Innovative simulation techniques for fostering cryogenic machining

Cryogenic machining is an innovative technique born to limit the environmental impact of the manufacturing sector and to reduce the worker health issues related to exposure to traditional metal-working fluids. It has demonstrated competitiveness with traditional machining in both performance and cost. However, current modelling approaches lack an accurate description of the cryogenic fluid’s role, limiting the understanding of its true impact on machining processes and thus the usefulness of the numerical analysis. The development of a numerical methodology capable of filling this gap could lead to simulation-guided optimisation of the technology, thereby reducing the use of the working fluid, lowering costs, and minimising environmental impact, and ultimately facilitating the diffusion of the technology. For this purpose, in the context of an interdepartmental PhD program between the mechanical and energy departments, this work proposes a complete numerical study of this technology, starting from the simulation of the working-fluid jet and concluding with machining simulation with a direct integration of the cryogenic fluid. In particular, a CFD methodology for cryogenic impinging sprays is developed, based on an innovative flashing breakup model and a Conjugate Heat Transfer model to correctly capture the spray thermo-dynamic interaction on a solid surface, reproducing the non-uniform heat transfer map with high accuracy. This spray methodology was integrated into a novel CFD-based machining simulation framework that combines analytical machining models with conjugate heat transfer (CHT) simulations. The resulting framework provides a comprehensive numerical approach capable of accurately predicting cutting forces, chip morphology, and temperature fields under both dry and cryogenic orthogonal cutting conditions. Furthermore, the framework was extended to drilling through a coupled thermo-mechanical analytical–CFD model, supported by specifically designed experimental validation, which confirmed its predictive accuracy. Overall, this study provides a physics-based, accurate simulation approach for cryogenic machining, supporting the understanding of the key aspects of this process and giving the base for a simulation-guided optimisation.

Le lavorazioni di taglio criogenico sono una tecnica innovativa nata per limitare l'impatto ambientale del settore manifatturiero e, contestualmente, ridurre i rischi alla salute dei lavoratori legati all'esposizione ai liquidi lubrificanti petrol-derivati comunemente utilizzati. Questa tecnologia ha dimostrato di essere competitiva rispetto alle lavorazioni tradizionali, sia in termini di prestazioni che di costi. Tuttavia, gli attuali approcci di modellizzazione non descrivono in modo accurato l'interazione tra il fluido criogenico e la zona di taglio, limitando la comprensione del suo reale impatto sui processi di lavorazione e, quindi, l'utilità delle simulazioni. Questa tesi mira a superare tale limite attraverso lo sviluppo di una metodologia CFD per gli spray criogenici, basata su un modello innovativo di break-up effervescente e su un modello di Conjugate Heat Transfer per descrivere accuratamente l'interazione tra lo spray e la superficie solida di raffreddamento. Entrambi i modelli sono stati validati con dati sperimentali. La metodologia è stata integrata con modelli analitici per il taglio meccanico, al fine di prevedere contemporaneamente le forze, la morfologia dei trucioli e i campi di temperatura in condizioni di taglio ortogonale, sia a secco sia criogenico. Inoltre, viene presentata un'estensione alla foratura, supportata da una validazione sperimentale termomeccanica sviluppata specificatamente. Nel complesso, questo studio fornisce un approccio di simulazione accurato e predittivo per la lavorazione criogenica, supportando la comprensione e l'ottimizzazione del processo.