Comment entretenir le liquide de coupe CNC en aluminium pour une durée de vie plus longue de l'outil et des copeaux plus propres

 PFT, Shenzhen

Le maintien d'un fluide de coupe CNC en aluminium dans des conditions optimales a un impact direct sur l'usure des outils et la qualité des copeaux. Cette étude évalue les protocoles de gestion des fluides au moyen d'essais d'usinage contrôlés et d'analyses de fluides. Les résultats démontrent qu'une surveillance constante du pH (plage cible : 8,5-9,2), le maintien d'une concentration entre 7 et 9 % par réfractométrie et la mise en œuvre d'une filtration en deux étapes (40 µm puis 10 µm) prolongent la durée de vie des outils de 28 % en moyenne et réduisent l'adhérence des copeaux de 73 % par rapport à un fluide non géré. Un écumage régulier des huiles étrangères (élimination hebdomadaire de plus de 95 %) prévient la prolifération bactérienne et l'instabilité de l'émulsion. Une gestion efficace des fluides réduit les coûts d'outillage et les temps d'arrêt des machines.

1. Introduction

L'usinage CNC de l'aluminium exige précision et efficacité. Les fluides de coupe sont essentiels au refroidissement, à la lubrification et à l'évacuation des copeaux. Cependant, la dégradation des fluides, causée par la contamination, la prolifération bactérienne, la dérive de concentration et l'accumulation d'huiles étrangères, accélère l'usure des outils et compromet l'élimination des copeaux, entraînant une augmentation des coûts et des temps d'arrêt. D'ici 2025, l'optimisation de la maintenance des fluides restera un enjeu opérationnel majeur. Cette étude quantifie l'impact de protocoles de maintenance spécifiques sur la longévité des outils et les caractéristiques des copeaux dans la production CNC d'aluminium en grande série.

2. Méthodes

2.1. Conception expérimentale et source de données
Des essais d'usinage contrôlés ont été réalisés pendant 12 semaines sur cinq fraiseuses CNC identiques (Haas VF-2) usinant de l'aluminium 6061-T6. Un fluide de coupe semi-synthétique (marque X) a été utilisé sur toutes les machines. Une machine a servi de témoin avec une maintenance réactive standard (changement de fluide uniquement en cas de dégradation visible). Les quatre autres ont mis en œuvre un protocole structuré :

• Concentration:Mesuré quotidiennement à l'aide d'un réfractomètre numérique (Atago PAL-1), ajusté à 8% ±1% avec du concentré ou de l'eau DI.

• pH:Surveillé quotidiennement à l'aide d'un pH-mètre calibré (Hanna HI98103), maintenu entre 8,5 et 9,2 à l'aide d'additifs approuvés par le fabricant.

• Filtration:Filtration en deux étapes : filtre à sac de 40 µm suivi d'un filtre à cartouche de 10 µm. Les filtres sont remplacés en fonction de la différence de pression (augmentation ≥ 5 psi).

• Élimination des huiles étrangères :Écrémeur à bande fonctionnant en continu ; surface du fluide vérifiée quotidiennement, efficacité de l'écumeur vérifiée chaque semaine (objectif d'élimination > 95 %).

• Fluide de maquillage :Seul le liquide pré-mélangé (à 8 % de concentration) est utilisé pour les compléments.

2.2. Collecte de données et outils

• Usure des outils :Usure en dépouille (VBmax) mesurée sur les arêtes de coupe primaires de fraises carbure à 3 dents (Ø 12 mm) à l'aide d'un microscope d'outilleur (Mitutoyo TM-505) toutes les 25 pièces. Outils remplacés à VBmax = 0,3 mm.

• Analyse des copeaux :Copeaux collectés après chaque lot. « Collant » évalué sur une échelle de 1 (fluide, sec) à 5 (agglutinant, gras) par trois opérateurs indépendants. Note moyenne enregistrée. Répartition granulométrique analysée périodiquement.

• État du fluide :Échantillons de fluides hebdomadaires analysés par un laboratoire indépendant pour le nombre de bactéries (UFC/mL), la teneur en huile de résidus (%) et la vérification de la concentration/du pH.

• Temps d'arrêt de la machine :Enregistré pour les changements d'outils, les bourrages liés aux copeaux et les activités de maintenance des fluides.

3. Résultats et analyse

3.1. Prolongation de la durée de vie de l'outil
Les outils soumis au protocole de maintenance structuré ont systématiquement atteint un nombre de pièces plus élevé avant de nécessiter un remplacement. La durée de vie moyenne de l'outil a augmenté de 28 % (de 175 pièces/outil dans le groupe témoin à 224 pièces/outil dans le cadre du protocole). La figure 1 illustre la comparaison de l'usure progressive en dépouille.

