Sommaire

• Généralités
• Genèse du projet
• Choix du principe de transport de l'air et du liquide
• Buse pour Locline
• Buse double pour scie à ruban
• Diviseur de débit
• Pompe
• Came de commande de la pompe
• Mélangeur liquide / air
• Commandes électriques et électropneumatiques

Généralités

En usinage, il est souvent nécessaire de lubrifier voire d'arroser, et ce pour plusieurs raisons.

• pour faciliter le travail de l'outil coupant
• pour refroidir l'outil
• pour éliminer les copeaux afin de limiter leur recyclage

On peut se contenter d'huile entière appliquée au pinceau. Ca fume, ça sent mauvais, c'est toxique. Mais le gros avantage par rapport aux "huiles solubles" est l'absence de risque de corrosion de la machine.

Plus classiquement on utilise une pompe d'arrosage et une huile soluble. Mais elle présente également des inconvénients dont les principaux sont le développpement de micro organismes (odeurs), les allergies cutanées, et la grande quantité de projections si la machine n'est pas cartérisée.

Depuis longtemps, une autre solution a été développée : la lubrification par quantité minimale ou MQL (minimum quantity lubrication). Le principe, comme le nom l'indique, est d'appliquer la plus faible quantité possible de lubrifiant. En ce qui concerne le refroidissement, ce n'est plus le liquide qui évacue les calories, mais son changement de phase (chaleur latente de vaporisation). En s'évaporant, l'eau évacue une quantité considérable d'énergie.

Un gramme d'eau dont la température s'élève de 1°C emporte une calorie (par définition).

Un gramme d'eau qui s'évapore emporte 538 calories !

L'idée est donc de pulvériser sur l'outil et accessoirement sur la pièce une très faible quantité de liquide qui sera évaporée. Le vecteur est de l'air comprimé.

Ce principe n'est absolument pas nouveau. Des recherches sur le net montrent que ce procédé était déjà exploité dès les années 1940 - 1950. On trouve également une très grande quantité de systèmes commercialisés par des sociétés très connues comme par exemple Bijur ou SKF. Cela va de petits systèmes à vocation amateur jusqu'à des centrales permettant d'alimenter plusieurs machines ou des machines de très grandes dimensions comme des emboutisseuses. Mais curieusement, il est relativement peu répandu. Si l'on en croit ce qu'expliquent généralement les professionnels sur les forums et newsgroups anglo saxons, c'est parce que les ateliers sont alors envahis par un brouillard toxique et éllergisant. Beaucoup semblent avoir essayé, puis renoncé pour cette raison.

Genèse du projet

Le projet est né sur le forum usinages.com, et a fait suite à plusieurs fils de discusison sur ce sujet. En fait, après avoir fini la rénovation de ma fraiseuse, et m'être copieusement fait arroser de la tête aux pieds dès le premier essai, j'ai définitivement renoncé à utiliser le système traditionnel.

Un sujet a été ouvert : Réalisation artisanale de systèmes de microlubrification. Certains intervenants utilisaient ou avaient utilisé ce procédé dans un cadre professionnel ou amateur, mais les avis étaient mitigés. Comme il était exclu pour moi de me servir d'un arrosage traditionnel, j'ai donc décidé de réaliser ma propre centrale de lubrification par quantité minimale. Entre le moment où le projet a démarré et celui où j'ai fermé la porte de l'armoire contenant tout le système, plus de 8 mois se sont écoulés, et des dizaines d'heures d'expérimentation et de tests ont été nécessaires. Les deux principaux déclencheurs ont été :

• sur usinages.com, le fil de discussion Micropulvérisation, avec la présentation de quelques systèmes réalisés et utilisés par un membre, et l'intervention d'un distributeur de produits spécifiquement formulés pour cette utilisation
  
  
• la lecture de différentes discussions sur les forums de langue anglaise CNC Zone et Practical Machinist, avec en particulier la suggestion de réaliser les buses à partir de tubes contact de poste à souder MIG MAG
  
  
• la suggestion d'utiliser un lubrificateur d'air comme sur le système commercial Micronizer Junior, afin de créer puis véhiculer un mélange air + liquide

Les premiers tests ont commencé en juillet 2009, la centrale a été finalisée en avril 2010 et donne toute satisfaction depuis.

le système Micronizer Junior, basé sur un lubrificateur d'air
photos gaston48

Disposant de deux composants faciles à se procurer et à adapter - le lubrificateur d'air et des tubes contact de 0.6 mm d'alésage - les expériences pouvaient commencer.

