Assistance cryogénique en usinage

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.