Guide d'utilisation des fluides de coupe dans l'usinage CNC

En Usinage CNCPour garantir l'efficacité, la qualité et la sécurité des opérations d'usinage, il est essentiel de choisir correctement un liquide de coupe. Les fluides de coupe, également appelés "liquide de refroidissement", "fluide pour le travail des métaux" ou "fluide d'usinage", permettent non seulement de lubrifier et de refroidir la zone de coupe, mais aussi d'éliminer les copeaux, évitant ainsi la surchauffe et l'usure des machines.

Cet article détaille les classifications et les caractéristiques de base des liquides de refroidissement et explique comment choisir le liquide de coupe le plus approprié en fonction des différents types de matériaux et des opérations d'usinage afin d'optimiser les performances d'usinage, d'allonger la durée de vie des outils et de réduire la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre. coûts d'usinage. Nous espérons que cela aidera les passionnés de l'usinage CNC.

Classifications de base des fluides de coupe

Les fluides de coupe courants comprennent principalement les types suivants, et il est essentiel de comprendre les caractéristiques de chacun d'entre eux avant de les utiliser.

(1) Emulsion (liquide de coupe à base d'eau)

Composé principalement d'eau, d'huile émulsifiée et de divers additifs. Les avantages de ce liquide de refroidissement sont son faible coût et ses bonnes performances de refroidissement, qui conviennent particulièrement aux opérations d'usinage nécessitant une dissipation importante de la chaleur. Cependant, il présente également des inconvénients, tels qu'une tendance à la prolifération bactérienne et une corrosivité élevée, ce qui nécessite un contrôle strict et un entretien régulier pendant l'utilisation.

(2) Fluide entièrement synthétique

Cutting fluid without petroleum oil base, primarily composed of various chemical additives. Its main advantages include excellent cooling (often classified under industry standards like ASTM D2881 ^[1]) and lubrication performance and resistance to bacterial growth, making it very popular in applications requiring highly clean machining environments. However, fully synthetic fluids are relatively expensive, and some chemical components may be corrosive to the machine.

(3) Fluide semi-synthétique

Il se situe entre l'émulsion et le fluide entièrement synthétique, contenant une certaine proportion d'huile de pétrole de base et d'eau. Ce liquide de refroidissement combine l'effet de refroidissement de l'émulsion et le pouvoir lubrifiant du liquide entièrement synthétique, en essayant d'équilibrer les deux avantages. Néanmoins, nous devons prêter attention à sa biostabilité et à sa corrosivité. Cela peut affecter son applicabilité dans certains environnements d'usinage.

(4) Huile de coupe droite (fluide de coupe à base d'huile)

Mainly made from mineral oil or vegetable oil and is completely water-free, thus providing superior lubricity and preventing workpiece corrosion and rust. This makes it particularly suitable for machining operations requiring high lubrication. However, the heat capacity of straight-cutting oil is relatively low, and its cooling effect is not as good as water-based cutting fluids, which may be a limitation in high-speed or high-temperature machining.

(5) Huile soluble :

This is the concentrated oil-based precursor that forms the emulsions discussed in category (1). It typically contains a high mineral oil content (often 50-80%), providing superior lubricity for heavy-duty machining needs. However, the use of soluble oil requires strict control of the dilution ratio and water quality to prevent corrosion and bacterial growth, ensuring the safety and efficiency of the machining process.

Après avoir bien compris les caractéristiques des différents fluides d'usinage, nous pouvons sélectionner le fluide d'usinage approprié pour les différents matériaux et opérations afin d'optimiser les performances d'usinage.

Fluides de coupe adaptés aux différents matériaux

Le choix du bon liquide de refroidissement est crucial pour garantir un usinage efficace et de haute qualité, car les différents matériaux nécessitent des fluides de coupe différents.

