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Comment maîtriser la lubrification

Mirel Scherer
Comment maîtriser la lubrification

Quelque 3 000 tonnes d'huile soluble sont consommées chaque année en France pour l'usinage de l'aluminium et cela n'est qu'une petite partie de la consommation totale de lubrifiants. Les coûts en lubrifiants sont élevés, tout comme le poste recyclage. Sans parler de sa nocivité pour la santé des opérateurs et pour leur sécurité.

© D.R.

L'usinage à sec reste un objectif prioritaire pour certains industriels. En attendant l'élimination du fluide de coupe, la lubrification minimale et les fluides écologiques font leur percée.

Les constructeurs de machines-outils n'ont pas attendu le renforcement de la réglementation pour lutter contre la pollution. Il suffit de visiter la plupart des ateliers de mécanique pour se rendre compte des progrès accomplis dans le domaine de la lubrification. La réglementation antipollution de plus en plus sévère a toutefois intensifié les recherches dans ce domaine. Le mieux pour maîtriser la lubrification est encore de... s'en passer. L'usinage à sec de certains alliages, comme l'aluminium, est ainsi, en particulier dans l'aéronautique, un sujet brûlant. Développé depuis plusieurs années par EADS en collaboration avec le Cetim à Nantes, Mecachrome et le laboratoire LPPM de l'université de Metz, le projet US3A financé par l'Ademe (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie) vise cet objectif. L'enjeu est autant économique qu'environnemental.

« Quelque 3 000 tonnes d'huiles de coupe sont consommées chaque année en France pour l'usinage des pièces en aluminium », révèle Delphine Allehaux, ingénieur de recherches chez EADS. D'où des coûts importants pour le lubrifiant, son recyclage, la valorisation des copeaux...

Contrôler en premier lieu la température

Le projet, qui se terminera fin 2009, comporte plusieurs étapes : développement de l'usinage à sec, validation industrielle, évaluation des risques que présente l'élimination du lubrifiant, généralisation du procédé dans le tissu industriel... Les objectifs sont ambitieux : une réduction des coûts de 20 à 30 % est visée.

Les recherches, menées par le laboratoire de l'université de Metz sur un banc de test comportant un tour Ramo et le système de contrôle de la puissance consommée WattPilote, de Digital Way, ont mis en évidence le rôle crucial du contrôle de la température dans cette approche. Car l'usinage à sec engendre évidemment un effet thermique nocif qui diminue les performances de l'outil, sa durée de vie et donc, la productivité. Sept revêtements d'outils (à nanostructure DLC ou PVD) du commerce ont été évalués. Ce qui a permis la sélection d'une vitesse de coupe optimale (700 m/min) et d'un outil adapté, le Multispeed de Cemecon. Les premiers tests ont démontré que cet outil diamant présente un très bon comportement dans les usinages à sec. Reste à le valider grâce aux futurs essais de fraisage qui se poursuivront au laboratoire de Metz (Moselle).

Les fabricants d'outils de coupe sont eux aussi aux avant-postes dans cette quête de l'usinage à sec. Ceratizit par exemple, a mis au point une solution originale destinée à l'usinage des jantes en aluminium. Entre 4 et 6 kg de copeaux sont générés lors de l'usinage d'une jante et, dans ce cas, ce n'est pas seulement le recyclage des copeaux contaminés, mais aussi le lubrifiant qui pèsent de plus en plus lourd dans les coûts. Le fabricant d'outils a résolu le problème du refroidissement qui bloquait les solutions existantes. Il a intégré l'unité de refroidissement dans l'outil. L'air comprimé généré dans la machine est conduit à travers l'outil pour s'engouffrer dans une unité (MaxiCool) où il est refroidi sous un effet physique (effet Joule-Thomson) afin d'atteindre une température inférieure à zéro degré. Ensuite, cet air froid est envoyé sur la plaquette de coupe amovible et sur la pièce à usiner.

Diminuer le temps d'usinage

Néanmoins, la suppression du lubrifiant n'est pas la panacée. Et que faire dans les cas - il en reste bon nombre - où l'usinage nécessite un arrosage ? Il n'y a pas mille solutions : il faut tout simplement avoir recourt à un lubrifiant écologique. Expert Environnement distribue en France un tel fluide de coupe, le SKV 02 de DPI. Présenté au salon Micronora 2008 de Besançon, ce lubrifiant miracle cumule les exploits. Il est non toxique, sans huile et sans solvant, 100 % soluble dans l'eau et biodégradable, garanti à vie... Il convient en outre à tous les types d'usinages et est même censé diminuer sensiblement le temps d'usinage. Utilisé depuis quelques années en Suède, en Allemagne et en Belgique, il a récemment fait son entrée dans certains ateliers en France comme chez Seco Tools, à Bourges.

Ce type de fluide doté d'un élément antibactérien qui empêche l'alimentation des bactéries fait également l'objet de développements intéressants chez Blaser. Le fabricant suisse d'huiles de coupe a mis au point des fluides sans formaldéhyde, un ingrédient banni en France (inclus dans la catégorie 1 de substances dangereuses). « Les technologies d'usinage changent explique Markus Kühni, responsable du service client de Blaser. Le perçage profond par exemple, nécessite une lubrification à haute pression ce qui augmente la pollution en produisant des particules métalliques nocives : le cobalt dans la rectification de métaux durs, le nickel et le chrome des aciers alliés ou des outils. » Universel, le fluide de coupe Blasocut de Blaser est conçu pour la lubrification à haute pression et ne contient pas de produit bactéricide. Sans danger pour la peau et stable biologiquement, il détruit les colonies de germes créées par l'émulsion en leur coupant "les vivres".

