AVANTAGES DU REFROIDISSEMENT
CRYOGENIQUE SURESTIMES?
La solution n'est pas encore ideale
Il y a quelques années, le refroidissement cryogénique était introduit en tant que solution marquante pour améliorer la productivité lors de l'usinage de matériaux exotiques comme le titane. De l'azote liquide était utilisé comme fluide pour refroidir l'outil. Depuis, différents gaz sont mis en œuvre mais cela ne répond pas idéalement à toutes les demandes. Certains problèmes ou points d'attention demeurent. En d'autres termes, on ne peut pas encore parler de véritable percée.
AMELIORATION DE LA PRODUCTIVITE
Le titane et autres métaux exotiques comme l'Inconel sont populaires dans le secteur aéronautique, l'offshore et l'industrie pétrolière et gazière. La quantité de titane que les avionneurs doivent usiner pose un énorme défi aux fabricants de machines-outils CNC et d'outils d'usinage. Le 'Material Removal Rate', ou taux d'enlèvement de matière en une minute, est bien plus bas pourle titane que pour l'aluminium. De plus, l'usure de l'outil est extrêmement importante. La demande de pièces de fraisage en titane va augmenter d'un facteur trois dans les prochaines années si les perspectives de croissance de l'industrie aéronautique se confirment. La part de titane dans un avion moderne ne cesse d'augmenter même si on y retrouve de plus en plus de composites. Le refroidissement cryogénique, à l'aide d'azote liquide par exemple, doit apporter une amélioration utile de la productivité.
Des tenues d'outils plus longues
La température plus basse a déjà un effet positif sur la tenue des outils. Dans le cas d'un tournage extérieur de TiAI6V4 par exemple, plusieurs études montrent que l'usure de l'outil ne s'élève qu'à un cinquième par rapport aux outils refroidis normalement. Les avantages sont plus évidents lors de vitesses de coupe plus importantes, et l'amélioration de la productivité est un fait: l'usinage avec un refroidissement cryogénique autorise des vitesses de coupe plus élevées. Les expériences de certains fournisseurs du secteur aéronautique parlent d'une amélioration de la productivité de 1,5 à 5 fois.
Une qualité de surface meilleure
La tenue de l'outil et/ou la productivité augmente donc, et la qualité de surface est meilleure. Il s'agit ici d'outils revêtus. Les matériaux de coupe ayant une conductivité thermique élevée, comme le CBN et le diamant, sont particulièrement efficaces. Dans le cas du refroidissement cryogénique, la chaleur est évacuée de la pièce via l'outil et non par les copeaux. Un avantage qui ressort clairement lors d'applications spécifiques, comme l'usinage de disques aubagés, est qu'il n'y a pas de zone affectée par la chaleur sur la pièce. La couche de surface blanche qui peut parfois se produire est inexistante avec le refroidissement à l'azote.
DIFFICILE PERCEE D'UNE TECHNOLOGIE VIEILLE D'UN DEMI-SIECLE
Cette technologie date en fait de plus d'un demi-siècle. L'azote liquide est utilisé dans d'autres applications, pour refroidir ou congeler rapidement des éléments. Les premiers essais pour refroidir un outil de fraisage ou de tournage avec de l'azote datent du début des années 1960. Personne n'aurait imaginé qu'il aura fallu attendre la seconde décennie du 21e siècle pour que le refroidissement cryogénique soit mis en œuvre à l'échelle industrielle, dans l'industrie métallurgique. Ceci a notamment à voir avec le fait qu'il n'est pas facile d'amener l'azote liquide jusqu'à l'arête de coupe de l'outil. Lors de l'usinage, l'azote liquide devient gazeux dès qu'il quitte l'outil. L'énergie extraite est tellement importante que la température descend jusqu'à -196 °C (le zéro absolu est -273,15 °C).
