Nouveaux développements dans la technologie abrasive pour l'aluminium

Apr 14, 2023

Le meulage manuel de pièces en aluminium peut être difficile. L'utilisation d'un abrasif conçu spécifiquement pour la tâche donnera les meilleurs résultats.

Ces dernières années, les industries du transport se sont de plus en plus tournées vers l'aluminium car elles cherchent à « alléger » leurs produits. Par conséquent, les fabricants de métaux ont besoin de nouveaux outils pour travailler avec ce matériau difficile.

Les alliages d'aluminium offrent un rapport résistance/poids amélioré par rapport aux alliages d'acier traditionnels. Les tendances d'allègement dans le secteur des transports nécessitent des outils rapides et efficaces pour le meulage de l'aluminium. Les meules à angle droit typiques conçues pour l'acier ne doivent pas être utilisées sur l'aluminium car la surface de la meule peut rapidement se boucher avec des copeaux de métal qui collent à l'abrasif.

En étudiant les mécanismes par lesquels les copeaux de métal peuvent se coller (se charger) à la surface de la meule abrasive, des stratégies pour éviter la charge de métal peuvent être appliquées à la conception abrasive. Cela conduit ensuite à de nouveaux produits de meulage en aluminium avec des vitesses de meulage grandement améliorées et des performances plus durables, sans avoir besoin de cires ou de lubrifiants.

L'aluminium utilisé dans l'industrie n'est généralement pas l'élément pur mais plutôt un élément parmi une gamme de familles d'alliages d'aluminium, en fonction de l'utilisation finale. Bien que les propriétés d'alliages d'aluminium spécifiques puissent varier considérablement, il est prudent de faire les généralisations suivantes :

La production et l'utilisation d'aluminium augmentent. Bien que la production totale d'acier soit actuellement supérieure à la production d'aluminium, le taux de croissance de la production d'aluminium est d'environ 60 % supérieur à celui de l'acier. De 2008 à 2018, la production mondiale d'aluminium a augmenté à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 4,8 %, tandis que la production mondiale d'acier a augmenté à un TCAC de 3,0 %.

La croissance de l'utilisation de l'aluminium est principalement tirée par l'industrie automobile et des transports, suivie par l'aérospatiale, la défense et la marine. L'industrie automobile et des transports représente environ 80 % en valeur de l'utilisation mondiale d'alliages d'aluminium à haute résistance, avec un TCAC estimé à 7,7 % de 2018 à 2023.

Le fort besoin d'aluminium dans l'industrie automobile et des transports est motivé par les tendances d'allègement. Les constructeurs automobiles sont soumis à une pression constante pour augmenter l'efficacité énergétique de leurs flottes, ils recherchent donc naturellement des matériaux plus résistants et plus légers. Dans l'industrie du camionnage commercial, les remorques plus légères peuvent entraîner une augmentation du poids de la cargaison transportée par voyage, en plus des économies de carburant. L'aluminium est également utilisé pour réduire le poids des navires marins, ce qui contribue à leur vitesse, leur maniabilité, leur stabilité et leurs économies de carburant. Les coques légères permettent également une utilisation en eau peu profonde.

Les alliages d'aluminium ont également une dureté plus faible, une ductilité plus élevée et des points de fusion plus bas que les alliages d'acier (932 degrés F à 1 112 degrés F pour l'aluminium contre environ 2 732 degrés F pour l'acier). Ces différences peuvent signifier que les outils et techniques de travail des métaux utilisés pour le travail de l'acier ne sont pas toujours optimisés pour le travail de l'aluminium.

Un problème courant lorsqu'il s'agit de meuler manuellement des pièces en aluminium est la tendance des copeaux d'aluminium à coller sur la meule elle-même. Lorsque la meule se charge (obstrue) de copeaux de métal, elle ne peut plus retirer de métal de la pièce. La figure 1 montre une meule standard après seulement quelques minutes d'utilisation sur de l'aluminium. Étant donné que cette meule a été conçue pour être utilisée sur de l'acier et non de l'aluminium, une charge s'est produite et la meule a cessé de meuler efficacement.

Une pratique qui retarde le début du chargement du métal est l'application de cire sur la meule. En appliquant une substance glissante sur la surface de la roue, il est temporairement plus difficile pour les copeaux d'aluminium de coller. Cependant, au fur et à mesure que la roue est utilisée, la cire s'use et doit être réappliquée. Cette option n'est pas idéale, car l'application de cire prend du temps pour le meulage et crée une contamination supplémentaire sur la pièce, qui doit être nettoyée lorsque le meulage est terminé. Si la cire n'est pas soigneusement nettoyée de la pièce, cela peut entraîner des défauts dans la soudure.

FIGURE 1. Voici un exemple de meule standard, non spécifiquement conçue pour être utilisée sur l'aluminium, après avoir été utilisée pour le meulage de l'aluminium. Remarquez toutes les zones argentées (chargées) de métal collé, rendant la meule inefficace.

Une caméra à fort grossissement focalisée sur les zones chargées de la surface d'une meule usagée (voir la figure 2) révèle une surface abrasive incapable de faire le travail pour lequel elle a été conçue. Les zones claires sont le métal aluminium collé sur la face de la roue. Les caractéristiques blanches et en blocs sont le grain abrasif. La zone jaune correspond aux zones de liaison exposées et usées, et la zone brune correspond à la liaison et aux pores sous-jacents.

