Etude fondamentale de l’assistance cryogénique pour application au fraisage du Ti6Al4V

Les principaux challenges de l’industrie du futur sont de satisfaire à toujours plus d’exigences en termes de développement durable, d’optimisation des coûts et qualité des produits. Les impératifs environnementaux des institutions publiques sont croissants et imposent de plus en plus de rigueur dans les ateliers mécaniques. Les secteurs industriels fabriquant des produits à haute valeur ajoutée tels que l’aéronautique et le spatial, sont dans une perspective continue d’amélioration des produits manufacturés et des procédés. L’emploi de matériaux tels que des alliages de titane ou les superalliages à base de nickel devient courant. Ils possèdent une grande résistance mécanique, une faible densité et une tenue des propriétés mécaniques constante dans divers domaines d’utilisation à forts gradients thermiques. Cependant, ces alliages sont difficiles à usiner. En effet, leurs faibles conductivités thermiques maintiennent l’élévation de température produite par la coupe au niveau de l’interface outil/pièce, les dégradant rapidement. La chaleur n’est pas ou peu transmise à l’ensemble de la pièce en raison de cette faible diffusivité thermique. Le respect des tolérances géométriques et dimensionnelles est compliqué à tenir. Les difficultés comme l’usure prématurée des outils, les déformations de pièces ou encore les mauvaises qualités de surface deviennent problématiques.

C’est dans cette perspective que l’assistance cryogénique en usinage peut répondre aux diverses problématiques. L’idée de refroidir la coupe en utilisant un fluide cryogénique naît dans les années 80. L’apparition de fluide à très basse température, tels que le CO2 ou encore l’azote liquide (LN2), peuvent résoudre la question des forts gradients de température générés au cours d’une opération d’usinage. A première vue, cette technologie peut apporter les réponses aux exigences précédemment décrites : évacuation rapide de la chaleur générée par la coupe, pas de nettoyage des pièces post-usinage et absence d’utilisation de fluide de coupe nocif pour les opérateurs et l’environnement. Cela induit pourtant de nouvelles questions tels que l’acheminement du fluide cryogénique vers les zones souhaitées, l’optimisation du procédé ou encore l’impact du grand froid sur les outils et les pièces. De nouveaux verrous technologiques et scientifiques apparaissent. Cette thèse propose de les étudier.

Ce travail est le fruit d’une collaboration entre partenaires d’un consortium dans un contexte F2I (Fonds pour l’innovation dans l’industrie). Il comprend les acteurs industriels suivants : le CETIM (Centre Technique des Industries Mécaniques), le CETIM-CTDEC (Centre Technique de Décolletage), l’AMICS-EPI (Association de la Mécanique Industrielle et des Constructions Spéciales). Le lien académique a été assuré par le LaBoMaP (Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés) de l’ENSAM de Cluny (Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers), le LTDS (Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes) de l’ENISE (Ecole Nationale Supérieure de Saint-Etienne).

Enjeux de l’assistance cryogénique

Définition et origine du procédé

La définition de la cryogénie n’est pas arrêtée. Cette notion prend un sens variable en fonction des domaines d’application et des études scientifiques. Les environnements produisant des basses températures sont généralement référencés comme cryogéniques. Le terme « cryogénie » a pour origine le mot grec « Kryos » signifiant « gel et froid ». C’est à la fin du XIXè siècle que l’on commence à entendre parler de fluide cryogénique. Il s’agissait d’oxygène ou d’hydrogène liquéfié [Scurlock 90].

L’identification de la température cryogénique n’est pas une notion scientifiquement définie. La plupart des études marquent la frontière entre la température ambiante et la température cryogénique à -150 °C (soit 123 Kelvin). La « Cryogenic society of America » marque le passage dans le domaine du cryogénique pour des températures en-dessous de 120 K. Cependant, d’autres instituts (tel que le NIST) considèrent que les températures cryogéniques commencent à -180 °C. En effet, c’est à cette température que la plupart des gaz parfaits se liquéfient. Dans cette étude, les températures cryogéniques seront considérées en-dessous de ce seuil, l’azote liquide étant portée à ébullition à -196 °C.

L’utilisation de gaz liquéfiés comme assistance à l’usinage remonte au début du XXè siècle avec l’utilisation du CO2. Les ingénieurs, adoptant ce procédé, constatent dès les premières utilisations une résistance accrue des outils à l’usure. Les premières directives sur l’application de l’ingénierie cryogénique ont été établies au début des années 80.