Un outil adapté
Ces dernières années, une certaine expérience a été acquise (principalement aux USA) avec le refroidissement cryogénique. C'est de là qu'est venue la réflexion que l'idée initiale d'injecter l'azote du côté extérieur donne des résultats moins bons que lorsque le refroidissement a lieu par la broche et l'outil. L'explication à cela est que suite au refroidissement externe, c'est toutela pièce qui est extrêmement refroidie, et bien souvent, l'usinabilité du matériau est plus difficile car il durcit. Le refroidissement cryogénique complique donc l'usinage. Une méthode a été développée où l'azote liquide est guidé dans l'outil et ressort directement sous l'arête de coupe. Cette technique a donné des résultats optimaux. Cependant, il y a quelques conditions à respecter. Il faut ainsi des outils spéciaux adaptés aux canaux de refroidissement et qui dévient le gaz de la pièce. L'idée est que l'azote liquide refroidit l'arête de coupe en évacuant la chaleur, mais pas la pièce proprement dite qui reste à une température constante pour éviter qu'elle ne se fragilise. A côté de cela, le métal dur doit bien entendu résister aux températures extrêmement basses.
Adaptation des machines
L'outil doit donc subir des adaptations mais la machine aussi. Les machines équipées d'un refroidissement par la broche peuvent être adaptées. Le conduit de refroidissement interne par lequel le lubrifiant de refroidissement passe normalement est remplacé par un conduit de refroidissement cryogénique spécial. Il s'agit d'un conduit isolé sous vide dans lequel passe l'azote. Suite à cela, la température basse n'a aucun effet sur la broche. Il s'agit d'un système à basse pression qui ne nécessite pas de pompes supplémentaires. Les cuves d'azote sont généralement installées hors de l'atelier de production. Entre-temps, il existe des retro kits sur le marché pour convertir des machines existantes en un système de refroidissement cryogénique. Peut-être est-ce là une raison pour laquelle la technologie ne perce pas vraiment dans l'usinage en général. Si on conserve les pompes et autres élémentsdu système de lubrifiant de refroidissement, il est possible en théorie d'intervertir le refroidissement cryogénique et traditionnel d'une machine. Mais cela représente des heures de travail. Une autre option est de faire soit du refroidissement cryogénique soit de l'usinage à sec. Il semble dès lors logique d'utiliser le refroidissement cryogénique sur des machines qui sont exclusivement mises en œuvre pour des matériaux spécifiques commel'Inconel et le titane. Bref, le refroidissement cryogénique représente un investissement supplémentaire dans l'installation et une adaptation de la machine.
Des coûts élevés
Outre les adaptations à la machine et à l'outil,les coûts de l'azote sont relativement élevés. Selon la pression à laquelle on travaille, les coûts diminuent sans doute mais à 12 bars, l'azote liquide coûte environ 1 euro par minute en coût d'exploitation. Certes, les coûts d'outils sont réduits, la productivité est supérieure et les copeaux restent secs. Il ne faut donc pas les nettoyer pour enlever l'émulsion lubrifiante de refroidissement.
A LA RECHERCHE D'ALTERNATIVES
En de nombreux endroits, on réalise actuellement des recherches sur des alternatives à l'azote liquide. La principale raison est que le refroidissement à l'azote nécessite des investissements importants supplémentaires.
Le CO2 liquide
Le CO2 liquide représente une alternative, ainsi que la glace sèche. Cette dernière fournit de bons résultats avec le titane mais aussi l'acier austénitique au niveau de la tenue d'outils, de la productivité et de la rugosité de surface. Comme la température du dioxyde de carbone est beaucoup plus élevée que celle de l'azote liquide, il est possible ici de faire du refroidissement hors de la broche et de l'outil, sans influencer les caractéristiques du matériau de la pièce. Chez Sirris à Diepenbeek, des recherches ont lieu sur le refroidissement externe à l'azote. Il s'agit en particulier de l'usinage de l'acier trempé et du titane. Outre le répertoriage des effets sur le processus d'usinage, Sirris veut en savoir plus sur les coûts et autres éléments pratiques du refroidissement cryogénique. Un des premiers résultatsest que cette méthodede refroidissement a un effet positif sur la rugosité de surface lors de l'usinage d'acier trempé.
Combinaisons
Un usage combiné le refroidissement traditionnel par la broche et le refroidissement cryogénique de l'extérieur est parfois possible. Des résultats encore meilleurs sont obtenus si on combine un refroidissement cryogénique avec de la glace sèche et le MMS, la nébulisation à l'huile. L'effet lubrifiant parfois nécessaire provient alors de la nébulisation dans le système MMS. ?