe "pure" car au fur et à mesure que le taraud s'enfonce, les efforts de friction sur le filetage peuvent devenir relativement importants par rapport aux efforts de coupe. 25 La situation est très différente avec le perçage d'un trou borgne par un foret : les efforts sur les flancs restent généralement négligeables et tout le travail se fait au niveau du front de coupe où survient de plus, un dégagement de chaleur qui reste très difficile à évacuer. Actuellement, la seule référence en la matière est constituée par la norme 30 ISO 3685 qui permet en principe de comparer la durée de vie des forets en opération. Dans les grandes lignes, le test consiste à enchaîner une série de perçages "le plus rapidement possible", jusqu'à ce qu'il y ait rupture du foret, puis on compte le nombre de trous réussis. Cette méthode doit être examinée sous les angles économiques et d'objectif : les études récentes montrent que les coûts des forets, ne représentent souvent qu'une faible part du coût total d'usinage. En même temps, la part relativement importante des autres sources de dépenses, dont le temps d'usinage, est mis en exergue. En d'autres termes, il est plus intéressant sur le plan économique, de chercher à améliorer le rythme d'enlèvement de métal que d'optimiser simplement la durée de vie du foret. Cette méthode est également coûteuse en terme d'automatisation nécessaire des perçages. Il faut travailler sur un grand nombre de consommables pour obtenir des statistiques fiables, car la rupture d'un foret reste un événement imprévisible et aléatoire malgré toutes les précautions que l'on peut prendre. Les raisons en sont multiples : échauffement, défauts d'alignement, réintroduction de copeaux, difficultés de retrait,... Notre invention concerne une méthode et un dispositif répondant au besoin de suivre l'évolution ou d'optimiser les performances d'un fluide de coupe en opération, par le biais d'une mesure du rythme d'enlèvement de métal, dans des opérations d'usinage telles que le décolletage, le fraisage, le perçage et tout autre usinage caractérisé en ce que les efforts d'enlèvement de matière sont prépondérants devant les efforts de friction ou de glissement. La méthode se caractérise premièrement en ce que l'on qualifie un fluide de coupe par la mesure du rythme d'enlèvement de métal par action d'un foret normalisé dans une éprouvette en métal ou alliage également normalisé. La mesure de 1"enlèvement de matière peut se faire de différentes manières : par mesure du déplacement relatif du foret, par mesure de la profondeur du trou obtenu, mais de préférence, elle peut être obtenue par une mesure de la perte de masse de l'éprouvette après une durée d'usinage prédéterminée. Cette méthode se caractérise deuxièmement en ce que la vitesse de rotation et la pression sur l'outil sont fixées et que l'on laisse évoluer l'avance selon le gré de l'outil, à l'inverse de ce qui est pratiqué en général pour les machines de test d'usinage. La raison principale de cette inversion par rapport notamment aux machines de test de tarauds de type "Tapping Torque Test", tient au fait que l'on n'est pas limité ici par la nécessité de régler l'avance selon le filetage que l'on veut obtenir. Le dispositif selon la méthode se caractérise aussi en ce qu'on utilise 35 pour entraîner l'outil, un servomoteur à aimants permanents fonctionnant en courant continu avec une régulation de vitesse par valeurs discrètes. -Un premier avantage de ce dispositif est une quasi-insensibilité du couple et de la vitesse de rotation par rapport à la charge de travail. Un deuxième avantage est une très faible inertie du système pour les démarrages et les arrêts, ce qui garantit une bonne précision du temps d'usinage dans la méthode. - Un troisième avantage consiste en la possibilité de réglage de la vitesse par plots de valeurs discrètes, laquelle disposition élimine toute source d'imprécisions manuelles ou électroniques. - En fonction de l'usage, il est possible d'ajouter au servomoteur, un 10 étage réducteur ou multiplicateur de vitesse, de façon à accéder à différentes gammes de vitesses et de couples. La charge est obtenue en positionnant des poids sur un portique recevant également le servomoteur et le mandrin. Optionnellement, la charge peut également être obtenue par action de systèmes hydrauliques ou pneumatiques 15 avec compensation. Pour la description détaillée du dispositif selon l'invention, on se reportera pour plus de facilité sur les figures annexées : - Les figures 2A et 2B montrent le dispositif dans son ensemble tel qu'il se présente selon la capacité de l'installation. - La figure 3 montre le détail d'un bloc métallique formant une cuvette 20 d'essai destinée à recevoir le fluide de coupe aussi bien que les éprouvettes devant être usinées. Le servomoteur 1 piloté par une alimentation 2, est installé avec son mandrin 3 sur un portique 4 pouvant coulisser librement le long d'une ou deux colonnes verticales 5 ou bien pouvant être bloqué en position haute à 25 l'aide de poignées de serrage 6. Ce portique reçoit également le ou les poids de charge 7 servant à fixer la pression de l'outil (figures 2A et 2B). La ou les colonnes du portique sont solidaires d'une plate-forme 8 sur laquelle on vient déposer un bloc parallèlipèdique de métal 9, d'au moins 10 kilogrammes dans lequel une cuvette d'essai 10 a été directement taillée. 