Vers une production propre

Pour Markus Kühni, l'utilisation de lubrifiants écologiques reste en tout cas la voie royale pour produire propre. « La lubrification en quantité minimale ou juste nécessaire (MQL) diminue bien sûr la consommation de fluide de coupe mais présente néanmoins certains inconvénients », souligne-t-il. À savoir, l'évacuation difficile des copeaux, le nettoyage indispensable des machines et la formation de vapeurs métalliques toxiques pour les opérateurs.

La production propre ne concerne pas que l'usinage par enlèvement de copeaux. Dans le soudage et la découpe par exemple, les fabricants proposent également des technologies propres. Air liquide Welding (ALW), par exemple, s'active dans trois directions : la réduction des émissions de fumées, de lumière et de bruit. Dans le premier cas, ce sont les produits d'apport comme Cristal (Oerlikon) ou Alstar (SAF-FRO) qui réduisent sensiblement les émissions de fumées. Pour diminuer l'intensité de la lumière émise, les techniques de découpe plasma sous l'eau se développent : le site de découpe est ainsi constitué de bacs remplis d'eau dont on élève ou abaisse le niveau, de manière à ce que la torche soit immergée. Ce procédé, utilisé en particulier pour la découpe des fortes épaisseurs, stoppe non seulement les émissions de lumière mais aussi le bruit ainsi que les fumées et les poussières de découpe.

Enfin, pour réduire les émissions sonores, ALW a récemment fait évoluer le procédé de soudage MIG/MAG. Les chercheurs du CTAS (le Centre technique des applications du soudage du groupe Air liquide) ont mis au point une solution brevetée, SSP (Soft silence pulse, ou "pulsé bas bruit") qui conserve les avantages de la suppression des projections tout en réduisant de manière très sensible le bruit. Au niveau de la tête du soudeur, on passe de 95 dB à 75 dB...

1. Usiner l'aluminium à sec

- Un grand défi pour l'industrie aéronautique. On est aujourd'hui encore en phase de test de solutions. Les recherches sont en bonne voie pour trouver des outils et des approches d'usinage adaptés.

2. Réussir le perçage profond sans arrosage

- Les recherches menées par plusieurs partenaires, sous la houlette du Cetim, pour mettre au point une solution de perçage profond à grande vitesse sont déjà testées en utilisation industrielle. Un kit sera probablement disponible dès 2010.

3. Améliorer les huiles de coupe

- Les lubrifiants deviennent à 100 % écologiques, comme le démontrait à CleanMeca la société Expert Environnement, qui distribue en France le liquide d'arrosage SKV-02 de DPI sans huile ni solvant.

4. Concevoir des outils de coupe adaptés

- Intégration du refroidissement dans l'outil, adaptation de la géométrie de l'outil, des matériaux nouveaux... De nombreuses pistes de développement sont prospectées par les fabricants pour réduire, voire éliminer, la lubrification.

5. Renforcer l'écoconception des équipements

- Les machines-outils sont de plus en plus souvent prévues dès leur conception pour fonctionner avec une quantité minimale de lubrifiant. Et dans certains cas, la rigidité a été renforcée pour permettre même un usinage à sec.

MONTUPET TESTE LE PERÇAGE VIBRATOIRE À GRANDE VITESSE

- Le perçage n'a pas beaucoup progressé technologiquement ces dernières années. Développé par le Centre technique des industries mécaniques (Cetim) et plusieurs partenaires industriels, des pôles de compétitivité ainsi que des laboratoires de recherches universitaires, le projet Foropt propose de combler ce retard. Objectif : valider et développer des technologies propres, adaptées au forage profond à grande vitesse sur centre d'usinage ou sur foreuse. Comme le perçage vibratoire à basse fréquence mis au point par les laboratoires 3S de l'INP de Grenoble et le LTDS de l'Enise (Saint-Étienne). « Il s'agit d'utiliser uniquement l'énergie apportée par la coupe pour générer et maintenir ces vibrations », explique Christophe Claudin, chercheur à l'Enise. Ce qui permet dans certains cas, de diviser par trois le temps d'usinage, sans lubrifiant et avec une longueur de perçage supérieure. Des pièces livrées quasi sans copeaux Fabricant de pièces pour l'automobile, Montupet participe activement à ces recherches, car le perçage représente une part importante dans l'usinage de ces produits (20 à 30 % du temps d'usinage d'une culasse, par exemple). « Les exigences des constructeurs automobiles au sujet de la propreté des pièces ont beaucoup évolué : ils demandent un poids maximal de copeaux dans la culasse à la livraison de 1,37 g et visent moins d'un gramme », justifie Jean-Pierre Pielin, directeur technique adjoint à l'usine Montupet de Montataire. En apportant une fragmentation des copeaux lors des opérations de perçage, le forage à grande vitesse vibratoire réduit fortement le temps de cycle. Une approche intéressante car elle permet de limiter les investissements. « Actuellement, une foreuse alimente deux centres d'usinage mais notre cible est de pouvoir en alimenter quatre », indique le spécialiste de Montupet. Et de faire ainsi l'économie d'une foreuse...

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