Les matériaux difficiles à usiner (le titane, les fontes, les alliages à base de nickel, l’acier trempé, les composites en métal dur, etc.) et l’avènement de procédés industriels durables (réduction de l’usage de fluides de coupe à bas d’huile ou d’eau, diminution des rejets, etc.) ouvrent la voie à une technique de fabrication inusitée. Selon le Dr Helmi Attia, Chef de groupe, Usinage Aérospatiale au Conseil National de Recherche du Canada (CNRC) ; « l’usinage cryogénique consiste à libérer de l’azote liquide (-196 °C) à très faible débit sur la zone de coupe. On laisse l’azote s’évaporer, ce qui refroidit l’arête de coupe et permet à l’outil de fonctionner au-delà de ses capacités usuelles. »
Ainsi en usinage conventionnel à sec, on doit réduire la chaleur produite par le frottement de l’outil sur la pièce à usiner. Or, les fluides de refroidissement par noyage possèdent une température d’environ 20 °C. « En revanche, précise M. Attia, l’usinage cryogénique autorise une chute de température de quelque 200 °C, de sorte que l’outil devient un puits thermique qui absorbe la chaleur produite au bord de coupe. » Ainsi, on réduit l’usure de l’outil et on enregistre une augmentation importante de la vitesse de coupe.
Initiée dans les années 1950, cette nouvelle alternative de refroidissement n’a connu de développement qu’au cours des dernières années. C’est en 2012 en effet que Mag Americas, acquise récemment par la multinationale Fives Group, a mis au point la première machine-outil dotée d’un système cryogénique ainsi que les outils adaptés au procédé.
Que ce soit pour un centre cinq axes verticaux et horizontaux ou encore le tour ou le robot d’usinage, le principe est le même. « Une bouteille d’azote liquide livre son gaz à -196 °C et 3 bars à travers des circuits sous vide créés dans la broche, l’outil et chaque plaquette de la fraise », explique Armin Wunderlich, expert en cryogénie du constructeur. Le liquide se déverse au point de contact de l’outil et de la pièce, à l’endroit même où ça chauffe.
« Le refroidissement par azote, écrit Edouard Huguelet dans MSN, le mensuel de l’industrie (Portail de l’industrie suisse), autorise des paramètres de coupe plus élevés et garantit des tenues d’outils améliorées, en particulier pour les alliages de titane et de nickel ou les aciers duplex qui sont des matériaux pour lesquels les contraintes de températures élevées sur les arêtes de coupe provoquent une usure d’outil très importante. »
« Nous collaborons avec les fabricants d’outils et les utilisateurs finaux, en vue de mettre au point une solution de cryogénie externe économique et fiable qui s’adaptera à tous les systèmes d’usinage ou de tour sans qu’on ait à modifier l’arbre de rotation. » – Dr Helmi Attia, Chef de groupe, Usinage Aérospatiale au Conseil National de Recherche du Canada (CNRC)
En plus d’éviter la fonte de la résine, le procédé ne nécessite pas de moyens de récupération du brouillard d’huile, ni de filtration ou encore de système de traitement des copeaux. De plus, on ne contamine pas les pièces traitées. On augmente ainsi la productivité tout en réduisant les coûts notamment par l’économie de pompes, de ventilateurs ou autres systèmes d’entraînement, ce qui en ferait un procédé écologique.
On constate que le jet d’azote liquide n’entraîne ni fracture ni désintégration de l’outil à l’opposé des fluides de refroidissement conventionnels. « On le doit principalement au durcissement de l’outil complet par la cryogénie, ajoute M. Attia, et à une diminution des contraintes attribuables à l’expansion thermique dans le matériau de l’outil. »
Comment expliquer que peu d’entreprises s’intéressent à cette technologie unique ? « L’industrie n’a pas emboîté le pas, poursuit M. Attia, parce qu’il faut acheter les machines de MAG, y compris leurs outils de coupe. Pour contourner le problème, le fabricant propose de moderniser les machines-outils d’autres marques à un coût correspondant à près de 30 % du coût initial de l’équipement, un obstacle majeur pour l’industrie, particulièrement les PME. »
Cette proposition rebute toujours l’industrie. Toutefois, le CNRC travaille sur un système accessible aux entreprises manufacturières du secteur. « Nous collaborons avec les fabricants d’outils et les utilisateurs finaux, ajoute l’ingénieur, en vue de mettre au point une solution de cryogénie externe économique et fiable qui s’adaptera à tous les systèmes d’usinage ou de tour sans qu’on ait à modifier la broche de la machine. »
« L’usinage sous lubrification par un liquide cryogénique, conclut M. Attia, présente un très fort potentiel au plan de la production mondiale. » Le succès des recherches récentes (notamment pour le meulage cryogénique des métaux, l’usinage cryogénique des composites ou encore aux ultrasons) démontrent le fort potentiel de cette méthode.
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