Démonstration de l'efficacité du système. Fraise (carbure monobloc) et pièce (acier XC38) restent absolument froids :

  

Un test très méchant : tournage sur une bague de roulement (acier 100C6, outil à pastille carbure)

 

Vidéo montrant un des avantages de la micropulvérisation. Usinage d'une poche dans de l'inox ; les copeaux sont chassés, évitant ainsi leur recyclage.

 

Vidéo illustrant le principe de la micropulvérisation. On constate l'absence de brouillard. Ceci n'est vrai que parce que le spray est projeté sur une surface faisant écran. Les choses sont en réalité un peu différentes lors de l'utilisation sur un tour. Le système que l'on voit est une première version avec réservoir pressurisé, très rapidement abandonnée pour des raisons exposées plus bas.

 

Choix du principe de transport de l'air et du liquide

Si on fait des recherches sur le net concernant les systèmes commercialisés, on peut diviser les solutions proposées en deux grandes catégories :

• création d'un brouillard puis distribution de ce brouillard
• distribution séparée de l'air et du liquide, le spray étant créé sur le lieu d'utilisation

En fait, il s'est avéré utopique de vouloir créer et transporter un brouillard avec des moyens simples. Les premiers essais ont été faits avec un lubrificateur d'air, du tube plastique et au bout un tube contact. Je pensais qu'un brouillard se propagerait dans les tubulures. En réalité, il n'en est rien. Le liquide circule sous forme d'un film sur les parois du tube. Après de longues recherches sur le net, et en particulier la lecture d'un ouvrage en ligne sur Google Book, blablabla, tout espoir d'y arriver a été perdu. D'ailleurs, les systèmes centralisés commerciaux, à une exception près, transportent séparément air et liquide. Cette exception, c'est le système Accu-Lube Mircona Minibooster, particulièrement complexe : voir cette vidéo pour la description.

Sur les système commerciaux, liquide et air sont donc transportés séparément, typiquement par deux tubulures coaxiales. En faire autant comporte un grand nombre de difficultés dans le cadre d'une réalisation amateur :

• réalisation des raccords si on veut des canalisations coaxiales (ce qui n'est pas impératif)
• surtout réalisation des buses et / ou des mélangeurs créant le spray

Donc, à ce stade, le choix est fait de transporter liquide et air par une seule canalisation.

Les premiers essais ont été faits avec un lubrificateur d'air tout à fait classique, diponible en GSB. Cette technique s'est avérée contraignante en raison du faible volume du réservoir. Même si le débit de liquide nécessaire est très faible, de l'ordre d'une goutte par seconde, c'est toujours au mauvais moment qu'il est vide ! Une deuxième voie a été explorée en utilisant un réservoir de grande contenance, pressurisé. Mais un grave inconvénient est apparu : le débit de liquide dépend de la différence de pression entre le réservoir et l'air auquel le liquide doit être mélangé. Le réglage est à reprendre chaque fois qu'on fait varier la preession de sortie et/ou la pression d'entrée. De plus, la répétabilité s'est avérée très mauvaise : obligation de passer de longues minutes à régler le système chaque week-end.

La seule solution réellement pratique est d'utiliser un réservoir à pression atmosphérique, et de doser le liquide grâce à une pompe. Un autre avantage de la pompe est le réglage par potentiomètre, qui permet un réglage indépendant sur chacun des circuits de la centrale.