Malgré ces premières définitions et pratiques établies, le champ d’opération est très large. Différents chercheurs ont utilisé le terme « cryogénie » pour se référer à des températures inférieures à 0 °C, incluant principalement le CO2. Le terme « usinage avec assistance cryogénique » a d’abord été utilisé par Uehara et Kumagi en 1968 [Uehara et al. 68]. Lors des opérations de coupe, les gaz liquides tels que l’azote, le dioxyde de carbone et l’hélium ont été utilisés comme alternatives au traditionnel lubrifiant à base d’huile et d’eau [De Chiffre et al. 07, Machai et al. 11a]. Il devient également notable que cette nouvelle technologie modifie les propriétés de l’outil de coupe et du matériau de la pièce. Ceci influe directement sur la dissipation de chaleur générée dans la zone de coupe [Tsai et al. 98]. Les scientifiques utilisant cette assistance remarquent que la cryogénie transposée dans le domaine de l’usinage a la capacité de générer des surfaces d’ingénierie tout en éliminant les dégâts induits par la chaleur du processus usinage [Yalçın et al. 09, Hong, Markus et al. 01, Hong, Zhao et al. 99].

Depuis le début des années 2000, l’application dans divers domaines de l’ingénierie et le développement des produits à haute valeur ajoutée, constitue un point majeur de la recherche scientifique. L’utilisation abondante des fluides de coupe dans les procédés de fabrication contribue à l’augmentation des prix de revient d’une pièce finie [Pusavec, Krajnik et al. 10, Klocke et al. 13].

L’utilisation moderne des fluides de coupe (émulsion à base d’huile et d’eau) est extrêmement répandue depuis le début du XXè siècle dans l’usinage d’alliages métalliques. Ces différents liquides lubrifient la zone de coupe tout en limitant la dissipation de chaleur et en dégageant le copeau [Cassin et al. 65, El Baradie 96, Hong, Ding et al. 01]. Cela réduit donc les phénomènes d’usure d’origines chimique et thermique tout en améliorant la qualité de la pièce finale. Cependant, plusieurs études récentes montrent une relation certaine entre l’utilisation de fluide pour l’assistance à l’usinage et le développement de certaines maladies [Adler et al. 06, Shokrani Chaharsooghi et al. 14, A. Shokrani et al. 12]. Une étude réalisée par Brinksmeier [Brinksmeier et al. 15] montre l’évolution et le progrès des fluides de coupe dans le travail des métaux. Cette analyse met en évidence les différentes caractéristiques associées à chaque technologie avec leurs impacts environnementaux et sanitaires.

L’apparition des outils revêtus, dans les années 70, fait émerger la technologie de l’usinage à sec. Cependant, d’abondantes publications rapportent que cette technologie ne peut pas être utilisée pour une gamme étendue d’applications. Ce procédé est complété par des études faisant émerger le MQL (Minimum Quantity Lubrication). Cette méthode est de plus en plus présente dans les industries. Cependant la problématique environnementale persiste avec les brouillards d’huile [Weinert et al. 04, Klocke et al. 12].

Utilisation des fluides de coupe en usinage

Comparaison des méthodes de refroidissement et lubrification en usinage

L’objectif de l’état de l’art, est de comparer les différentes méthodes et moyens disponibles en termes de refroidissement et de lubrification en usinage. Le but n’est pas d’effectuer une liste exhaustive des différents moyens existants, mais d’inclure l’assistance cryogénique (azote liquide) comme base de comparaison. Il est nécessaire de résumer l’efficacité et les applications des différents fluides en usinage afin de comprendre la démarche dans laquelle s’inscrit la cryogénie. La base comparative de cette étude est l’azote liquide. L’assistance cryogénique se distingue de tous les autres moyens de refroidissement et de lubrification par plusieurs critères. Le pouvoir refroidissant est excellent (cp = 2kJ/kg.K à 77 K), et la qualité de surface de la pièce produite est meilleure, de l’ordre de 20% par rapport à l’usinage à sec [Dhar et al. 01]. D’un point de vue environnemental, l’assistance à l’usinage par LN2 est une des meilleures solutions. L’impact environnemental sur la santé est minimisé [Pusavec et al. 10].

