Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme NF EN 60825-1 (C43-805) du 10/10/2014 citée dans cet article a été modifiée par la norme NF EN 60825-1/A11 de juin 2021 : Sécurité des appareils à laser - Partie 1: Classification des matériels et exigences
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2105 (Mai 2021).
RÉSUMÉ
L'amélioration des techniques d'usinage est en constante évolution. De nombreuses voies sont étudiées pour améliorer la qualité des pièces fabriquées ou gagner en productivité. Cet article présente des procédés d'assistance en usinage qui consistent à fournir une «énergie» supplémentaire au niveau de la zone de coupe. Cinq assistances sont présentées pour le procédé de tournage les trois assistances les plus avancées sont détaillées: l'assistance haute pression, l'assistance laser et l'assistance cryogénique.
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Improved and innovative machining techniques are constantly evolving. Many ways of improving workpiece quality and/or increasing productivity have been investigated. This paper presents the different types of assisted machining, which involves providing additional energy in the cutting zone. Five types of assistance are presented for the turning process. The three most promising ones (high pressure assistance, laser assistance and cryogenic assistance) are discussed in detail.
Auteur(s)
-
Guénaël GERMAIN : Maître de conférences, HDR, Laboratoire angevin de mécanique, Procédés et innovation, Arts et Métiers ParisTech, Angers, France
-
Anne MOREL : Maître de conférences, Laboratoire angevin de mécanique, Procédés et innovation, Arts et Métiers ParisTech, Angers, France
INTRODUCTION
Produire des pièces en réalisant un gain de productivité et/ou améliorer la qualité du produit obtenu (précision dimensionnelle, résistance mécanique, intégrité de surface...) peut nécessiter de faire évoluer les procédés de fabrication. En usinage, plusieurs axes de recherche peuvent être pertinents. Il est possible d'accroître les performances des outils de coupe (nuances [B 7 080] – et/ou géométries [BM 7 086] [BM 7 082] [BM 7 088]), d'améliorer les comportements des machines-outils (dynamique machine, cinématique [B 7 121] [BM 7 030]...), d'optimiser les trajectoires de l'outil (stratégie d'usinage), voire même de modifier le matériau pour augmenter son usinabilité.
Une autre voie d'évolution peut être l'utilisation d'une assistance à l'usinage. On cherche alors à fournir une « énergie » supplémentaire au niveau de la zone de coupe. Cette énergie supplémentaire extérieure peut se manifester sous forme mécanique, thermique (chauffage ou refroidissement) ou même magnétique. On parle alors généralement d'« usinage assisté ». Les enjeux sont multiples :
-
augmenter la tenue de l'outil en diminuant les sollicitations thermomécaniques qu'il subit, notamment en limitant les frottements outil/pièce et outil/copeau ;
-
favoriser la fragmentation et l'évacuation des copeaux ;
-
accroître l'usinabilité du matériau en réduisant notamment l'effort de coupe ;
-
améliorer l'intégrité de surface du produit final.
La mise en place de ces nouveaux procédés doit, dans le même temps, respecter une démarche d'« usinage propre » sans nuire à la sécurité des biens et des personnes.
Actuellement, on dénombre au moins cinq assistances en usinage qui n'ont pas toutes les mêmes bénéfices ni les mêmes maturités industrielles. Il s'agit de l'assistance haute pression, de l'assistance cryogénique, de l'assistance laser, de l'assistance vibratoire et de l'assistance magnétique. Ces assistances permettent un apport thermique et/ou mécanique supplémentaire dans la zone de coupe, entraînant une modification des mécanismes de formation du copeau. Elles n'apportent pas toutes les mêmes gains, et leur efficacité dépend du type de matériau usiné.
Le propos de cet article est de présenter les développements de ces assistances à l'usinage dans la recherche et l'industrie en décrivant d'abord leurs principes techniques. Pour les assistances les plus matures, leur intégration machine sera détaillée. Leurs effets sur l'usinabilité (effort de coupe, durée de vie de l'outil) et sur l'intégrité de surface (état de surface, contraintes résiduelles) seront analysés. Ces descriptions ont pour objet de comprendre l'impact de l'énergie apportée par l'assistance dans la zone de formation du copeau.
