par Dominique Dubois: ddubois@trametal.com

Le deuxième Congrès CETIM des technologies propres, CLEANMECA, a eu lieu à Senlis les 17 et 18 octobre 2006. Maître mot de cette édition : la mécanique durable. Environ 300 personnes, visiteurs et industriels, ont assisté aux sessions organisées ces deux jours. Thèmes principaux : l’usinage et la mise en forme des matériaux, le dégraissage et nettoyage des pièces mécaniques, la préparation et le revêtement de surface et, enfin, le traitement et recyclage des effluents. “Une manière chronologique de faire le tour des procédés en matière de technologies propres et sûres”, résume Jérôme Ribeyron (Cetim), responsable de la programmation de Cleanmeca. Deux conférences, parmi d’autres, tout aussi instructives, ont retenu notre attention, celle de M. Gérard Gaudin, Directeur Industriel de VOGEL France du groupe SKF, sur la micro-lubrification et celle de M. Patrick Marquant de DELCAM France, consacrée aux stratégies d’usinage et à leur impact sur la productivité.

Pour un usinage performant et plus propre
Les lignes qui suivent sont un condensé de l’intervention de la société Vogel/SKF France, ex-Mecafluid. M. Jacques Leclerc, Président de la Commission Mécanique Industrie France et conseiller du président de MECACHROME rappelait, en préambule, qu’un pays comme la France consomme environ 30 000 tonnes de lubrifiant soluble non dilué annuellement, pour plus de 3 000 tonnes dans le seul secteur aéronautique. Dans les bacs de copeaux d’aluminium, le lubrifiant huile soluble “pèse” 15% du total et oblige à recourir à des sécheurs/évaporateurs coûteux qui conduisent à des rejets d’eaux sales importants avec une mauvaise valorisation des copeaux. Une alternative sous forme de micro-lubrification est donc vitale en termes de compétitivité comme de gains de productivité, sans même parler des problèmes de vapeurs nocives pour les opérateurs. Notons à nouveau que le coût de la lubrification dépasse largement le coût des outils par pièce usinée.

La mise en œuvre d’un projet MQL (Minimal Quantity Lubrication)
Il y a un certain nombre de précautions à prendre et d’adaptations à prévoir dans la chaîne d’équipements allant de l’attachement au bac à copeaux. En outre, il y a lieu de discerner la MQL interne de sa sœur externe. Rappelons que la lubrification sert à évacuer les calories, à améliorer les frottements et à faciliter l’évacuation des copeaux. La MQL externe (système VECTOLUB chez Vogel) générera des gouttes de 50 à 400 µm tandis que la MQL interne (système LUBRILEAN) obligera à pousser la pulvérisation jusqu’à un brouillard de gouttelettes de 0,3 à 1 µm. En MQL externe, le fractionnement des gouttes doit se faire au plus près de l’outil, le système Vectolub pouvant s’adapter à toutes les configurations. Avec la MQL interne, le mélange se fait au sein du système Lubrilean et devra interdire aux micro ou nano gouttelettes de se recondenser avant l’arête de coupe. Le pilotage et le contrôle se font avec une interface intégrée à une CNC comme chez SIEMENS ou bien déportée sur un PC avec un logiciel comme EASYLUB.

Des pré-requis
Outre des essais à mener sur le type de lubrifiant et les réglages optimaux des appareils et autres buses dans le cas de MQL externe, il conviendra de choisir des outils adaptés avec la stratégie d’usinage correspondante. On ne perce pas ou on n’ouvre pas de poches profondes tout à fait de la même façon en brouillard d’huile ou en arrosage d’huile soluble. Avec une MQL interne, les outils à arrosage central devront être choisis avec discernement. Ceux-ci devront posséder des sorties de lubrifiant plutôt dans les goujures pour décoller les copeaux et limiter les frottements ou disposés en distribution radiale sur les fraises à plaquettes. Autant dire que les canaux classiques des outils d’arrosage sous pression ne conviennent pas tous, surtout s’il y a rupture de charge dans le corps de l’outil. La liaison sur l’attachement est tout aussi importante, en évitant toute discontinuité dans les diamètres, même sur les attachements frettés. Enfin, un dispositif d’évacuation des copeaux devra être prévu par soufflage ou aspiration.

