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1 - PRINCIPE DE L’ASSISTANCE CRYOGÉNIQUE EN USINAGE ET TECHNIQUES ASSOCIÉES

2 - CHOIX DU FLUIDE CRYOGÉNIQUE

3 - EFFET DE L’ASSISTANCE CRYOGÉNIQUE SUR LE PROCÉDÉ D’USINAGE

4 - BILAN ENVIRONNEMENTAL

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM7036 v1

Bilan environnemental
Assistance cryogénique en usinage

Auteur(s) : Guénaël GERMAIN, Anne MOREL, Laurence LAMBERT

Relu et validé le 10 mars 2021

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RÉSUMÉ

L’amélioration de la productivité et de la qualité des pièces nécessite le développement de nouvelles techniques d’usinage. L’assistance cryogénique est l’une de ces techniques. Les différents principes de l’assistance cryogénique ainsi que les gains constatés sont présentés dans cet article.

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ABSTRACT

Cryogenic assisted machining

The need to increase productivity and improve the quality of machined components requires the development of new machining techniques. Cryogenic-assisted machining is one such technique. This article presents the various principles of cryogenic assistance, together with the gains obtained using the techniques described.

Auteur(s)

  • Guénaël GERMAIN : Maître de conférences, HDR Laboratoire angevin de mécanique, procédés et innovation, arts et métiers, Angers, France

  • Anne MOREL : Maître de conférences Laboratoire angevin de mécanique, procédés et innovation, arts et métiers, Angers, France

  • Laurence LAMBERT : Project Leader Materials and coatings technology CERATIZIT, Mamer, Luxembourg

INTRODUCTION

Beaucoup de pièces utilisées dans l’industrie mécanique sont obtenues par usinage. Les familles de matériaux sont multiples, les caractéristiques associées très variées.

On observe néanmoins ces deux tendances :

  • pour les matériaux dont l’usinabilité est maîtrisée, la recherche de gains de productivité accrus conduit à imposer des conditions de coupe plus sévères, notamment en augmentant les vitesses de coupe et l’avance ;

  • les domaines aéronautique, de l’aérospatiale, automobile, nucléaire sont en demande de matériaux à caractéristiques toujours plus élevées, mais plus difficilement usinables.

Ces axes de développement conduisent tous deux à une augmentation des températures aux interfaces de contact entre l’outil, le copeau et la pièce, pouvant générer une usure prématurée des outils coupants, une dégradation de l’intégrité de surface de la pièce ainsi que des dispersions géométriques sur le produit final.

Pour pallier ces difficultés, il est possible de chercher à accroître les performances des outils de coupe en travaillant sur la géométrie des plaquettes ou en optimisant le choix des matériaux constitutifs de l’outil. Cette dernière solution est par exemple utilisée pour l’usinage d’alliages de nickel avec des outils en céramique, ou pour des opérations de tournage d’acier traité avec des plaquettes cBN (nitrure de bore cubique). Dans ce cas, la durée de vie des outils est améliorée, mais les températures restent très élevées, ce qui peut entraîner des contraintes résiduelles, voire des changements de phases, néfastes en surface du produit fini.

Une autre voie consiste à refroidir fortement la zone de coupe, car les méthodes classiques de lubrification manquent souvent d’efficacité. Elles peuvent même, notamment en usinage à grandes vitesses, avoir un impact non négligeable sur l’environnement de travail en produisant des gaz toxiques et des fumées. L’utilisation, lors de la coupe, de fluides cryogéniques non synthétisés (air liquide, argon liquide, azote liquide...) dans le cadre d’un usinage à sec est alors une alternative intéressante. L’assistance cryogénique à l’usinage présente les avantages suivants :

  • ajout dans la zone de coupe d’un fluide au pouvoir réfrigérant élevé (température inférieure à – 100 °C) ;

  • phase liquide non stable à température ambiante permettant d’évacuer les copeaux dans les premiers instants avant de se vaporiser ;

  • respect de l’environnement, des biens et des personnes.

