Impact des fluides cryogéniques sur l'usinabilité et l’intégrité de surface des pièces

Abstract

Titanium alloys possess excellent mechanical properties, but their machinability remains poor. To enhance the machinability of these alloys, conventional flood cooling has been proposed as a cooling technique. However, cutting fluids negatively impact both the environment and operators. To reduce the use of these substances, cryogenic machining has emerged as an alternative.This thesis aims to assess the impact of cryogenic machining on tool life, wear mechanisms and surface integrity during the milling of the Ti-6Al-4V alloy. Various lubrication techniques were tested (emulsion, LCO2, ScCO2, LCO2+MQL and HP). The results show that cryogenic machining with LCO2 and ScCO2 enhances tool life by 191 % and 385 %, respectively, compared to emulsion. This performance can be attributed to the cooling effect of cryogenic fluids, which limits adhesion wear and chipping. Regarding surface integrity, cryogenic machining with LCO2 and ScCO2 reduces average roughness by 35 % and 41 %, respectively, compared to emulsion. Residual stresses are similar for all lubrication conditions, except for ScCO2, which improves residual stress by 40 %. The performance of cryogenic machining was evaluated to assess its effectiveness at increased cutting parameters (Vc and/or ap). The results indicate that cooling with LCO2 or ScCO2 can extend tool life by 36 % to 73 % compared to emulsion when machining at high cutting parameters.For a fixed cutting time, cryogenic cooling enhances productivity by 19 % with LCO2 and 22 % with ScCO2 by raising the cutting speed from 150 m/min with emulsion to 179 m/min with LCO2 and 182 m/min with ScCO2.Les alliages de titane possèdent d’excellentes propriétés mécaniques, mais leur usinabilité est faible. Parmi les solutions proposées pour palier ce problème, on trouve le refroidissement de la zone de coupe avec des huiles de coupe. Cependant, ces substances ont un impact néfaste sur l’environnement et la santé des opérateurs. Afin de limiter leur usage, l’assistance cryogénique apparaît comme une alternative.Cette thèse s’intéresse principalement à l’effet de l'assistance cryogénique sur la durée de vie de des outils, sur les mécanismes d'usure et sur l’intégrité de surface pendant le fraisage de l’alliage Ti-6Al-4V. Plusieurs techniques de lubrification ont été testées (émulsion, LCO2, ScCO2, etc ) pour un point de fonctionnement. Les résultats montrent que l’utilisation de LCO2 et ScCO2 prolonge la durée de vie de l’outil de 191 % et 385 % respectivement par rapport à l’émulsion. Cette amélioration est probablement attribuée à la capacité de refroidissement des fluides cryogéniques, qui ralentirait certains mécanismes de dégradation et d’usure, tels que l’adhésion et l’écaillage.Concernant l’intégrité de surface, l’utilisation de LCO2 et ScCO2 permet de réduire la rugosité moyenne de 35 % et 41 %, respectivement, par rapport à l’émulsion. Les contraintes résiduelles sont similaires pour toutes les conditions de lubrification, à l’exception du ScCO2, qui améliore ces contraintes de 40 % au niveau de la surface. Étant donné les performances exceptionnelles de l’assistance cryogénique, une étude de sensibilité a été menée pour évaluer son efficacité face à une augmentation des paramètres de coupe (Vc et/ou ap). Même dans des conditions d’usinage plus sévères, le refroidissement par LCO2 ou ScCO2 prolonge la durée de vie de l’outil de 36 % à 73 % par rapport à l’émulsion.Pour une durée de vie fixée, l'assistance cryogénique permet d'augmenter la productivité de 19 % avec LCO2 et de 22 % avec ScCO2, en faisant passer la vitesse de coupe de 150 m/min avec émulsion à 179 m/min pour LCO2 et à 182 m/min pour ScCO2