Fig. 1 - Ce schéma illustre la différence entre les deux procédés de microlubrification. Avec le système en continu, repéré 2, le brouillard de gouttelettes très fines est produit dans le groupe d’alimentation et est conduit via un tuyau à l’arête de coupe ou à la pièce. Avec le système à dosage volumétrique, repéré 1, l’air comprimé et le lubrifiant sont amenés par des tuyauteries séparées, au plus prés du besoin, dans une buse calibrée spéciale comme sur un pistolet à peinture. En jouant sur la forme de la buse, un jet adapté au travail envisagé est obtenu.

En usinage à sec, il y a d’autres verrous difficiles à contourner tels que l’émission de poussières et de nano-particules nocives ainsi qu’une oxydation à chaud des surfaces, sans parler des risques d’explosion des nuages de poussières. Les alliages légers au lithium utilisées en aéronautique sont particulièrement délicats à cet égard.

Avec la MQL, la visibilité est meilleure, les conditions de coupe sont améliorées, la durée de vie des outils aussi avec la disparition des chocs thermiques. Les copeaux sont facilement valorisés, les coûts de stockage et de retraitement des effluents supprimés, tandis que l’hygiène des ateliers se trouve restaurée. Il n’est plus besoin de rendre les lasers de mesure étanches ou de mettre les broches en surpression, de refroidir les bacs à lubrifiants ou encore de dégraisser les pièces usinées avant une pulvérisation anti-corrosion. Beaucoup d’avantages donc au prix d’une réétude partielle du processus d’usinage et de l’installation d’un système de contrôle et de production du brouillard d’huile.

Influence des stratégies d’usinage sur la puissance absorbée
De son côté, M. Marquant, de Delcam France exposait son point de vue dont ondonne, ici, les grandes lignes. Des essais systématiques ont été menés par cet éditeur avec le LPMM de Metz sur une machine RÖDERS RP800 équipée de watt-mètres et avec le concours de M. Henon de la société STEVENINNOLLEVAUX, un sous-traitant industriel. L’outil était une fraise carbure monobloc multi-dents à âme renforcée de diamètre 12 mm avec une hélice de 55° pour les essais à forte avance et faible profondeur de passe et une fraise 4 dents dégagée avec une coupe en bout “fish-tail”, c’est-à-dire inversée un peu comme sur les forets à bois, pour les essais à fort Ap. Ces outils étant fournis par MMC ou SECO TOOLS. (Fig. 2).









Fig. 2 - Les deux outils utilisés sont ici visibles avec les deux types de copeaux bien différents générés. Il va de soi que seuls des outils de qualité supérieure sont capables de tenir les paramètres annoncés de façon fiable.






La matière choisie était de l’acier traité X38CrMoV5 à 55 HRC. Le protocole de l’étude revenait donc à mesurer dans quelles proportions la mise en œuvre de stratégies de travail en ébauche, à fort Ap et avance soutenue, en fraisage trochoïdal voire en tréflage, pouvait ou non influer significativement sur les temps de cycles et les conditions de travail. Le travail s’effectuant à sec sur une machine rigide et à forte dynamique afin de “tenir” les paramètres de coupe imposés par le programme.

Pour les tests “forte Avance à la dent Fz”:
Ils réclament des vitesses d’avances importantes, on va donc s’efforcer de favoriser la fluidité des trajectoires:
- Arc Fit pour supprimer les changements de direction brusques,
- Race-line™ pour lisser les trajectoires

Pour les tests “Forte profondeur de passe Ap”:
le contrôle du “volume copeau” est essentiel pour éviter la surcharge puis la casse des outils, on va donc générer:
- Arc Fit pour supprimer les changements de direction brusques,
- Race-line™ pour lisser les trajectoires,
- mode trochoïdal pour réguler le volume copeau,
- régulation des avances dans certains cas pour optimiser le tout.

Test fort Ap sans lissage de trajectoire.
Des passes classiques avec un pas constant (parallèles entre-elles) conduisent à un engagement radial de l’outil qui provoque une “surcharge” et la casse outil. En mode “race-line” le lissage de trajectoire réduit considérablement les zones en surcharge et favorise la dynamique de la machine-outil à commande numérique. Dans la suite des essais, le lissage de trajectoire a été combiné avec l’usinage trochoïdal en usinage adaptatif (Fig. 3A & 3B).