L’assistance cryogénique est appliquée à plusieurs opérations d’usinage : abrasion, perçage, fraisage, tournage... Dans la suite de l’article, l’application de l’assistance au procédé de tournage sera plus spécifiquement détaillée. Les principes et les techniques associées seront d’abord présentés. Les critères de choix d’un fluide cryogénique seront ensuite proposés. Les gains réalisés en termes de productivité et de qualité de pièce seront ensuite analysés et mis en perspectives au regard du coût économique et de l’impact environnemental.

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KEYWORDS

machining.   |   manufacturing process   |   cryogenic machining

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm7036


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4. Bilan environnemental

Le paragraphe précédent a montré les bénéfices de l’utilisation d’une assistance cryogénique lors d’opérations d’usinage. Pour évaluer l’intérêt de la mise en place de ce procédé dans une chaîne de production, il convient également de mesurer le coût environnemental du dispositif et de le comparer aux autres méthodes d’usinage.

Dans l’industrie mécanique, les fluides de coupe correspondent à une consommation de plus de 20 000 t/an pour la France. Le fluide de coupe représente environ 10 % du coût de production d’une pièce usinée de façon conventionnelle. Ce coût comprend la filtration, le traitement, le stockage, mais aussi les taxes sur les produits polluants, les coûts liés à l’hygiène et la sécurité des ateliers, ainsi que le suivi écologique (ISO 14000). L’usage de fluide de coupe peut de plus conduire, après inhalation des brouillards générés, à des affections respiratoires, voire à des maladies de peau (dermatite).

L’idée de supprimer les fluides de coupe n’est pas neuve, mais la mise en œuvre de l’usinage à sec reste délicate et son application limitée. Ainsi, dans le cas du tournage, les fabricants d’outils proposent des nuances et des géométries spécifiques pour des matériaux type fontes ou aciers. Mais des conditions de coupe trop sévères mènent à une rupture prématurée de l’outil coupant, des déviations dimensionnelles de la pièce, une dégradation de l’état de surface en créant des contraintes résiduelles de traction et des microfissures en sous-surface.

La suppression de la lubrification n’est donc pas envisageable pour de nombreux matériaux. Les systèmes de pulvérisation ou de microlubrifications comme le MQL (Minimum Quantity Lubrication) permettent de limiter très fortement la quantité de fluide utilisée, mais le nettoyage des pièces et des copeaux doit toujours être réalisé.

Comme pour l’usinage à sec, le procédé d’usinage assisté cryogénie permet d’éviter les coûts liés au retraitement du fluide et au nettoyage des pièces et des copeaux. L’usinage est donc considéré comme propre, tout en garantissant la lubrification et le refroidissement de la zone de coupe. Il n’y a de plus pas de pollution, ni de risque sanitaire au niveau de la machine sous réserve d’une aération suffisante.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LI (B.) -   A review of tool wear estimation using theoretical analysis and numerical simulation technologies.  -  Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 35, p. 143-151 (2012).

  • (2) - EVANS (C.) -   Cryogenic diamond turning of stainless.  -  CIRP Annals, 40(1), p. 571-575 (1991).

  • (3) - HONG (S.Y.), DING (Y.), EKKENS (R.G.) -   Improving low carbon steel chip breakability by cryogenic chip cooling.  -  International Journal of Machine Tools and Manufacture, 39, p. 1065-1085 (1999).

  • (4) - HONG (S.Y.) -   Cryogenic machining.  -  US Patent n° 5901623, 05 nov. 1999.

  • (5) - MOHAN LAL (D.), RENGANARAYANAN (S.), KALANIDHI (A.) -   Cryogenic treatment to augment wear resistance of tool and die steels.  -  Cryogenics, 41(3), p. 149-155 (2001).

  • (6) - BARRON (R.F.) -   Cryogenic treatment...

NORMES

  • Essais de durée de vie des outils de tournage à partie active unique (E 66-505) - ISO 3685 - 12-93

  • Atmosphère type - ISO 2533 - 05-75

  • Conditions de référence, conditions normales, volume normal – Notions et valeurs - DIN 1343 - 01-90

1 Réglementation

[AIR2006et1006Ra] Avis et rapport de l’Afsset, Risques sanitaires liés à l’utilisation de l’azote liquide (10 avril 2008).

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