Donc, à ce stade, le cahier des charge était fixé :

• mélange air + liquide grâce à lubrificateur d'air : le lubrificateur d'air permet de quantifier le débit par le goutte à goutte
• réservoir de grande capacité non pressurisé
• pompe réalisable avec des éléments de récupération
• sélection de la machine alimentée grâce à un ensemble d'électrodistributeurs pneumatiques
• transport du liquide par l'air comprimé
• pulvérisation par des tubes contact MIG-MAG de 0.6 mm de diamètre

Le mélange liquide air se fait en goutte à goutte, et la pompe est une pompe à came spécialement réalisée à cet effet. L'apport de liquide n'est donc pas continu. En fait, ceci n'a pas d'importance : le débit de liquide est lissé, intégré, par la longueur de la canalisation entre la centrale et la machine outil.

La centrale de micropulvérisation

Détail de la pompe

Buse pour Locline

Les buses sont les premiers éléments à réaliser. sans elles, aucun essai n'est possible.

D'autre part, il y a dans ce projet une exigence absolue : le système doit utiliser des Locline sur les machines (à l'exception de la scie à ruban - il en sera question plus loin).

Le premier test a consisté à utiliser une Locline de bas de gamme, telle quelle, sans buse autre que celle fournie avec. Cette Locline provient de chez Chronos Engineering Supplies. Elle est proposée à très bas prix, mais surtout elle a l'avantage de se raccorder en BSP 1/4", contrairement à la norme la plus répandue qui est le NPT. Le réservoir du lubrificateur est rempli d'un liquide de coupe à base d'huile soluble et d'eau. Essai concluant, mais spray beaucoup trop large. De plus, la piètre qualité des éléments fait que ça fuit à chaque articulation au delà de 2 bars.

Premier test avec un lubrificateur d'air

Comme indiqué plus haut, pour des raisons de simplicité, les buses sont des tubes contact MIG très fins (0.6 mm). Réaliser soi même des buses n'est pas une mince affaire. Percer des alésages de moins de 2 mm au tour est très délicat. Les tubes contact utilisés sont ceux distrinués par Brico Dépôt, et sont donc très faciles à se procurer.

Tubes contact

Ces tubes contact font 6 mm de diamètre extérieur, et sont filetés sur une longueur trop faible. Un coup de filière s'impose.

Extension du filetage

Les tubulures qui y seront raccordées sont des canalisations souples polyuréthane de 4 mm de diamètre extérieur et 2.5 mm de diamètre intérieur. Elles seront forcées dans le tube contact. Pour Les empêcher de s'échapper sous l'effet de la pression, elles sont même vissées et collées dedans.

Perçage à 3.2 mm sur une dizaine de millimètres (en pince, sur le tour)

 

Taraudage à M4

Buses terminées, prêtes à l'emploi

L'extrémité de la Locline est taraudée à M6, puis la buse y est vissée.

Locline terminée

Buse pour scie à ruban

La micropulvérisation est très utile sur une scie à ruban. Elle permet à la fois de lubrifier la lame, de la nettoyer, et d'éliminer les copeaux qui restent entre les dents. La micropulvérisation remplace l'arrosage et les brosses rotatives.

Sur les systèmes de micropulvérisation industriels, selon les dimensions des scies, les buses peuvent être disposées de différentes façons. Le plus souvent, sur les grosses scies, on trouve trois buses, deux orientées à 45° et dirigées vers la denture, la troisième verticalement au dessus. La scie visible ci-dessous étant un petit modèle équipé d'une lame de 1/2", deux buses sont suffisantes.

Lorsqu'un seul groupe de sprays est installé, il est systématiquement placé entre l'étau et le guide. Ainsi, la pression de l'air débarasse la lame de ses copeaux avant qu'elle passe par le guide, évitant ainsi leur passage entre les galets.

Buse double installées sur une scie à ruban

La doublke buse est très facile à réaliser. Fraisage d'un morceau d'aluminium, trous taraudés d'un côté à M6 pour recevoir les tubes contact, et de l'autre en BSP 1/4" pour y mettre des raccords instantanés. Les tubes contact sont ensuite arasés à la fraiseuse. Des trous de fixation oblongs sont usinés à la fois sur le support de buses et sur la plaque d'adaptation.