30 Le fond de la cuvette est percé et fileté pour fixer l'éprouvette 11 directement au contact du bloc de façon à assurer une bonne dissipation thermique, tout en travaillant par immersion dans le fluide (figure 3). Dans une première version du dispositif, le bloc formant cuvette est déplacé et repositionné manuellement par rapport au portique et au mandrin à 35 chaque opération de perçage. La masse du bloc suffit alors à assurer une immobilité parfaite de l'ensemble du système pendant l'essai (figure 2A). Dans une deuxième version qui concerne les installations à double colonne ou disposant de servomoteurs dépassant 20 N.m (figure 2B), le bloc formant cuvette est plus massif avec un ratio par rapport au couple disponible supérieur à 2Kg/N.m et de préférence supérieur à 5Kg/N.m. Le bloc est alors avantageusement monté sur une table à mouvement croisés 12, dotée de poignées de serrage 13 ou tout autre dispositif du commerce permettant un positionnement précis et sécurisé sur deux axes (figure 2B). Le caractère massif du bloc formant cuvette présente un autre avantage en terme d'inertie et d'équilibre thermique, notamment lorsque les essais doivent être conduits à une température particulière. A cet effet, le bloc formant cuvette comporte différents alésages, dont les plus importants 14, sont réservés à des éléments chauffants alors que les plus petits, servent à la circulation de liquide de refroidissement 15 ainsi qu'à l'enregistrement et la régulation de la température 16 (figure 3). Grâce à sa forme simple, le bloc de métal peut facilement recevoir un caisson réfractaire (non représenté) pour les essais. On donne ensuite quelques exemples d'illustration de l'invention : A titre d'information, ces essais ont été conçus et effectués sur un prototype mis au point dans le cadre d'une collaboration entre la société CILA (Compagnie Industrielle des Lubrifiants d'Aulnoye) et la société ADINOV (Analyse Developpement Innovation Veille), située à Roubaix. Exemple 1. Recherche de la concentration d'un additif anti-usure optimisant le rythme d'enlèvement de métal (méthode par pesée). Préparatifs : Sauf indication contraire, on utilise des forets laminés en acier rapide HSS répondant aux standards DIN 338 ou DIN 1412, ainsi que des éprouvettes taillées dans de l'acier normalisé. Chaque essai d'une concentration d'additif nécessite un foret neuf avec lequel une série de perçage va être effectuée. Chaque foret neuf est examiné pour rechercher tout défaut qui conduirait à sa mise à l'écart puis les forets retenus sont initialement dégraissés pour éliminer toute trace de produit de stockage qui pourrait venir fausser les mesures. Une éprouvette est initialement dégraissée et séchée pour être pesée au 1/10 de milligramme, puis après chaque perçage d'un trou borgne, l'éprouvette est démontée, dégraissée et séchée pour être pesée de nouveau avant d'être remontée dans la cuve. Conduite d'un perçage (figure 2A) : Après avoir vérifié le poids de travail 7 installé sur le portique 4 et le bon état de graissage de la colonne 5, le levier de serrage 6 du portique 4 est desserré et le foret sécurisé dans son mandrin 3 est progressivement descendu jusqu'au contact avec l'éprouvette 11. Le levier du portique est ensuite desserré au maximum pour que toute la charge repose sur l'outil. La quantité de fluide dans la cuve est éventuellement ajustée de façon à assurer l'immersion de l'éprouvette sous 5 mm de fluide, puis on enclenche enfin le moteur pendant une durée prédéterminée. Autres précautions : Pour le choix de la zone de perçage, on doit respecter une distance entre les trous égale au moins au diamètre du foret, de façon à éviter qu'une modification du métal engendrée par les perçages précédents vienne fausser les mesures. Pour distinguer le positionnement avec les fluides de couleur foncée, on peut utiliser une pipette et une poire qui permet de faire baisser momentanément le niveau du fluide de coupe dans la cuve. Lorsque les essais doivent être conduits à une température particulière, les opérations de perçage proprement dites ne commencent qu'après une stabilisation d'au moins une demi-heure. Expression des résultats : Au procès verbal de l'essai est d'abord portée la composition du fluide autant qu'elle puisse être connue, puis les conditions opératoires : nature et traitement des rnétaux, diamètre du foret, charge sur le portique, nombre de tours par minute, température et durée de chaque perçage. La droite du cumul d'enlèvement de matière de l'éprouvette est tracée et la pente est calculée sur une série de 3 à 6 perçages successifs, ou tout au moins de façon à obtenir un coefficient de linéarité d'au moins 0,98. La figure 4 montre que le meilleur compromis d'enlèvement de matière n'est pas toujours obtenu pour la dose d'additif anti-usure la plus élevée. Les paramètres