Fig. 3A & 3B - Ces deux simulations sont très instructives car elle mettent bien en évidence l’importance des choix quant à la stratégie optimale en fonction du type de pièce. Avec le process existant, la même fraise est utilisée en ébauche et finition et la forme ébauchée est proche de la forme définitive. Il s’agit d’une pièce assez complexe qui comporte de nombreux pièges. Avec la stratégie adaptative à fort engagement de l’outil et le recours tantôt au tréflage ou à l’usinage trochoïdal, l’ébauche est réalisée en un temps record avec un outil spécifique mais la finition est nettement plus longue, le lissage de trajectoire “rallongeant” les parcours. Au final, le gain est de 29 % et la machine est exploitée de façon plus rationnelle, mais dans d’autres configurations le choix pourrait être inverse.

En résumé :
Les essais réalisés ont montré que les stratégies de type “fort Ap” par rapport à des stratégies “forte AV” (pour des matériaux durs) pouvaient :
- apporter des gains significatifs au niveau des puissances consommées tant par la broche (1,5 à 2 fois) que les axes (2,5 à 3,5 fois). A l’heure de la prise en compte des économies d’énergie, ce point, rapporté à l’année est loin d’être à négliger.
- conserver une meilleure efficacité sur des formes complexes et nécessiter des dynamiques moins importantes (7 m/mn en FAV contre 3 m/mn en FAp) mais que leur mise en œuvre nécessitait quelques précautions telles que :
- lissage des trajectoires type race-line
- arc fit, trochoïdes, ...

Il faut cependant noter que cette stratégie :
- ne pourra pas s’appliquer à tous les types de pièces (pièces “hautes” de préférence)
- que le bilan global doit intégrer “Ebauche + reprise d’ébauche” et que l’amélioration de la durée de vie des outils avec la quasi disparition des casses imprévues par surcharge est un facteur facilitant essentiel en production, surtout sans opérateur.
- Des outils adaptés sont recommandés avec des formes étudiées pour une bonne évacuation des copeaux et une âme rigide avec une queue renforcée.

Exemple d’essai : Ebauche fort Ap acier Z 40 CDV10 à 55 HRc; Fraise D12 R3: Ap =10,5 mm; AE 0,05 à 0,45 mm; Vc=250 m/mn; 4dts – Fz=0,1 – N = 6600 t/mn – F = 2600mm/mn
Résultat: temps ébauche divisé par 4 par rapport à une gamme “classique” (petit Ap) sur même machine-outil (Fig. 4).

Le lecteur pourra utilement se reporter à un article sur le fraisage à forte avance paru dans l’édition “Spécial Moulistes” de TraMetal, page 6, (Code Article: DKZ34) et réalisée à partir d’un rapport établi par le carburier ATI STELLRAM.









Fig. 4 - Sur cette image, la simulation des trajectoires montre clairement la différence entre un parcours classique et l’effet d’un lissage sur des application à fort engagement de l’outil. Cette fraise de type “fishtail” est visible dans la vignette supérieure.

En conclusion
La prise de conscience de la nécessité impérieuse de penser “développement durable” dès la phase de conception d’un produit commence à être prise en compte par les décideurs français. Un peu comme le contrôle qualité, le développement durable a été d’abord considéré comme un gadget “écolo” représentant un coût supplémentaire. Ceux qui ont compris avant les autres que la maîtrise de la qualité de leurs produits et la mise en place d’une traçabilité efficace était un atout sur le marché français et un plus à l’exportation, sont toujours bien vivants alors que nombre des retardataires ont été rachetés ou ont disparus. Outre la nécessité vitale de ménager notre petite planète, la demande du marché grand public et industriel est en train de se retourner et de douloureuses surprises sont à venir pour les fabricants ou importateurs qui n’auront pas le label “développement durable” sur leurs produits, l’exemple des moteurs hybrides étant une illustration de tendance largement sous-estimée dans le secteur automobile. Ce congrès/exposition organisé par le Cetim à Senlis a été un vif succès tant par la qualité des interventions que par les nombreux visiteurs qui se pressaient dans les stands des sociétés partenaires. Longue vie à Cleanmeca donc.