FR3095153A1 - Procédé d'alimentation en fluide cryogénique d'une machine d'usinage - Google Patents

Procédé d'alimentation en fluide cryogénique d'une machine d'usinage Download PDF

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Abstract

Procédé d’usinage de pièces, mettant en oeuvre dans la zone d’usinage (1) une arrivée d’un fluide cryogénique, se caractérisant en ce que l’on met en œuvre, sur la ligne reliant la source de fluide à l’outil d’usinage (5) dans la zone d’usinage, une vanne apte à autoréguler son taux d’ouverture en fonction de la pression demandée en son aval, permettant de délivrer une pression fixe et réglable, et donc un débit fixe réglable, à l’outil d’usinage, quel que soit l’outil mis en œuvre, et donc le nombre d’orifices et le diamètre des orifices d’éjection de fluide caractérisant l’outil considéré. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé d'alimentation en fluide cryogénique d'une machine d'usinage
La présente invention concerne le domaine de l’usinage de pièces mécaniques.
L’usinage est un procédé de mise en forme de pièces par enlèvement de matière. L’énergie mécanique nécessaire à l’usinage, et donc la formation de copeaux, est quasiment intégralement transformée en chaleur. Malgré les bonnes conductivités thermiques de certains matériaux usinés et usinant, l’emploi d’un fluide de coupe demeure obligatoire pour garantir:
  • Le refroidissement et la lubrification de la zone de coupe ;
  • Mais aussi l’évacuation des copeaux en dehors de l’espace de travail.
Ces fluides de coupe sont majoritairement des huiles entières ou solubles à base minérale ou synthétique. Les températures rencontrées au coeur de la zone de coupe (couramment +800 °C à +1 000 °C) conduisent, d’une part, à la production de fumées ou gaz nocifs pour l’environnement extérieur, et d’autre part, à une pollution chimique des copeaux et surfaces usinées allant jusqu’à l’altération de leurs propriétés.
Les huiles sont un poste important de dépenses à travers leurs coûts d’achat et de recyclage mais aussi leur gestion. Dans ce cadre, les méthodes de lubrification dites de «micro-lubrification» ou «à sec» réduisent, voire suppriment, la consommation des fluides de coupe. Les performances d’usinage s’en trouvent dégradées, c’est pourquoi ces méthodes ne sont appliquées que dans les cas d’usinage qui ne requièrent qu’un faible refroidissement de la zone de coupe (tels que usinage de matériaux à base aluminium, usinage grande vitesse, etc...).
Dans les autres cas d’usinage, ceux qui requièrent un fort refroidissement de la zone de coupe, l’usinage par apport de fluide cryogénique, qu’on appellera dans ce qui suit «usinage cryogénique», se présentent comme une solution de refroidissement et de lubrification de la zone de coupe très attractive, alliant les avantages des huiles (évacuation des copeaux, fluide caloporteur, etc.) et ceux de l’usinage à sec (respect de l’environnement, non pollution des surfaces générées, recyclage des copeaux, augmentation de la durée de vie des outils etc.).
Ce fluide cryogénique peut être de l’azote et du CO2.
On rappelera que 3 grands procédés d’usinage sont répertoriés : tournage, fraisage et perçage.
La présente invention s’attache à proposer un système pour amener le cryogène, par exemple l’azote liquide, dans les meilleures conditions possibles dans la zone d’usinage, et permettant de prendre en compte les impératifs en terme de procédé d’usinage, qu’il s’agisse de tournage, fraisage, ou encore perçage.
Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, le système permet de communiquer avec l’armoire de commande (pilotage) associée à la machine outil, le tout en sécurité.
Considérons dans ce qui suit une installation existante d’usinage, comportant une machine d’usinage, munie de son armoire de commande existante (traditionnelle), l’invention propose l’intervention des deux éléments suivants , positionnés en amont de la machine d’usinage :
  • un dispositif de contrôle/commande ; et
  • un équipement de mise en œuvre du cryogène, que l’on peut appeler « boite froide » (les anglo-saxons nomment cela « skid ») ;
    le dispositif de contrôle/commande de l’invention communiquant avec l’armoire de commande existante de la machine d’usinage pour:
  • pour obtenir un « GO » de démarrage de la part de la machine d’usinage et un « STOP » en fin d’usinage.
  • pour recevoir un numéro ou un nom de recette de la part de la machine d’usinage en fonction de la pièce qui va être traitée et du traitement qui va lui être appliqué.
  • pour recevoir une demande de fluide, par exemple en azote gazeux ou en azote liquide i.e le centre d'usinage fait un appel de fluide et attend que le dispositif de contrôle/commande valide que l'on soit dans les conditions opératoires requises.
  • pour donner, de la part du dispositif de contrôle/commande, un « GO » à la machine d’usinage quand l’alimentation en fluide est disponible et considérée comme effectuée dans les conditions requises en aval (que l’on définira plus loin, i.e selon recette etc…).
On cherche notamment dans le cadre de la présente invention à permettre d’avoir du cryogène (par exemple de l’azote) sous forme liquide à l’entrée du poste d’usinage dès le démarrage du cycle tel qu’annoncé par l’armoire de commande, et de conserver les caractéristiques de ce cryogène liquide tout au long de l’opération d’usinage de la pièce considérée. Les critères à suivre sont principalement la température, la pression et le taux de diphasique du fluide parvenant au poste d’usinage.
Selon des modes avantageux de mise en œuvre de l’invention on cherchera par ailleurs :
  • A assurer un débit constant de fluide pendant l’usinage, débit adapté pour chaque outil et phase de coupe quels que soient les outils de coupe mis en œuvre. On peut pointer à cet égard plusieurs phénomènes :
  • Trop de débit peut entrainer une fragilisation de l'outil de coupe et une casse prématurée et
  • Chaque outil de coupe n'engendre pas autant de dissipation d'énergie
  • Entre chaque fabrication, chaque recette, qui entraine un changement d’outil de coupe (désaccouplement puis réaccouplement de l’outil en bout de broche), on souhaite que le système purge (purge gazeuse) l’ensemble de l’alimentation en fluide, par exemple en azote, par exemple de la boîte froide à l’extrémité de la broche dans un premier temps puis de la boîte froide à l’outil de coupe.
Il apparait en effet important :
  • de purger le liquide pour des raisons de sécurité
  • de réchauffer le porte outil pour favoriser un meilleur désaccouplement
  • de supprimer toute humidité dans le nouvel outil de coupe et d’enlever d’éventuels résidus (copeaux par exemple), cette humidité et ces résidus pourraient entraîner un bouchon lors de l’arrivée directe d’azote liquide et donc le débit constant d’azote liquide nécessaire au procédé ne serait plus assuré.
Avec une injection simple en utilisation d’une vanne simple de type Tout Ou Rien (TOR) en tant que vanne de régulation on observerait un débit d’azote liquide proportionnel à la somme des surfaces des trous sur l’outil de coupe (ou alors se limitant au diamètre de la cannelure dans la broche de l’outil). Plus il y aura de trous dans l’outil plus le débit d’azote liquide sera important.
On propose donc selon la présente invention l’utilisation d’une vanne de régulation cryogénique qui autorégule son taux d’ouverture en fonction de la pression en aval demandée. Cela permet d’avoir une pression fixe et ajustable en amont des orifices d’injection d’azote liquide dans l’outil de coupe et donc un débit fixe mais réglable.
Pour chaque recette d’usinage on peut imposer une régulation de pression et donc de débit. Cela nous permet d’obtenir le débit optimal d’azote liquide tout en conservant les diamètre et trou de passage de l’azote liquide. Le nombre et la position de ces trous est parfois non maîtrisable et peuvent répondre à d’autres impératifs.
L’invention concerne alors un procédé d’usinage de pièces, mettant en oeuvre dans la zone d’usinage une arrivée d’un fluide cryogénique, se caractérisant en ce que l’on met en œuvre, sur la ligne reliant la source de fluide à l’outil d’usinage dans la zone d’usinage, une vanne apte à autoréguler son taux d’ouverture en fonction de la pression demandée en son aval, permettant de délivrer une pression fixe et réglable, et donc un débit fixe et réglable, à l’outil d’usinage, quel que soit l’outil mis en œuvre, et donc le nombre d’orifices et le diamètre des orifices d’éjection de fluide caractérisant l’outil considéré.
On parlera dans ce qui suit de fluide, de gaz, d’azote, ayant toujours à l’esprit que le fluide utilisé peut être de l’azote liquide ou un autre fluide cryogénique, que le gaz de purge peut être de l’azote gazeux ou du CO2 gazeux ou un autre gaz etc…
L’invention pourra par ailleurs avantageusement adopter l’un ou plusieurs des modes de réalisation suivants :
  • Une mise en froid permet de s’assurer que l’azote est toujours à une température proche du point d’équilibre de l’azote liquide ce qui assure d’être en phase liquide et non en phase gaz (et en tout cas de minimiser le taux de diphasique). La mise en froid est réalisée jusqu’à la sortie de la boite froide (11 sur la figure annexée), en amont du flexible 13 sur la figure annexée.
  • Purge : Pendant tout le cycle d’usinage la température de l’azote est contrôlée (par exemple juste avant l’entrée dans le centre de l’usinage) : si cette température s’élève au dessus d’une consigne (proche du point d’équilibre), on ouvre la vanne de purge pour faire un appel d’azote et purger la partie gaz qui n’a pas été suffisamment purgée, par exemple dans un pot dégazeur. Pendant cette phase de remise en froid un contact d’arrêt au centre d’usinage est donné.
  • En parallèle du critère de température une possibilité est donnée pour réguler la pression de cryogène, par exemple d’azote liquide, délivrée selon une consigne de la recette d’usinage suivie via un pourcentage d’ouverture auto régulé sur consigne de la vanne.
Le contrôle de ces 2 paramètres température et pression permet de garantir la stabilité de fourniture de l’azote en température, pression et taux de diphasique.
  • Désaccouplement outil : La purge par de l’azote gazeux des orifices et cannelures de passage de l’azote liquide à chaque changement d’outil et au démarrage de l’installation permet de nettoyer et de supprimer l’humidité.
Cette purge peut être une temporisation d’injection d’azote gazeux à chaque changement de recette d’usinage. Une « recette » est possible selon le type d’outil pour régler ce temps de purge.
  • L’azote permet de chauffer le porte outil pour aider au désaccouplement. Pour cette fonction on pourrait d’ailleurs préchauffer l’azote gazeux pour aider à ce réchauffement.
  • Selon un des modes de mise en œuvre de l’invention, on procède à une mesure de température du fluide délivré, par exemple juste avant l’entrée dans la zone d’usinage, et à une adaptation du débit mis en œuvre en fonction de cette mesure de température du fluide. On constate notamment que lorsque le stockage de fluide en amont a été récemment rempli, le fluide est en état sous-refroidi, donc plus froid qu’en temps normal, il est alors avantageux d’ajuster la pression fournie par la dite vanne de régulation, pour diminuer le débit fourni tout en maintenant la même énergie disponible. On entend par « récemment » rempli un remplissage intervenu tout au plus quelques heures avant, voire une journée avant.
annexée fournit une vue schématique partielle d’une installation convenant pour la mise en œuvre de l’invention.
Nomenclature figure 1 :
1 : le centre d’usinage
2 : l’armoire de commande du centre d’usinage
3 : broche
4 : tourelle ou porte-outil
5 : outil
6 : pièce à usiner
7 : capteurs de sécurité
10 : installation convenant pour la mise en œuvre de l’invention
11 : équipement de mise en œuvre/boite froide (comportant la vanne de régulation)
12 : dispositif de contrôle/commande de l’invention
13 : flexible
14 : capteurs de sécurité

Claims (5)

  1. Procédé d’usinage de pièces (6), mettant en oeuvre dans la zone d’usinage (1) une arrivée d’un fluide cryogénique, se caractérisant en ce que l’on met en œuvre, sur la ligne reliant une source de fluide à l’outil d’usinage (5) dans la zone d’usinage, une vanne apte à autoréguler son taux d’ouverture en fonction de la pression demandée en son aval, vanne située au sein d’une boite froide (11) de mise en œuvre du fluide cryogénique, vanne permettant de délivrer une pression fixe et réglable, et donc un débit fixe réglable, à l’outil d’usinage, quel que soit l’outil mis en œuvre, et donc le nombre d’orifices et le diamètre des orifices d’éjection de fluide caractérisant l’outil considéré.
  2. Procédé selon la revendication 1, se caractérisant en ce que au démarrage de l’installation d’usinage, et entre deux opérations d’usinage entrainant un changement d’outil d’usinage, et donc un désaccouplement puis ré-accouplement d’outils en bout de broche (3), on procède à une purge gazeuse de la ligne, par exemple à l’aide d’azote gazeux, entre la boite froide et l’outil d’usinage, par exemple de la boîte froide à l’extrémité de la broche dans un premier temps puis de la boîte froide à l’outil d’usinage, le gaz fourni permettant de chauffer le porte-outil et ainsi aider au désaccouplement.
  3. Procédé selon la revendication 2, se caractérisant en ce que le gaz utilisé pour la purge est préchauffé.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, se caractérisant en ce que l’on procède à une mesure de température du fluide délivré, par exemple juste avant son entrée dans la zone d’usinage, et à une adaptation du débit mis en œuvre en fonction de cette mesure de température du fluide.
  5. Procédé selon la revendication 4, se caractérisant en ce que lorsque la source de fluide en amont a été récemment remplie, le fluide étant alors en état sous-refroidi, donc plus froid qu’en temps normal, on procède alors à un ajustement de la pression fournie par la dite vanne, pour diminuer le débit fourni, tout en maintenant la même énergie disponible.
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