Brevet FR2344372A1 — publié le 19771014

L'invention concerne un dispositif d'alimentation en énergie destiné à des opérations d'usinage électrochimique effectuées à l'aide d'un ajutage en matière isolante qui dirige un jet d'électrolyte à charge cathodique sur une pièce pour y percer des trous de diamètre déterminé. Il existe un certain nombre de procédés d'usinage électrochimique mettant en oeuvre un outil se-présentant sous la forme d7un ajutage à polarisation cathodique, qui coopère avec une pièce à p-olarisation anodique par l'intermédiaire d'un étèctrolyte entrant en contact avec l'outil et la pièce-. Le eou- rant électrique passant dans l'électrolyte élimine tins partie de la matière de la pièce ou la matière déposée sur cette pièce. Ces procédés ont été largement mis en oeuvre pour le perçage de pièces métalliques à de faibles diamètres qu'il est difficile d'obtenir mécaniquement. L'un des procédés diusinage électrochimique les plus récents est le procédé par projection, quelquefois appelé perçage "Electrostream" (marque déposée par la firme Genéral Electric Corp.). Ce procédé a été mis en oeuvre pour ia réalisation de trous extrêmement petits dans des métaux durs tels que des superalliages à base de nickel. Ce procédé permet de percer un un diamètre de l'ordre de O, 125 à 0,50 ma Le procédé par pro- jection utilise normalement un ajutage constitué d'un tube de verre, en arrière de l'extrémité duquel une électrode est disposée. Il met en oeuvre une résistance relativement grande et une haute tension continue, généralement de 300 à 600 volts. Un sei ou un électrolyte acide est utilisé. Les pressions de l'électrolyte sont généralement de l'ordre' de 1,4 à 7 bars. Cependant, il s'est avéré difficile, lors d'opéra tionsclassiquesd'électro-usinage par projection d'obtenir des trous présentant un diamètre uniforme sur toute leur longueur. L'expérience a montré que les trous produits présentent génera- liement une certaine conicité dans la zone proche de l'ajutage, et que le diamètre souhaité n'est obtenu que dans la zone la plats éloignée de 11 électrode. Ce défaut est particuIièrenent gtnant dans le cas où il est nécessaire de réaliser plusieurs trous faiblement espacés, car les parties coniques de-s trous voisins peuvent se rejoindre et provoquer un appauvrissement indésirable du métal à la surface de la pièce, entre les trous. Le procédé par projection tel qu'il est actuellement mis en oeuvre présente également l'inconvénient de provoquer une usure excessive de l'extrémité de l'ajutage isolant, ce qui nécessite le remplacement de ce dernier à intervalles relativement courts. Bien que la cause de cette usure- ne soit pas déterminée avec précision, il est probable que le maintien d'une certaine tension provoque un dégagement de vapeur surchauffée qui attaque l'électrode de verre et provoque son érosion par dissolution de la composition dé cé verre. L'invention concerne un procédé de perçage électrochimique destiné à la réalisation de trous d'un diamètre relativement uniforme, et permettant de réduire l'usure de l'extrémité de 11 électrode. L'invention concerne-donc un procédé perfectionné de perçage électrochimique dans lequel l'électrolyte est chargé sous tine tension négative constituée d'une composante négative à peu près continue à laquelle sont superposées des impulsions également négatives. L'ondulation de l'énergie d'alimentation constitue environ de 75 à 600 % de la composante continue,c'està-dire que l'oscillation maximale des impulsions négatives de tension est comprise entre environ 75 et 600 % de la valeur de la composante continue, mais qu'elle est cependant insuffisante pour provoquer la formation d'un arc entre l'électrode et la pièce. Les résultats les meilleurs sont obtenus lorsque la fréquence des impulsions est comprise entre 50 et 750 hertz. La forme d'onde de ces impulsions est généralement en dents de scie, bien que d'autres formes d'ondes puissent convenir.Les impulsions constituent la seule source de courant de perçage électrochimique. Cette oscillation périodique de la tension négative permet apparemment à ltélectrolyte liquide de rester relativement froid, de manière à réduire la production de vapeur surchauffée pendant le perçage. Les résultats particulièrement bons sont obtenus en faisant varier les tensions et les courants lorsque le perçage progresse. A cet égard, il est particulièrement important d'augmenter la tension à l'instant où l'électrolyte atteint la face arrière de la pièce à percer. Un réglage convenable de la tension et du courant, notamment à cet instant, permet, lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, de réduire ou d'évi- ter la formation de la partie conique et, par conséquent, d'obtenir des trous de diamètre uniforme sur toute leur longueur. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la-figure 1 est une coupe axiale partielle et sché mastique de l'ensemble à ajutage et électrode selon l'invention la figure 2 est un schéma montrant 1' ajutage et la pièce au début du perçage la figure 3 est un schéma, analogue à celui de la figure 2, représentant l'ajutage et la pièce immédiatement avant l'achèvement du perçage la figure 4 est une vue analogue à celle des figures 2 et 3 et représente l'ajutage et la pièce après que la tension a été élevée brusquement, consécutivement à l'ouverture du trou, de manière à achever le perçage la figure 5 est une coupe transversale partielle diune pièce présentant un trou réalisé par un procédé antérieur de perçage électrochimique par projection ; et la figure 6 est un graphique montrant une forme d'onde pouvant Aetre donnée à la tension mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention. Lá figure 1 représente un ensemble 10 à électrode du type utilisé par le procédé selon l'invention et comprenant un tube il en matière isolante, par exemple en verre, qui comporte un goulot 12 terminé par un ajutage relativement mince 13. le diamètre intérieur de cet ajutage est généralement de liordre de 0,12 à 0,25 mm. Une électrode métallique 14, connectée à une source d'alimentation à tension négative ondulée, du type décrit ci-après, est disposée en arrière de 1'ajutage 13, avantageusement dans un distributeur (non représenté) qui alimente plusieurs tubes 11. La figure 6 représente une forme d'onde avantageuse du potentiel négatif appliqué à l'électrode 14. Ce potentiel se présente généralement sous la forme d'une onde en dents de scie superposée à une tension négative continue prédéterminée, qui, comme indiqué sur la figure 6, est de 400 volts. Comme représenté, la valeur négative de pointe atteinte est de -1100 volts. La tension efficace correspondante, lue sur un voltmètre continu classique, serait alors d'environ 750 volts. Dans le cas du procédé selon l'invention, la valeur efficace de la tension appliquée à l'électrode est comprise entre environ 100 et 800 volts. Suivant la forme d'onde, il est possible d'atteindre des valeurs de crête d'environ 1200 volts. La forme d'onde représentée sur la figure 6 présente des variations de 700 volts par rapport à la valeur continue de 400 volts, de sorte que le facteur d'ondulation est de 175 %. Pour le procédé selon l'invention, l'ondulation peut etre comprise entre 75 et 600 % environ de la composante continue prédéterminée et, avantageusement, entre 100 et 300 % de cette composante. - La fréquence des impulsions est également importante pour obtenir les meilleurs résultats. La forme d'onde représentée sur la figure 6 présente une durée d'impulsions de 2 millisecondes, de sorte que la fréquence de ces impulsions est de 500 hertz. En général, des fréquences comprises entre 60 et 720 hertz donnent satisfaction. Un électrolyte convenable, du type à sel ou à acide, est appliqué par l'ajutage 13 sur l'objet à percer. Une solution d'acide sulfurique contenant de 15 à 30 % en volume et, avantageusement, environ 20 % en volume d'acide sulfurique, convient, sous des pressions comprises entre 1 ,4 et 7 bars environ. L'espacement entre l'ajutage et la pièce peut être réglé manuellement ou automatiquement à une valeur qui dépend essentiellement de la nature de la matière à percer. Dans la plupart des cas, un intervalle d'environ 0,75 à 1,5 mm donne satisfaction. Il est important de ne pas diminuer cet intervalle à une valeur inférieure à environ 0,25 mm, car une élimination excessive de matière peut se produire et provoquer la formation d'un tronçon conique comme décrit précédemment. La figure 2 représente l'ajutage de l'ensemble 10 alors qu'il projette un jet d'électrolyte 15 à une distance fixe d'une pièce 16 à charge anodique. Au fur et à mesure que l'enle- vement de métal progresse, le courant diminue et il est donc souhaitable de l'augmenter, de meme que la tension, pour compenser cette augmentation de l'intervalle. L'opération de perçage fait apparattre un évidement 17 à peu près conique dans la pièce puis l'électrolyte atteint la surface arrière de cette pièce 16. A ce moment, l'intervalle effectif augmente sensiblement et il est particulièrement impor-tant d'augmenter alors la tension de ltélectrode-14 et de la maintenir jusqu'à ce qu'un trou 18 de diamètre à peu près constant soit réalisé. Quelques essais préliminaires permettent de déterminer la durée de cette phase fixe. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des trous à paroi droite en relativement peu de temps. Par contre, les procédés par projection de l'art antérieur, mettant en oeuvre une tension continue fixe, ne permettent fréquemment d'obtenir que des trous tels que celui représenté sur la figure 5. Cette dernière montre une pièce 19 dans laquelle un trou a été réalisé par un procédé antérieur. Ce trou présente une surface 20 sensiblement évasée, et le diamètre souhaité D n'apparat qu'à proximité de la surface arrière de la pièce. Cette forme évasée ou conique peut etre indésirable, notamment dans le cas de la réalisation de trous rapprochés. Un programme d'augmentation du courant et de la tension peut être établi après quelques essais. Les exemples suivants indiquent des programmes ayant donné satisfaction dans de nombreux cas. ExemPle 1 Une pièce d'une épaisseur de 2,54 mm a ete soumise à un perçage électrochimique effectué sous une pressions d trolyte de 1,4 bar, à l'aide d'un électrolyte contenant 2ff > H d'acide sulfurique en volume. L'intervalle entre l'électrode et la pièce a été maintenu entre 0,75 et 1,5 mm. Le perçage a débuté sous une tension efficace de 100 volts, avec un courant de 100 milli-ampères. Lorsque le courant est descendu à 90 milliampères avec la progression du perçage, la tension a été portée à 300 volts, ce qui a fait remonter le courant à 120 milliampères. Il a été superposé une tension en dents de scie ayant la forme d'onde représentée sur la figure 6.Lorsque