Ebauche, tubes contact en place

Pièce terminée, tubes arasés et trous oblong réalisés

Trous oblongs orientés à 90° par rapport à ceux du support de buses

Diviseur de débit

Sur fraiseuse et sur scie, on a besoin de deux sprays. Il faut donc alimenter les deux de façon égale. Or, c'est quelque chose de particulièrement délicat à obtenir. Si on se contente de placer un simple raccord en T ou en Y, on constatera que l'une des buses reçoit la majeure partie du liquide. De plus, la répartition dépend énormément de l'orientation du raccord dans l'espace. Ceci est dû au fait que le liquide ne se déplace pas comme un aérosol, mais sous la forme d'un film sur la surface intérieure des canalisations.

Après pas mal d'exwpérimentations, un résultat satisfaisant a été obtenu en plaçant une buse à l'entrée des raccords en Y. Le liquide est pulvérisé vers la bifurcation, ce qui lui permet de se diviser vers les deux sorties. Le diviseur de débit est monté horizontalement, aussi bien sur la scie que sur la fraiseuse, mais un réglage fin est quand même nécessaire : en plaçant une branche du Y plus basse que l'autre, on privilégie un peu la sortie la plus basse. Une fois le réglage effectué, il n'y a plus à y toucher.

Le pulvérisateur est usiné dans un morceau d'aluminium, puis rentré en force dans un mamellon égal 1/4". Les meilleurs résultats ont été obtenus avec un convergent-divergent.

Sur les photos ci-dessous, on remarquera la présence d'un régleur de débit (raccord à fonction). Il sert à ajuster le débit d'air pour chaque machine.

Diviseur de débit

Sur le bélier de la fraiseuse

Sur la scie

Détail du pulvérisateur placé à l'entrée du diviseur

Pompe

Il faut que la pompe satisfasse à plusieurs critères :

• débit très fable, de l'ordre d'une goutte par seconde
• forte pression : elle doit résister à la pression maximale d'un compresseur : 8 à 10 bars
• faibele prix de revient

Elle a donc été faitre avec ce qui trainait. Un moteur d'essuie glace, des pigons récupérés sur une grosse imprimante laser, un esemble piston-cylindre qui n'est autre qu'une pompe de cric rouleur. Les clapets sont des raccords à fonction A et B, utilisés vis serrée à fond de façon à n'utiliser que les clapets. Il a fallu réaliser le reste :

• châssis en aluminium
• culasse
• came spirale

Le photo ci-dessous montre l'avant dernière de l'esmble came-poussoir. Le galet a été abandonné car inutile, et la came a été refaite en acier. Le paquet de cigarettes donne l'échelle.

Pompe

Le moteur est unb moteur d'eesuie glace de range Rover 300 tdi. Un moteur d'essuie glace a l'avantage d'être à deux vitesses. la vitesse haute sera utilisée pour l'amorçage de la pompe. Il est monté avec un trou cylindrique, et deux trous oblongs afin de permettre le réglage du jeu entredents de la pignonnerie. L'axe de la came tourne sur deux paliers bronze autolubrifiés récupérés sur un scanner ou une imprimante.

Moteur

Les deux pièces du châssis

La pompe proprement dite est construite autour de celle d'un cric rouleur. Il faut juste lui adjoindre une culasse avec ses clapets et ses raccords, ainsi qu'une came.

Ce que la culasse va recevoir : deux mécanismes de raccords à fonction, un de type A, un de type B, et deux raccords pour l'aspiration et le refoulement.

Elements de la pompe (sans la culasse)

Astuce pour le taraudage recevant le cylindre : si on ne dispose pas du bon taraud, et que l'on n'a pas non plus d'outil à fileter intérieur, ou la que l'on a la flemme de s'en affûter un, il suffit d'utiliser un taraud comme outil à fileter intérieur !

Un morceau de métal est placé dans la tourelle porte outil. Un foret est placé dans le mandrin. Le futur porte taraud est alésé au diamètre de la queue du taraud.

Porte taraud

Il ne reste plus qu'à mettre la pièce dans le mandrin, puis on se sert du taraud comme un outil à fileter intérieur.