(1) Métaux légers tels que l'aluminium

Due to its soft, gummy nature and tendency to adhere to the cutting tool (causing Built-Up Edge), we recommend using a water-based cutting fluid with high cooling capacity and low viscosity. This machining fluid effectively prevents chip buildup on the tool, reducing friction during machining, preventing overheating, and ensuring a smooth surface finish.

(2) Matériaux difficiles à usiner tels que l'acier inoxydable

Because stainless steel’s high strength and toughness can cause severe tool wear, utilizing metalworking fluids with extreme pressure (EP) additives is crucial. These additives form a protective film on the contact surface between the tool and the workpiece, reducing wear and welding, and improving cutting efficiency.

(3) Cuivre et ses alliages

Il convient d'utiliser des fluides de coupe qui empêchent la décoloration de la surface et la corrosion de la pièce. Le cuivre est relativement mou et susceptible d'adhérer pendant l'usinage. Le choix de liquides de refroidissement à faible teneur en soufre, voire sans soufre, permet d'éviter les taches noires et autres réactions d'oxydation sur la surface d'usinage, tout en préservant la couleur et l'éclat d'origine du cuivre.

(4) Matériaux en alliage de titane

En raison de la résistance élevée et de la faible conductivité thermique de l'alliage de titane, il est recommandé d'utiliser des fluides de coupe spécialement conçus pour les alliages à haute température, qui contiennent généralement des composants de lubrification et de refroidissement efficaces. Les liquides de refroidissement appropriés assurent une bonne lubrification, réduisent la chaleur de friction et empêchent efficacement les réactions chimiques et l'adhérence, prolongeant ainsi la durée de vie de l'outil.

(5) Alliages à haute température tels que les alliages à base de nickel et de cobalt

These materials generate a lot of heat during cutting due to their heat resistance and high hardness. When machining these materials, it is highly recommended to use extreme pressure cutting fluids formulated with inactive sulfur or phosphorus compounds, which form a protective film under high temperatures, reducing friction and wear. Additionally, excellent cooling performance is required, often necessitating High-Pressure Coolant (HPC) systems operating at 70 to 100 bar ^[2] to overcome the thermal vapor barrier.

Chaque matériau possède ses propres propriétés physiques et chimiques, et le choix du liquide de refroidissement le plus approprié peut améliorer l'efficacité et la qualité de l'usinage tout en maximisant la durée de vie des machines et des outils.

Des fluides de coupe adaptés à différentes opérations

Les différents types d'opérations d'usinage ont également des exigences spécifiques en matière de sélection des fluides pour le travail des métaux, notamment en ce qui concerne le refroidissement, la lubrification, l'enlèvement des copeaux et les aspects anticorrosion.

(1) Opérations de retournement

Le tournage implique souvent un enlèvement continu de matière, ce qui nécessite des fluides de coupe ayant de bonnes performances de refroidissement et de lubrification pour protéger les outils et les pièces à usiner. Lors du tournage d'acier ou d'alliages durs, le choix de fluides d'usinage à base d'huile avec des additifs extrême-pression peut fournir une lubrification supplémentaire, réduisant ainsi la production de chaleur et l'usure. Pour l'aluminium ou d'autres métaux non ferreux, l'accent est mis sur la capacité de refroidissement du fluide de coupe afin d'éviter l'adhésion de la matière à l'outil.

(2) Opérations de broyage

Involves more complex tool paths and multi-point cutting, requiring cutting fluids to provide excellent cooling and chip removal performance. When machining hard-to-machine materials such as stainless steel or high-temperature alloys, high-performance fully synthetic, or semi-synthetic cutting fluids can effectively reduce tool wear and severe thermal distortion of the workpiece. They maintain low temperatures in the cutting area, improving machining accuracy.

(3) Opérations de forage

Deep hole drilling requires machining fluids to penetrate the hole bottom to provide lubrication and cooling. Efficient cutting fluids help quickly remove chips, prevent clogging and overheating, and avoid damage to the hole wall and dimensional inaccuracies. For deep hole drilling, using low-viscosity and high-cooling water-based cutting fluids is especially suitable because these fluids can easily penetrate small holes and narrow spaces.