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Conclusion et perspectives
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4. Usinage assisté par refroidissement cryogénique
L'assistance jet d'eau haute pression combine une action mécanique et une action thermique pour favoriser l'évacuation de la chaleur. Pour cela, cette assistance utilise des pressions élevées du fluide de coupe. Une autre solution est d'abaisser la température du lubrifiant, ce qui conduit à l'usinage assisté par refroidissement cryogénique.
4.1 Intégration de l'assistance dans la machine-outil
La mise en œuvre du procédé peut paraître relativement simple, car il suffit d'alimenter un outil muni de buses (comme pour l'assistance haute pression) avec une conduite d'azote liquide (figure 26). Cependant, l'instabilité du fluide d'azote liquide à température ambiante pose problème. En effet, l'azote liquide passe à l'état gazeux très rapidement, et cela dès la moindre élévation de température, ce qui entraîne deux conséquences importantes :
-
un temps relativement important (jusqu'à plusieurs minutes) est nécessaire pour obtenir le refroidissement de l'installation cryogénique. Cette mise au froid doit être effectuée après chaque arrêt de l'assistance cryogénique ;
-
le fluide cryogénique n'est jamais entièrement liquide, mais plutôt diphasique, car même avec des conduites fortement calorifugées, il y a toujours une portion de l'azote liquide qui se transforme en gaz. Afin de limiter la présence d'une phase gazeuse au niveau de l'outil, un séparateur de phases doit être placé le plus proche possible en amont de l'outil ;
-
toutes les conduites utilisées doivent être très fortement calorifugées.
La pression d'alimentation en azote liquide doit généralement être de plusieurs bars jusqu'à environ 15 bar.
L'assistance cryogénique comporte en outre des risques qu'il ne faut pas négliger. En effet, l'azote n'est pas une substance toxique, mais sous forme liquide, elle provoque des brûlures par le froid, et sous forme gazeuse, un risque d'anoxie (manque d'oxygène). L'opérateur doit donc porter un oxymètre et une évacuation doit être prévue pour rejeter le gaz vers l'extérieur. Il est intéressant de noter qu'un litre d'azote liquide produit environ 670 litres d'azote gazeux. De plus, pour les températures très faibles (inférieures à – 182 oC) l'oxygène contenu dans l'air se liquéfie, il y a alors création d'oxygène...
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Usinage assisté par refroidissement cryogénique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LIST (G.), SUTTER (G.), BOUTHICHE (A.) - Cutting temperature prediction in high speed machining by numerical modelling of chip formation and its dependence with crater wear. - International Journal of Machine Tools and Manufacture, 54-55(0), p. 1-9 (2012).
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(2) - BABITSKY (V.I.), KALASHNIKOV (A.N.), MOLODTSOV (F.V.) - Autoresonant control of ultrasonically assisted cutting. - Mechatronics, 14, p. 91-114 (2004).
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(3) - EL MANSORI (M.), IORDACHE (V.), SEITIER (P.), PAULMIER (D.) - Improving surface wearing of tools by magnetization when cutting dry. - Surface and Coatings Technology, 188-189 (1-3 SPEC.ISS.), p. 566-571 (2004).
-
(4) - MKADDEM (A.), BENABOU (A.), EL MANSORI (M.), CLENET (S.) - Analytical modeling to predict the cutting behavior of ferromagnetic steels : a coupled magnetic-mechanical approach. - International Journal of Solids and Structures, 50(13), p. 2078-2086 (2013).
-
(5) - KAMINSKI (J.), ALVELID (B.) - Temperature reduction in the cutting zone in water-jet assisted turning. - Journal of Materials Processing Technology, 106(1-3),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Essais de durée de vie des outils de tournage à partie activé unique - ISO 3685 - 1993
-
Sécurité des appareils à laser – Partie 1 : classification des matériels et exigences - EN 60825-1 - 2014
-
Safe use of lasers - AINSI Z136.1-2014 - 2014
ANNEXES
Code du travail – Article R4452-1 à R4452-31 modifié par le décret no 2010-750 du 2 juillet 2010 relatif à la protection des travailleurs contre les risques dus aux rayonnements optiques artificiels. JORF no 0153 du 4 juillet 2010 page 12149 texte no 11.
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