Filetage intérieur

La culasse terminée. Des trous de fixation oblongs permettront un positionnement précis de façon à ce que le piston arrive exactement au fond lorsque le poussoir est sur le sommet de la came.

Culasse

La pompe terminée

Un moteur d'essuie glace tourne beaucoup trop vite. Il faut placer une réduction. Les pignons sont récupérés sur une grosse imprimante laser. La vitesse sera encore réduite et rendue réglable grâce à un contrôleur PWM.

Réduction par pignons

Les deux parties du câssis doivent être usinées et reliées avec précision afin que les axes ne tournent pas de travers !

Pignonnerie en place

Came de commande de la pompe

La partie la plus intéressante de ce projet aura de loin été l'usinage de la came.

Il y a plusieurs façons de réaliser une spirale.

• avec un plateau tournant dont la rotation est couplée à l'avance de la table. Je possède bien une table tournante comportant une commande de mouvement, mais l'avance de ma fraiseuse ne dispose pas d'une sortie. Pas de lyre ni de pignons... Donc cette voie est sans issue
  
  
• par tréflage. C'est simple à mettre en oeuvre sur une fraiseuse équipée d'une visu : il suffit de se préparer un tableau de coordonnées puis de fraiser en pénétration droite. Même pas besoin de plateau tournant. Mais cette méthode aboutit à une surface dentelée
  
  
• alors j'ai pensé à une troisième technique, plus complexe mais donnant en principe un beau résultat, équivalent à celui que l'on obtient avec la première méthode. On peut approcher une spirale d'Archimède par des arcs de cercle. Avec six arcs, l'erreur évaluée grâce à un logiciel de CAO DAO n'est que de quelques centièmes de millimètres, ce qui est bien mieux que nécessaire. Mais la mise en oeuvre est complexe. Il faut empiler deux tables tournantes l'une sur l'autre, puis jouer de deux rotations et ls translations. Le tout après des réglages longs et délicats. Mais le résultat en vaut la chandelle.

Epure de la spirale approchée

Pour l'occasion, on met le petit plateau sur le grand... Le petit taïwanais de 150 mm sur le gros russe de 400 mm.

Réglage

Avant de tailler l'acier, un petit essai avec une feuille de papier et un feutre en guise de fraise, histoire de valider la méthode, et de s'entrainer un peu.

Test

Et c'est parti ! La lubrification se fait bien sûr avec le premier prototype de micropulvérisation, celui équipé d'un réservoir pressurisé.

On remarquera deux défauts :

• un des raccordement est imprécis ; il est bien mis en évidence par la photo. Petit mélange de manivelles, corrigé un poil trop tard. Cependant, le défaut est surtout visuel, et quasiement insensible en passant le doigt dessus
  
  
• l'état de surface dégradé en fin d'usinage. Le pas de la spirale est de 7.2 mm, la fraise est une fraise de 10 mm. Enlever 7 mm d'un coup entraine des vibrations. Ce n'est pas un problème pour l'utilisation de cette came, mais il aurait été préférable d'ébaucher par tréflage, puis de seulement finir par fraisage latéral, avec une passe qui aurait été constante, de l'ordre d'un ou deux millimètres..

Usinage terminé

Voici la came terminée. Le résultat est magnifique, sauf à la fin.

Came terminée

Le défaut, plus tard corrigé à la lime

La pompe est complètement terminée.

Ensemble came + poussoir

Ci-dessous, premiers essais de la pompe, commandée par un modulateur PWM. Sur cette version, la came a été montée sur un roulement antidériveur (roulement de type roue libre). cette idée, qui m'avait été suggérée sur usinages.com pour compenser la paresse du piston, a été abandonnée après avoir mis la main sur un ressort plus raide. De plus, cet antidériveur, récupéré sur une imprimante à jet d'encre, a vite commencé à donner des signes de faiblesse. Il n'était absolument pas prévu pour de tels efforts.

Il ne reste plus qu'à installer la pompe dans une armoire. Usinage de deux "pieds", et liaison au coffret par des silentblocs, afin d'atténuer le buit produit par le moteur, et le claquement du poussoir en fin de course.