étaient : température de 25 C, éprouvettes d'acier 40CMD8 d'un centimètre d'épaisseur, forets HSS de 2 mm de diamètre DIN 338 TYP N, 5 perçages successifs de 5 minutes chaque à la charge de 5Kg. Le servomoteur était de type Engels GNM21 à 6000 tours / min. avec un réducteur planétaire de rapport 30:1, fournissant une vitesse finale de 200 tours/min. Exemple 2. Méthode par mesure de la profondeur de perçage. Dans ce mode d'utilisation, on mesure les profondeurs atteintes lors des perçages à l'aide d'un pied à coulisse équipé d'une jauge de profondeur ronde ou tout autre dispositif de métrologie similaire. Ce mode d'utilisation est particulièrement utile si on ne possède pas de balance de laboratoire ou lorsqu'on désire travailler avec des profondeurs de perçage importantes, avec des éprouvettes dont la masse dépasse la portée usuelle des balances de précision. Ce mode d'utilisation est aussi plus rapide donc économique, du fait que l'éprouvette n'ayant plus à être pesée, n'a pas besoin non plus d'être démontée, ni dégraissée ni séchée et peut être laissée dans la cuve d'essai tant que l'on ne change pas de fluide. Si on connait la densité du métal de l'éprouvette, on peut enfin tracer de la même manière que dans l'exemple 1, la droite du cumul d'enlèvement de matière et calculer la pente sur une série de 3 à 6 perçages successifs, ou tout au moins de façon à obtenir un coefficient de linéarité d'au moins 0,98. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de suivre l'évolution et d'optimiser les performances d'un fluide de coupe en opération, par le biais d'une mesure du rythme d'enlèvement de métal ou d'alliage, dans des opérations d'usinage telles que le décolletage, le fraisage, le perçage et tout autres travaux d'usinage, comprenant un servomoteur (1), un porte-outil (3) et un outil d'enlèvement de matière, ainsi qu'une cuvette d'essai (10) destinée à recevoir le fluide et les éprouvettes d'essai, caractérisé en ce que l'outil d'enlèvement de matière génère des efforts d'enlèvement de matière prépondérants devant les efforts de friction ou de glissement lors desdits travaux d'usinage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil d'enlèvement de matière est un foret normalisé. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'entraînement d'outil est réalisé par un servomoteur à aimants permanents (1) fonctionnant en courant continu et comprenant de préférence un étage réducteur ou multiplicateur de vitesse, ou tout autre système d'entraînement caractérisé par une quasi-insensibilité du couple et de la vitesse de rotation par rapport à la charge de travail et une faible inertie lors des démarrages et des arrêts. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le 20 servomoteur (1) est accompagné d'une régulation de vitesse par plots de valeurs discrètes (2), laquelle élimine toute source d'imprécision manuelle. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la pression à appliquer sur l'outil est obtenue en positionnant de simples poids sur un portique (4) recevant également le servomoteur et l'outil, l'ensemble 25 pouvant coulisser librement le long d'une ou deux colonnes verticales (5) solidaires d'une plate-forme d'essai (8). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la stabilité du portique est obtenue par disposition sur la plate-forme d'essai (8), d'un bloc parallèpipèdique de métal (9), d'une masse suffisante par rapport au couple 30 servomoteur disponible, de préférence compris entre 2 Kg et 5Kg par Newton-mètre et dans tous les cas d'une masse supérieure ou égale à 10Kg. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une cuvette d'essai (10), prévue pour recevoir le fluide à tester, est directement taillée dans la masse du bloc de métal, le fond de cette cuvette étant en outre équipée de taraudages pour une fixation d'éprouvettes directement au contact du métal pour une meilleure inertie thermique lors des essais. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le bloc parallèpipèdique de métal (9), peut facilement recevoir un caisson isotherme ou réfractaire grâce à sa forme géométrique simple et est d'origine équipé pour des essais à différentes températures, grâce à la présence de différents alésages, les plus importants étant réservés à des éléments chauffants alors que les autres sont destinés à une circulation d'un liquide de refroidissement ainsi qu'à la régulation et l'enregistrement de la température. 9. Procédé permettant de suivre l'évolution et d'optimiser les performances d'un fluide de coupe en opération, au moyen d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on mesure un rythme d'enlèvement de matière, soit par le biais de pesées successives d'éprouvettes subissant des usinages, soit par le biais d'une mesure des profondeurs d'usinage, par exemple obtenues à l'aide de gauges de profondeur. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vitesse de rotation et la pression sur l'outil sont fixées et qu'on laisse évoluer l'avance selon le gré de l'outil, à l'inverse de ce qui est pratiqué en général pour les machines de test d'usinage.