L'usinage cryogénique

Une technique révolutionnaire et prometteuse pour l’usinage des métaux

Les liquides de refroidissement traditionnels pour le tournage et le fraisage sont indispensables mais ils présentent quelques inconvénients de taille. Grâce à l’usinage cryogénique (cryo machining), il existe aujourd’hui une technique offrant une solution rentable et écologique.

De nombreuses recherches ont été effectuées en vue d’éliminer autant que possible ces problèmes mais cela ne fonctionnait que dans une certaine mesure. Jusque récemment, il fallait en prendre son parti. Grâce à l’usinage cryogénique (cryo machining), il existe aujourd’hui une technique offrant une solution rentable et écologique.

Cette technique consiste à utiliser de l’azote liquide (LN₂) comme liquide de refroidissement pendant l’usinage. En raison de sa température extrêmement basse, l’azote liquide convient parfaitement pour cet usage. Pour certains métaux qui réagissent mal à ce froid, il est possible de travailler avec du CO₂ liquide.

L’usinage cryogénique résout, dans une mesure plus ou moins grande, les problèmes rencontrés, par les liquides de refroidissement traditionnels comme une capacité de refroidissement insuffisante, une souillure partielle de la pièce par le liquide de refroidissement, l’émission de vapeurs nocives et de déchets toxiques…

L'usinage cryogénique: une technique plus rapide, plus efficace et plus écologique

Air Liquide est l’un des pionniers de cette technique et il a énormément investi dans la recherche sur ses avantages et son applicabilité pratique. Les avantages observés aujourd’hui sont d’ores et déjà intéressants et améliorent considérablement le processus de découpe. Pia Biermann, responsable de projet de Cryo Machining chez Air Liquide, confirme que les tests actuellement réalisés auprès des entreprises pilotes sont très positifs: «la vitesse d’usinage des métaux augmente de 20 % grâce à l'usinage cryogénique et elle est encore en cours d’affinage et d’amélioration. L'usinage cryogénique permet donc de couper plus rapidement, de refroidir de façon optimale, tout en étant plus écologique et en réduisant la vitesse d’usure des outils d’usinage.»

Un des principaux avantages de l’usinage cryogénique est évidemment qu’il augmente la durée de vie des outils d’usinage. Des recherches scientifiques révèlent que ces outils doivent être remplacés moins souvent; la machine reste donc moins longtemps à l’arrêt. La vitesse d’usinage des métaux augmente en outre de 20% en moyenne grâce à l’usinage cryogénique. Cette efficacité des processus constitue un atout important pour les entreprises qui découpent fréquemment des métaux.

De plus, l'usinage cryogénique offre également des améliorations sur le plan de la qualité. Ainsi, la qualité de coupe est sensiblement améliorée. Le bord de coupe n’est pas souillé par le liquide d’usinage et le risque d’endommager la surface pendant la découpe diminue. En effet, grâce à l’usinage cryogénique, le risque d’interaction électrochimique entre l’outil d’usinage et la pièce usinée diminue.

L’amélioration de la rugosité de surface est marquante et très intéressante pour les entreprises d’usinage des métaux. Cette rugosité est largement inférieure si l’usinage cryogénique est utilisé. Diverses recherches démontrent que la rugosité de surface est presque divisée par deux par rapport aux liquides d’usinage traditionnels et largement réduite en comparaison avec l’utilisation de fluides auxiliaires. Après une dizaine de minutes d’utilisation de la machine, la différence sur le plan de la rugosité de surface augmente de manière spectaculaire.

Ce graphique présente les différentes températures des composants du processus d’usinage. Dans le premier cas, le CO₂ est utilisé, dans le deuxième cas, le travail a été réalisé avec de l’azote liquide. (Source: «Next generation high performance cutting by use of carbon dioxide as cryogenics » Cordesa, Hübner, Schaarschmidt).

La température lors de la découpe reste bien plus basse qu’avec les autres techniques de coupe, avec tous les avantages que cela comporte. La formation d’ébarbures diminue ainsi lors de l’usinage. Différents tests (réalisés entre autres par l’expert Cordes) indique une réduction de 55% de la formation d’ébarbures sur les bords de coupe lors de l’utilisation de l’usinage cryogénique. Le reste de la pièce et l’outil d’usinage sont également mieux protégés contre l’usure dûe à la chaleur.

Ce graphique présente les résultats des tests de l’usinage cryogénique (avec LN2 et CO2) en comparaison avec les liquides d’usinage des métaux classiques. (Source : « Experimental comparison of carbon-dioxide and liquid nitrogen cryogenic coolants in turning of AISI 1045 steel » B. Dilip Jerold, M. Pradeep Kumar).

La technique représente en outre une amélioration significative pour l’environnement et la qualité de l’air dans l’atelier. Lorsque ce liquide de refroidissement entre en contact avec l’air, il ne se forme pas de vapeurs nocives. L’azote liquide se transforme en azote gazeux, un composant naturel de l’air.

Air Liquide investit encore énormément dans les recherches relatives à cette technique prometteuse. De nombreux projets pilotes sont actuellement en cours au sein de diverses entreprises afin d’en inventorier les avantages avec plus de précision. De plus, Air Liquide travaille sur un projet de recherche avec Sirris, en vue de développer une tête qui fournisse des performances de refroidissement encore meilleures que celles des systèmes actuels.

L’usinage cryogénique fonctionne avec de l’azote liquide (LN₂) ou du CO₂. L’azote liquide présente de meilleures performances de refroidissement (voir graphique ci dessus) mais ne peut pas être utilisé pour tous les métaux. Parfois, il est nécessaire de la remplacer par du CO₂ si on coupe des métaux qui supportent mal le froid.

Les entreprises qui ne travaillent jamais avec du LN₂ doivent aussi accorder une attention accrue à la sécurité car travailler avec de l’azote liquide comporte des risques. Afin de limiter ceux-ci, il existe néanmoins de nombreux systèmes de sécurité.

Les 6 avantages du Cryo Machining

Pia Biermann croit fermement aux caractéristiques uniques de l’usinage cryogénique et en résume les principaux avantages:

• les outils d’usinage s’usent moins rapidement
• la qualité du bord de coupe et de la rugosité de surface est améliorée
• la technique est moins polluante
• la vitesse d’usinage augmente
• la pièce usinée n’est pas souillée par les liquides d’usinage
• l’air est beaucoup moins pollué pendant l’usinage

La technique présente donc d’importants avantages économiques et écologiques. En outre, le coût de l’installation est pratiquement identique à celui des systèmes de refroidissement traditionnels alors même que la qualité et la vitesse d’usinage sont améliorées. Les avantages environnementaux constituent un autre atout important de l’usinage cryogénique. Cette technique peut donc susciter à juste titre des attentes élevées.

Source : en collaboration avec Air Liquide

Article rédigé par METAAL INFO

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