La pompe est installée

Mélangeur liquide / air

Pour "mélanger" le liquide de coupe et l'air, on pourrait se contenter d'un simple raccord en T. Mais il est pratique de visualiser le débit grâce à un goutte à goutte.

Le mélangeur est un lubrificateur d'air hors d'usage. La cuve a été supprimée et remplacée par un bouchon usiné en aluminium, et les canalisations internes obturées à la résine epoxy. Le liquide arrive par le haut après taraudage du plastique transparent.

Mélangeur

Bouchon fileté

Commandes électriques et électropneumatiques

Ci-dessous, le montage sur table qui a servi aux tests, et qui fonctionne parfaitement. Il est temps de mettre ça au propre. Dans ce montage, le liquide est contenu dans le flacon en plastique blanc. On aperçoit aussi un extincteur. Cet extincteur était le réservoir pressurisé de la première version, celle grâce à laquelle l'usinage de lka pompe a py être fait sous micropulvérisation. Il vit là ses derniers jours.

Montage expérimental

La platine, juste avant câblage. On y voit :

• les borniers des commandes et de l'alimentation secteur
• le transformateur d'alimentation du moteur
• juste en dessous, le boitier PWM de variation de vitesse du moteur (boitier blanc)
• à côté, l'alimentation à découpage 24V pour les relais, les électrovannes et les électrodistributeurs
• à côté de l'alimentation à découpage, les relais commandés par les boutons se trouvant sur chacune des quatre machines (une fraiseuse, deux tours, une scie)
• tout en bas, à gauche, une électrovanne qui coupera la liaison entre pompe et mélangeur
• les quatre électrodistributeurs sur leur rampe
• le mélangeur liquide / air
• l'électrovanne qui coupe l'air lorsque le secteur est coupé

Platine nue

Le câblage électrique est presque terminé. Il y manque encore une platine secondaire portant quatre potentiomètres de réglage individuel de débit, et le commutateur de vitesse du moteur marche normale / arrêt (utile pour purger) / marche rapide (pour l'amorçage de la pompe).

Il y a donc quatre circuits indépendants. Le débit de liquide est réglable pour chaque machine. Il est évident qu'une buse double (scie et fraiseuse) réclame plus de liquide qu'un tour.

Début du câblage

Détail du contrôleur PWM. Il s'agit d'un contrôleur chinois 15 A, acheté sur eBay, et provenant de Chine. Au prix auquel c'est vendu, il serait stupide de vouloir en réaliser un de toutes pièces. A moins de disposer de tous les composants...

Variateur PWM

La partie électrique, terminée.

Fin du câblage

Tout est installé dans l'armoire, avec le réservoir, et le filtre détendeur. Il ne reste plus qu'à raccorder au réseau (circuit dédié avec disjoncteur au tableau et interrupteur sectionneur), au circuit d'air comprimé, et aux machines (liaisons électriques et tubulures). On remarque un filtre détendeur permettant de régler la pression de fonctionnement du système. Selon les applications et les goûts, cette pression se situe entre 2 et 4 bars. 4 bars est pour moi la bonne pression, en particulier pour la scie et la fraiseuse. Pour un tour, c'est un peu trop élevé. C'est pour cette raison que sur chaque machine, il y a un régleur de débit. Il suffit de brider un peu sur les tours.

Intégration de l'ensemble

Détail du raccordement de l'air comprimé. L'air vient de droite (filtre détendeur), passe par une électrovanne, puis traverse le mélangeur avant d'aller vers les quatre électrodistributeurs. Le mélangeur ne sert qu'à visualiser le débit par son goutte à goutte. On aperçoit quatre petits tuyaux qui remontent à droite : ce sont les échappements des électrodistributeurs, ils retournent au réservoir.

Mélangeur

terminé, tout est relié, on ferme !

Sur la porte, il y a :

• un voyant de mise sous tension
• un voyant de marche qui s'allume si la micropulvérisation débite
• un voyant de niveau de liquide insuffisant
• un buzzer de niveau de liquide insuffisant

Terminé