(4) Opérations de broyage

Generates significant heat, requiring cutting fluids with excellent cooling performance to prevent workpiece overheating and thermal damage. Water-based cutting fluids are usually preferred because they can quickly absorb and conduct heat, maintaining low temperatures in the grinding area. Additionally, high detergency (flushing capability) is strictly necessary to wash away microscopic swarf, prevent grinding wheel loading, and improve surface finish quality.

En résumé, le choix du liquide de refroidissement approprié permet non seulement d'améliorer l'efficacité et la qualité de l'usinage, mais aussi de prolonger la durée de vie des machines et des outils. Cela permet de garantir la sécurité des opérations et de maximiser les avantages économiques.

Précautions à prendre lors de l'utilisation de fluides de coupe

Lors de la sélection des fluides de coupe, il est nécessaire de prendre en compte leurs performances, leur sécurité et leur impact sur l'environnement afin de maximiser la rentabilité.

(1) Protection de l'environnement

La protection de l'environnement est de plus en plus mise en avant, ce qui fait des fluides de coupe respectueux de l'environnement un sujet important. Les fluides de coupe écologiques sont principalement fabriqués à partir de matériaux biodégradables, ce qui réduit la pollution de l'environnement. En outre, ces fluides de coupe ne contiennent généralement pas de produits chimiques nocifs, ce qui réduit la difficulté et le coût du traitement des fluides usés. L'utilisation de fluides de coupe écologiques aide les entreprises à se conformer aux réglementations environnementales de plus en plus strictes et renforce leur image de marque écologique.

(2) Sécurité

Safety is an indispensable factor in the work environment, especially when cutting fluids are involved. Traditional cutting fluids may contain harmful chemicals such as sulfates, chlorine, and heavy metals, which can cause skin irritation, respiratory problems, and more serious health issues. Therefore, choosing low-toxicity or non-toxic cutting fluids and maintaining airborne mist concentrations strictly below the NIOSH limit of 0.4 mg/m³ ^[3] is key to protecting operator health, reducing health risks, and providing a safer working environment for operators.

(3) Économie

From an economic perspective, choosing the right cutting fluid is crucial for controlling production costs. Environmentally friendly and high-performance machining fluids may have higher initial purchase costs. But, in the long run, they can significantly lower overall operational costs by reducing tool wear, improving machine efficiency, and lowering waste disposal fees. Additionally, using high-quality metalworking fluids can extend equipment life, reduce production interruptions, and further optimize production costs.

Résumé

Cet article présente de manière exhaustive les types de fluides de coupe et leurs critères de sélection en fonction des matériaux et des opérations d'usinage. Des émulsions aux fluides entièrement synthétiques, chaque fluide de coupe a ses avantages uniques et ses scénarios d'application, offrant des effets optimaux de refroidissement, de lubrification et d'anticorrosion pour des matériaux et des besoins d'usinage spécifiques, tout en se concentrant sur les considérations environnementales, sécuritaires et économiques.

Through precise selection and application of suitable cutting fluids, facilities providing custom CNC machining services can improve machining efficiency and product quality, ensure a safe operating environment, and optimize production costs, achieving efficient, economical, and sustainable production.

Référence

[1] ASTM International. (2019). ASTM D2881-19 Standard Classification for Metalworking Fluids and Related Materials. https://doi.org/10.1520/D2881-19

[2] Raykar, S. J., & D’Addona, D. M. (2019). Thermal Modeling of Tool Temperature Distribution during High Pressure Coolant Assisted Turning of Inconel 718. Materials, 12(3), 408. https://doi.org/10.3390/ma12030408

[3] National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). (1998). Criteria for a Recommended Standard: Occupational Exposure to Metalworking Fluids. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). https://stacks.cdc.gov/view/cdc/5175