le courant est ensuite retombé à 110 milli-ampères, la tension a été por tée à 600 volts, de manière à remonter le courant à 180 milliampères. Au débouché du trou sur la face arrière de la pièce, la tension a été portée à 750 volts et le courant à 60 milliampères. Le perçage d'un trou de diamètre uniforme par ce procédé a demandé 3 minutes et demie. Exemple 2 Une autre pièce a été percée dans les conditions indiquées pour l'exemple 1, hormis que la tension efficace de départ a été réglée à 500 volts. Le perçage de part en part de la pièce a été obtenu en 2 minutes et la tension a été portée à 750 volts et maintenue à cette valeur pendant 30 secondes. Le trou ainsi obtenu présente un diamètre uniforme, sans évasement sensible. Le procédé selon l'invention est donc plus efficace que les procédés classiques par projection, car il permet l'ap- plication en toute sécurité d'impulsions de tension élevée à ltélectrode et, par conséquent, l'augmentation de l'énergie utilisée pour le perçage. De plus, les impulsions négatives superposées au courant continu permettent à l'électrolyte liquide de rester relativement froid et diminuent-les risques de production de vapeur surchauffée à l'extrémité de travail de l'ajutage. Le procédé selon l'invention permet le perçage simultané de nom breuxtroustrès rapprochés, ce qui est généralement impossible par la mise en oeuvre des procédés antérieurs par projection. On a comparé l'usure des électrodes de verre utilisées avec une source classique d'alimentation en courant continu, présentant un facteur d'ondulation de 1 ffi ou moins, à l'usure d'électrodes identiques utilises avec la source d'alimentation en courant continu et en courant pulsé du procédé selon l'invention. Le tableau suivant donne les variations de longueurs (en mm) du tronçon capillaire de l'électrode après différentes durées de fonctionnement. TABLEAU Heures Courant continu filtré Courant continu pulsé 20 0,076 0 40 0,127 0 60 0,190 0 80 0,234 Q 100 0,279 0 120 0,335 0 140 0,389 0 160 0,434 0,025 180 0,490 0,056 200 0,559 0,063 Les figures montrent un procédé dans lequel la pièce et l'ajutage sont fixes. L'alimentation selon l'invention convient également au procédé classique de perçage dans lequel l'ajutage est introduit dans le trou au fur et à mesure que le perçage progresse. le mouvement de cet ajutage s'achève lorsque le perçage atteint la face arrière de la pièce. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'inventiono REVENDICATIONS 1. Procédé de perçage électrochimique suivant lequel une électrode creuse et isolante, à charge cathodique, est placée à peu de distance d1une pièce à charge anodique, un électrolyte hautement conducteur du courant électrique passant dans ladite électrode pour recevoir une charge cathodique et pour & re projeté sur la pièce afin dy réaliser un trou, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à l'électrolyte une tension négative comprenant une composante négative à peu près continue à laquelle des impulsions négatives sont superposées et produisent une ondulation comprise entre 75 et 600 % de ladite composante négative, les impulsiqns constituant la seule source de courant pour le perçage électrochimique, et l'amplitude desdites impulsions étant insuffisante pour provoquer la formation d'un arc entre l'électrode et la pièce. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions est comprise entre 50 et 750 hertz. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension et le courant siibissent des augmentations périodiques pendant le déroulement du perçage. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension est augmentée lorsque le trou aboutit à la face de la pièce opposée à celle orientée vers l'électrode. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltélsctrolyts est de l'eau salée ou un acide. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur-efficace de la tension appliquée à l'élec- trode est comprise entre 100 et 800 volts. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle entre l'électrode et la pièce est compris entre environ 0,75 et 1,5 mm. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de l'électrolyte ne dépasse pas 7 bars. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impulsions sont approximativement en forme de dents de scie. 10. Procédé de perçage électrochimique, caractérisé en ce qu'il consiste à placer une électrode creuse à une distance prédéterminée d'une pièce à charge anodique, à faire passer un électrolyte chargé dans l'électrode, de manière à le projeter sur la pièce pour commencer le perçage, une charge cathodique étant appliquée à l'électrolyte sous la forme d'une tension négative comprenant une composante négative à peu près continue à laquelle des impulsions négatives sont superposées et produisent une ondulation comprise entre 75 et 600 ffi de la composante négative, ces impulsions constituant la seule source de courant utilisé pour le perçage électrochimique, et l'amplitude desdites impulsions étant insuffisante pour provoquer l'apparition d'un arc entre liélectrode et la pièce, le procédé consistant également à maintenir le meme intervalle prédéterminé entre l'électrode et la pièce au fur et à mesure que le perçage progresse, et à augmenter la tension lorsque l'électrolyte atteint la face de la pièce qui est à l'opposé de celle orientée vers l'électrode par le trou ainsi réalisé.