L'image de droite de la figure 2 montre le point de coupe d'un seul grain dont la surface a été recouverte d'aluminium métallique. Derrière le point de coupe se trouvent de nombreux copeaux filandreux d'aluminium qui ont été collectés. Étant donné que ces copeaux n'étaient pas retirés de la zone de broyage, ils ont fusionné à cause du frottement et de la chaleur générés lorsque le grain frappe la pièce. Des stries le long du centre de cette masse montrent des marques de frottement entre la pièce en aluminium et l'aluminium collé à la meule. Au fur et à mesure que l'aluminium s'accumulait sur la face de la meule, il empêchait la pointe de coupe d'enlever plus de copeaux, obstruant ainsi le processus d'élimination du métal.

Une coupe transversale de cette meule (voir figure 3), vue au microscope, révèle la charge métallique d'une vue latérale.

Un examen minutieux au microscope électronique à balayage des copeaux d'aluminium retirés de la surface de cette roue en révèle encore plus (voir la figure 3, à droite). La mise au point rapprochée de la face supérieure des copeaux montre des marques de frottement/labourage, suggérant un comportement de type semi-solide. Le dessous de la puce montre comment l'aluminium a pu se déformer et se fixer sur toute la surface de la meule, en se conformant à la fois au grain et au liant. Ces caractéristiques de déformation montrent que le métal s'est ramolli près de son point de fusion lorsqu'il s'est attaché à la surface de la roue et que la masse a augmenté de manière cohérente à mesure que d'autres copeaux d'aluminium se sont collés.

La figure 4 montre un cadre de la façon dont le grain abrasif, le liant retenant le grain et la pièce à usiner peuvent interagir dans les processus de coupe (enlèvement de matière), de labour (déplacement de matière) et de glissement (modification de surface). Les caractéristiques observées sur la surface de la meule indiquent principalement des interactions de glissement à partir du moment où les grains abrasifs sont entrés en contact avec la pièce en aluminium. Les interactions de glissement ne contribuent pas au processus d'enlèvement de métal (formation de copeaux) et agissent uniquement pour rendre le processus de meulage moins efficace.

Lors du meulage de l'aluminium (voir la figure 4), le grain traverse la pièce ductile, qui recouvre les pointes du grain de métal. Une fois que la pointe du grain est revêtue, les interactions de friction entre la puce (collée au grain) et la pièce à usiner permettent à la puce métallique collée de commencer à se développer de manière cohérente. Au fur et à mesure que le patch métallique collé se développe, d'autres interactions entre la liaison et la pièce à usiner génèrent plus de chaleur, ce qui entraîne une plus grande surface affectée par la charge métallique.

Pendant l'utilisation, à mesure que la meule abrasive se bouche avec du métal, le meulage devient moins efficace, ce qui conduit à la réaction naturelle de l'opérateur de pousser plus fort avec la meuleuse pour essayer de décomposer davantage la meule et d'ouvrir la surface pour exposer de nouveaux grains de coupe. Cependant, cette approche courante ne fonctionne pas, car l'augmentation de la pression de meulage entraîne une accumulation de plus de chaleur, ce qui poursuit le processus de ramollissement et d'adhérence des copeaux d'aluminium sur la face de la meule. Cela crée une boucle de rétroaction, qui agit comme un cercle vicieux pour charger davantage la meule jusqu'à ce qu'elle ne puisse plus moudre et doive être remplacée.

Pour rompre la boucle de rétroaction du mécanisme de chargement, le grain abrasif doit devenir plus résistant au chargement du métal. En effet, le mécanisme de chargement commence aux extrémités des grains et se développe de manière cohérente pour couvrir de grandes surfaces de la meule.

Pendant le meulage, les grains abrasifs individuels subissent des contraintes thermiques et mécaniques lorsqu'ils frappent en permanence la pièce. Ces contraintes peuvent provoquer la fissuration ou la fracture du grain de différentes manières (voir Figure 5). Le type de fracture du grain ainsi que le taux global de fracture du grain dépendent de la microstructure du grain et sont corrélés à plusieurs propriétés du grain, notamment la dureté et la résistance à la chaleur, aux chocs et aux chocs. Un grain qui se fracture et se décompose facilement est connu comme friable, et celui qui s'use lentement est connu comme durable.

La fracture du grain est auto-affûtante, car elle expose de nouvelles surfaces de coupe. Dans le cas du meulage de l'aluminium, à mesure que le grain se fracture, les pièces éjectées peuvent soulever des morceaux de métal d'aluminium collés, laissant derrière eux un point de coupe frais et propre.

FIGURE 2. Une vue de haut en bas d'une section de meule usagée est illustrée.

Pour démontrer l'effet de la friabilité sur la vitesse de broyage (taux d'enlèvement de métal) et l'étendue de la charge, des meules contenant des types de grains avec différents niveaux de friabilité ont été préparées et testées au broyage. Tous les autres paramètres expérimentaux ont été maintenus égaux.

Une fois les tests de meulage terminés, chaque talon de roue a été imagé pour déterminer l'étendue de la charge de métal en calculant la surface totale de biseau couverte par le métal collé (voir la figure 6).

En conséquence, une forte corrélation a été trouvée entre les meules contenant des types de grains très friables ayant moins de charge métallique et une vitesse de meulage plus élevée.

Cela a conduit au développement de meules en aluminium avec un grain abrasif spécial extra-friable qui est capable de se fracturer et de se décomposer juste avant que trop de pression et de chaleur ne soient générées, empêchant ainsi l'accumulation de métal (voir Figure 7). Ces meules abrasives sont agressives, permettant à la meuleuse manuelle de travailler avec moins d'effort par rapport à l'utilisation de disques abrasifs non spécifiquement conçus pour l'enlèvement de l'aluminium.