Présentation

Article interactif

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

Choix du fluide cryogénique
Assistance cryogénique en usinage

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

Relu et validé le 10 mars 2021

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

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.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

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.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

machining.   |   manufacturing process   |   cryogenic machining

DOI (Digital Object Identifier)

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


Cet article fait partie de l’offre

Travail des matériaux - Assemblage

(177 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

2. Choix du fluide cryogénique

Il existe sur le marché une large gamme de fluides cryo-géniques. On citera, parmi ces fluides disponibles sous forme liquide, l’air, l’azote, l’oxygène, l’argon, l’hélium, le néon, l’hydrogène...

Le choix du fluide dépend d’abord de sa compatibilité avec le matériau à usiner (usinage de matériaux métalliques, composites...). Mais la prise en compte des risques environnementaux, de la stabilité du fluide et de sa réactivité chimique est également essentielle.

2.1 Propriétés des fluides cryogéniques – risques associés

Le tableau 2 synthétise quelques propriétés thermiques de fluides cryogéniques, les risques associés, leur stabilité, leur réactivité chimique et leur compatibilité avec quelques matériaux.

Nota

se reporter à l’encadré pour la légende du tableau 2.

Le krypton, le néon et le xénon sont connus sous l’appellation de gaz « rares » car ils ne représentent qu’une proportion de 1/1 000 de l’air qui nous entoure. Ils sont inertes, ne réagissant pas et ne se combinant qu’avec de grandes difficultés à d’autres substances chimiques. Malgré ces propriétés très intéressantes, le coût associé est actuellement prohibitif.

Le dioxyde de carbone est souvent utilisé dans l’industrie comme fluide de refroidissement, mais son utilisation en usinage n’est pas souhaitable, car la présence d’oxygène le rend réactif avec de nombreux matériaux.

L’atmosphère contient environ 0,9 % d’argon. C’est un gaz neutre et incolore qui n’est...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :

Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.

Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.

Obtenez CerT.I., la certification
de Techniques de l’Ingénieur !
Acheter le module

Cet article fait partie de l’offre

Travail des matériaux - Assemblage

(177 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Choix du fluide cryogénique
Sommaire
Sommaire

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).

HAUT DE PAGE

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Travail des matériaux - Assemblage

(177 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire

QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE

1/ Quiz d'entraînement

Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.

2/ Test de validation

Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Travail des matériaux - Assemblage

(177 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS