Selon le premier principe de la thermodynamique, la chaleur reçu par un corps (dQ) est la somme de l'accroissement de son énergie interne (dU) et du travail (dA) qu'il fournit à l'extérieur. Ces grandeurs sont reliées par l'équation suivante: dQ = dU + dA (1) En tenant compte du deuxième principe de la thermodynamique (dU = O) on obtient que dQ = dA. Si l'on veut que la machine fournisse du travail il faut que dA soit positif, donc la machine doit recevoir de la chaleur. Ce principe peut être appliqué au processus de l'usinage, où l'énergie mécanique est transformée en énergie thérmique et en travail.

En appliquant les deux principes on peut définir le rendement maximal d'une machine thermique: R = dA/dQc (2) où dA est i'énergie utile (ie travail fourni par la machine) et dQc l'énergie consommée. En effet, la chaleur reçue par la machine à la source chaude se partage en deux parties: I'une est transformée en travail, L'autre est transmise à la source froide.

Le rendement maximal peut aussi être exprimé en fonction de la température par la relation suivante: Rmax = 1 - Tf/Tc (3) Tf est ia température de la source froide et Tc celle de la source chaude. En résumé, plus l'écart de températures est élevé, plus le rendement augmente et s'approche de 100%.

L'industrie de la boîte de montres est soumise à des conditions particulières d'usinage. D'une part, les aciers inoxydables utilisés sont stables à la corrosion jusqu'à une température maximale de 300"C environ, au-delà de laquelle une corrosion de surface due à l'échauffement se manifeste sous forme de bleuissement. En plus à cette température les propriétés mécaniques commencent à diminuer et la ductilité augmente, donc il y a une influence directe sur le mode de fractionnement de copeaux, et ensuite évacuation et détérioration de la surface usinée. Dans les conditions de travail, la température de la source froide (la pièce à usiner) est généralement celle de l'air ambiant, c'est-à-dire environ 20"C dans le cas idéal, car on observe une tendance générale à une augmentation de température des ateliers suite à l'introduction de machines de plus en plus puissantes et nombreuses. La source froide, c'est-à-dire la pièce en cours d'usinage, peut réchauffer par conséquent de 280"C au mieux, ce qui limite sérieusement les performances comme exprimé plus haut.

Dans d'autres industries, pour lesquelles la corrosion de surface est secondaire, il est fréquent d'usiner jusqu'à des températures beaucoup plus hautes, par exemple 500"C au niveau de la pièce et beaucoup plus dans l'outil. Dans ce cas, I'augmentation de température reçue par les pièces froides à 20"C (source froide) atteint donc 480"C. Le dT effectif reçu par la source froide (pièce) est donc de 280"C (300"C moins 20"C) dans la boîte de montres, pour environ 480"C dans les autres industries. II en résulte une perte d'échauffement potentiel de 480"C moins 280"C = 200"C au niveau de la pièce. Ramené aux performances des autres industries, cette différence donne un rapport de 200/480"C, soit une perte d'échauffement potentiel de 40% (les performances dans la boîte de montres ne sont que le 60% des performances des autres industries).

Cette situation est agravée par le fait que les boîtes de montres nécessitent des micro-usinages, tels que micro-fraisages et perçages et que dans tous les cas, le refroidissement à l'huile fonctionne mal, cette dernière parvenant avec peine sur les surfaces de coupe des outils. Le cas confine parfois à l'absurde, certaines machines ayant une réserve de 200 litres d'huile en cours de refroidissement, alors que seuls quelques microns de cette dernière se trouvent effectivement à l'endroit usiné, entre les outils de coupes et les pièces en cours de travail. On assiste donc à une inflation des moyens de refroidissement prouvant bien leur inefficacité. Certains fabricants ont essayé d'améliorer cette situation en utilisant des fluides de coupe aqueux censés faciliter l'accès du liquide de coupe sur les surfaces usinées. Dans cette branche, il n'est pas possible de perforer les outils pour amener l'huile par l'intérieur, compte tenu de leurs dimensions extrêmement réduites. La perte de performances supplémentaires imputable à ces facteurs avoisine 10%, par expérience, si bien que les performances totales dans la boîte de montres ne sont plus que 50% de celies des autres industries.

D'autre part, L'usinage de l'acier inoxydable austénitique est pénalisé par un ensemble de propriétés physiques et mécaniques spécifiques, par exemple, des problèmes liés à la mauvaise conductivité thermique: la matière évacue mal la chaleur, qui reste confinée au niveau de l'outil. Ce phénomène atteint son plafond lorsque l'outil et la pièce sont victimes d'un micro-soudage par frottement et donc surchauffent: à ce stade, il se forme une arête rapportée entre l'outil et la pièce due à la ductilité de la matière dans cette zone. Cela provoque une augmentation exponentielle de la température et donc la destruction de l'outil.

Finalement, dans le micro-usinage, I'échauffement dilate la pièce d'un micron par "C d'échauffement environ selon la formule: dD = Do alpha dT, D étant le diamètre et alpha le coefficient de dilatation de la matière.

L'invention consiste, dans ces conditions extrêmement défavorables, à agir sur la source froide, c'est-à-dire la pièce, en abaissant considérablement sa température, afin d'augmenter le rendement, mais aussi les états de surface, la durée de vie des outils et la précision. L'invention est en rupture totale avec les méthodes actuelles, qui tentent avec peine d'agir sur les outils de coupe et le fiuide de coupe.

Par rapport à ces méthodes, I'augmentation de rendement est de 100% dans l'usinage, c'est-à-dire un doublement des performances, auquel s'ajoute un doublement de la durée de vie des outils et donc de la précision liée à la diminution de l'usure de ces derniers et de 30 à 50% au découpage et au polissage.

Contrairement aux idées reçues, la congélation ne provoque pas une diminution de précision conséquente à la dilatation thermique. En effet, la diminution de la température d'usinage largement supérieure à 20"C, n'éloigne pas celle-ci des conditions ambiantes, mais l'en rapproche au contraire. On assiste donc, non pas à une imprécision supérieure due au refroidissement préalable: c'est le contraire qui est vrai.

Dans le cas particulier de l'acier austénitique, ce procédé n'influence pas les propriétés mécaniques aux basses températures, vu qu'il est stable (tenace à froid).

Cela est dû à la bonne compacité du résau cristallin (CFC), donc le processus de diffusion nécessaire à la précipitation est ralenti. En ce qui concerne l'or, on observe une nette amélioration de sa tendance au collage dû à sa grande ductilité. Le phénomène est le même pour l'aluminium, le laiton, le platine, etc..

Concrètement, le procédé consiste à congeler les pièces à usiner à la température la plus basse possible, par exemple moins 80"C, en fonction des performances des congélateurs utilisés à cet effet. On gagne ainsi 100"C d'échauffement potentiel (de moins 80 "C à plus 20"C) avant l'apparition des phénomènes parasites décrits plus haut. Dans d'autres cas, une congélation à moins 20"C peut s'avérer suffisante.

Le procédé a permis l'amélioration des opérations suivantes, sujettes à l'échauffement: 1) Découpage des tôles et rabotage des découpages. Il est usuel de découper des tôles d'acier ou de titane jusqu'à une épaisseur de 12 mm environ. Au cours de cette opération, I'outil de découpage surchauffe considérablement à cause des mauvaises aptitudes au cisaillement des matériaux considérés. II en résulte une dégradation rapide du découpoir et un arrachement de matière.

Les deux phénomènes disparaissent en congelant les tôles ou les barres à moins 20 "C environ. Le travail de rupture à l'effet d'entaille est facilité par la diminution de la limite d'élasticité, I'allongement et la résilience augmentent.

2) Tournage et fraisage. A moins 20"C, on observe une diminution des temps de travail de 30%. A moins 80"C, elle atteint 50%. Cette diminution tient compte des temps de charge de machines, qui sont incompressibles. Autrement, elle serait même supérieure. Une diminution des temps de 50% comme ci-dessus correspond à une augmentation phénoménale du rendement de 100%, puisque la quantité produite est doublée.

Elle correspond par ailleurs aux prescriptions des fournisseurs d'outils pour le micro-usinage, qui préconisent une diminution des vitesses de 50% par rapport aux standards pour l'usinage normal. On a ainsi une preuve de l'efficacité totale de ce type de refroidissement, contrairement aux méthodes traditionnelles, qui se contentent de stabiliser la température de l'huile de coupe à 20"C environ, sans chercher à la refroidir plus et sans chercher à refroidir la matière proprement dite.

3)Décoiietage. II constitue un cas particulier, dans la mesure où une congélation des barres d'aciers ou titane, etc. est physiquement impossible, compte tenu de leur longueur. La solution consiste à conditionner l'air sous les capots des machines à une température avoisinant 0°C, au lieu de 50"C environ normalement.

L'augmentation des performances est ainsi de 30% environ. Ici aussi, les méthodes traditionnelles consistaient à contrôler la température de l'huile, alors qu'elle n'intervient pratiquement pas dans le processus de refroidissement, car elle ne constitue qu'un film au niveau de l'outil, dont l'inertie thermique est quasiment nulle.

Le refroidissement de la matière est beaucoup plus efficace. Usuellement, on se contente de climatiser les locaux à 20"C, principalement dans le but de stabiliser les dimensions usinées, et sans chercher à améliorer le rendement par une diminution conséquente de cette température. Une autre méthode essayée consiste à refroidir les barres par jets de gaz liquides, méthode qui s'est avérée inefficace et trop chère, car le gaz utilisé est onéreux et a de toutes façons une inertie thermique insuffisante par rapport à la matière usinée et à la vitesse de cet usinage.

4) Perçage et taraudage. La méthode est particulièrement efficace pour ces opérations à cause des petits diamètres d'outils utilisés et la difficulté d'évacuation de la chaleur qui en résulte.

5) Polissage. On observe un échauffement des pièces considérable avec comme conséquences un abaissement de la dureté, une oxydation superficielle et un raientissement des opérations pour éviter ces phénomènes. Plus simplement, il arrive souvent que l'ouvrier interrompe l'opération pour permettre à la pièce de se refroidir. II n'est pas rare que les doigts soient brûlés de manière répétée avec formation d'un cal insensible. Par contre, le froid ne brûle pas sensiblement les doigts, car il se forme une condensation superficielle qui évite un éventuel collage de la peau. Tous ces phénomènes sont évités par une congélation préalable des boîtiers de montres à moins 20"C. De plus, on assistait à la formation de "piqûres" dans les surfaces polies, imperfections sous forme de petits points visibles à l'oeil nu, qui étaient aussi la conséquence de l'échauffement et de la formation d'oxydes, notamment dans le titane et l'acier. Le refroidissement permet de combattre efficacement l'apparition de telles piqûres.