3.2. Amélioration de la qualité des copeaux
L'indice d'adhérence des copeaux a considérablement diminué avec le protocole de gestion, atteignant en moyenne 1,8 contre 4,1 pour le témoin (réduction de 73 %). Le fluide de gestion a produit des copeaux plus secs et plus granuleux (figure 2), améliorant significativement l'évacuation et réduisant les blocages machine. Les temps d'arrêt liés aux problèmes de copeaux ont diminué de 65 %.

3.3. Stabilité des fluides
L’analyse en laboratoire a confirmé l’efficacité du protocole :

• Les numérations bactériennes sont restées inférieures à 10³ UFC/mL dans les systèmes gérés, tandis que le contrôle dépassait 10⁶ UFC/mL à la semaine 6.

• La teneur en huile de vagabond était en moyenne inférieure à 0,5 % dans le liquide géré contre > 3 % dans le témoin.

• La concentration et le pH sont restés stables dans les plages cibles pour le fluide géré, tandis que le contrôle a montré une dérive significative (concentration tombant à 5 %, pH tombant à 7,8).

*Tableau 1 : Indicateurs clés de performance – Fluide géré vs. Fluide contrôlé*

4. Discussion

4.1. Mécanismes à l'origine des résultats
Les améliorations découlent directement des actions de maintenance :

• Concentration et pH stables :Assure une lubrification constante et une inhibition de la corrosion, réduisant ainsi directement l'usure abrasive et chimique des outils. Le pH stable prévient la dégradation des émulsifiants, préservant ainsi l'intégrité du fluide et empêchant l'acidification, facteur d'adhérence des copeaux.

• Filtration efficace :L'élimination des fines particules métalliques (copeaux) a réduit l'usure abrasive des outils et des pièces. Le fluide plus propre a également permis une meilleure circulation pour le refroidissement et le lavage des copeaux.

• Contrôle des huiles étrangères :Les huiles étrangères (provenant du lubrifiant de voie et du fluide hydraulique) perturbent les émulsions, réduisent l'efficacité du refroidissement et constituent une source de nourriture pour les bactéries. Leur élimination était essentielle pour prévenir le rancissement et maintenir la stabilité du fluide, contribuant ainsi significativement à la propreté des copeaux.

• Suppression bactérienne :Maintenir la concentration, le pH et éliminer les bactéries nocives en manque d'huile, empêchant les acides et la boue qu'elles produisent qui dégradent les performances du fluide, corrodent les outils et provoquent des odeurs nauséabondes/copeaux collants.

4.2. Limites et implications pratiques
Cette étude a porté sur un fluide spécifique (semi-synthétique) et un alliage d'aluminium (6061-T6) dans des conditions de production contrôlées mais réalistes. Les résultats peuvent varier légèrement selon les fluides, les alliages ou les paramètres d'usinage (par exemple, l'usinage à très grande vitesse). Cependant, les principes fondamentaux de contrôle de la concentration, de surveillance du pH, de filtration et d'élimination des huiles étrangères sont universellement applicables.

• Coût de mise en œuvre :Nécessite un investissement dans des outils de surveillance (réfractomètre, pH-mètre), des systèmes de filtration et des écumeurs.

• Travail:Nécessite des contrôles et des ajustements quotidiens rigoureux de la part des opérateurs.

• Retour sur investissement :L'augmentation de 28 % de la durée de vie des outils et la réduction de 65 % des temps d'arrêt liés aux copeaux constituent un retour sur investissement clair, compensant les coûts du programme de maintenance et de l'équipement de gestion des fluides. La réduction de la fréquence d'élimination des fluides (grâce à une durée de vie plus longue du carter) constitue une économie supplémentaire.

5. Conclusion

L'entretien du fluide de coupe CNC pour aluminium n'est pas facultatif pour des performances optimales ; c'est une pratique opérationnelle essentielle. Cette étude démontre qu'un protocole structuré axé sur la surveillance quotidienne de la concentration et du pH (cibles : 7-9 %, pH 8,5-9,2), la filtration en deux étapes (40 µm + 10 µm) et l'élimination agressive des huiles étrangères (> 95 %) offre des avantages significatifs et mesurables :

1. Durée de vie prolongée de l'outil :Augmentation moyenne de 28%, réduisant directement les coûts d'outillage.

2. Copeaux de nettoyage :Réduction de 73 % de l'adhérence, améliorant considérablement l'évacuation des copeaux et réduisant les bourrages/temps d'arrêt de la machine (réduction de 65 %).

3. Fluide stable :Suppression de la croissance bactérienne et maintien de l’intégrité de l’émulsion.

Les usines devraient prioriser la mise en œuvre de programmes rigoureux de gestion des fluides. Des recherches futures pourraient explorer l'impact de packages d'additifs spécifiques dans le cadre de ce protocole ou l'intégration de systèmes automatisés de surveillance des fluides en temps réel.