De nombreux autres critères pourraient être pris en compte pour comparer ces différentes méthodes de refroidissement et lubrification en usinage. Cependant, en raison de la divergence des résultats dans la littérature scientifique, comme par exemple l’évaluation du coefficient convectif de transfert de chaleur [Hriberšek et al. 16, Jin et al. 09], les bases de comparaisons ne sont pas évidentes ni standards.

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Table des matières

Remerciements
Tables des matières
Notations et glossaire
Introduction générale
Contexte de l’étude
Objectifs de l’étude
Plan du mémoire
Chapitre 1 : Etat de l’art : Assistance cryogénique en usinage
1.1 Enjeux de l’assistance cryogénique
1.1.1 Définition et origine du procédé
1.1.2 Champs d’application
1.2 Utilisation des fluides de coupe en usinage
1.2.1 Comparaison des méthodes de refroidissement et lubrification en usinage
1.2.2 Le choix de l’azote liquide pour l’assistance à l’usinage
1.3 L’azote liquide pour l’assistance à l’usinage
1.3.1 Effet Leidenfrost
1.3.2 Aspect thermique associé à la projection de LN2
1.4 Nouvelle technologie et résultats contradictoires
1.4.1 Usinage d’alliage réfractaire : le Ti6Al4V
1.4.2 La cryogénie sur les propriétés des matériaux
1.4.2.1 Matériaux usinant : carbure et acier rapide
1.4.2.2 Matériau usiné : l’alliage de Ti6Al4V
1.4.3 Assistance cryogénique à l’interface outil/copeaux et outil/surface usinée
1.4.3.1 Impact de la température
1.4.3.2 Comportement des outils en usure
1.4.3.3 Comportement tribologique : contraintes résiduelles et intégrité de surface
1.4.3.4 Impact sur les efforts de coupe
1.4.3.5 Impact de l’assistance cryogénique sur la morphologie du copeau
1.4.3.6 Coefficient convectif de transfert thermique
1.5 Conclusion
Chapitre 2 : Etude phénoménologique de la projection d’azote liquide pour l’assistance à l’usinage
2.1 Objectifs de la compréhension phénoménologique
2.1.1 Aspects phénoménologiques déterminants
2.1.1.1 Caractéristiques thermodynamiques du LN2
2.1.1.2 Calcul analytique du coefficient convectif de transfert de chaleur h
2.1.1.3 Régime d’écoulement du fluide
2.1.2 Etude de l’écoulement d’azote liquide en conditions simplifiées
2.1.2.1 Modélisation analytique de l’écoulement de LN2 dans un cas simplifié
2.1.2.2 Modélisation CFD d’azote liquide dans des conduites simples
2.2 Développement d’une méthode inverse en vue d’une caractérisation du coefficient convectif de transfert thermique
2.2.1 Méthodes et moyens
2.2.2 Projection d’azote sur une surface plane
2.2.2.1 Alliage de titane Ti6Al4V
2.2.2.2 Carbure de tungstène (WC-Co)
2.3 Simulation numérique
2.3.1 Choix du type de modélisation CFD/DNS
2.3.2 Implémentation du modèle CFD
2.3.3 Description du modèle
2.3.4 Résultats et interprétations
2.4 Modèle mathématique
2.4.1 Définition du modèle mathématique
2.4.1.1 Objectifs de la construction d’un modèle mathématique
2.4.1.2 Méthode et démarche du modèle mathématique
2.4.2 Résultats et discussions
2.4.2.1 Détermination du coefficient de transfert thermique convectif
2.4.2.2 Transfert industriel
2.5 Conclusion
Chapitre 3 : Approche expérimentale de l’assistance cryogénique en tournage discontinu
3.1 Objectifs et compréhension de l’assistance cryogénique en tournage discontinu
3.1.1 Compréhension de l’assistance cryogénique
3.1.2 Objectif de l’étude
3.2 Mise en place d’essais instrumentés
3.2.1 Conception d’un outil de coupe instrumenté
3.2.2 Séparation des phases
3.3 Etude de l’assistance cryogénique en tournage
3.3.1 Identification des paramètres de coupe optimaux
3.3.1.1 Méthodes et moyens
3.3.1.2 Résultats et discussions
3.4 Etude instrumentée sur éprouvette discontinue
3.4.1 Méthodes et moyens de l’expérimentation
3.4.2 Plan d’expériences
3.4.3 Résultats et discussion
3.5 Conclusion
Conclusion générale

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