Brevet FR2437908A1 — publié le 19800430

La présente invention a pour objets un liquide diélectrique, constitué par une suspension de particules d'au moins une matière solide conductrice de l'électricité dans une substance délectrique liquide, ainsi que -l'utilisa- tion de ce liquide diélectrique dans un procédé d'usinage, par décharges érosives, d'une électrode-pièce au moyen d'une electrode-outil, comprenant la mise en circulation de ce fluide dans une zone d'usinage comprise entre ces électrodes. Dans un tel procédé, que l'on désigne habituellement par le terme d'usinage par électro-érosion", la vitesse d'en lèvement de matière est égale au produit de la fréquence des décharges érosives par la quantité moyenne de matière enlevée lors de chaque décharge érosive. On sait qu'il s'écoule un certain intervalle de temps, généralement appelé "temps d'attente" ou "délai d'amorçage" entre le début d'une impulsion de tension et le début de l'établissement de la décharge érosive. Ce temps d'attente constitue des temps morts qui diminuent évidemment la fréquence des décharges érosives.Pour des valeurs données de la tension maximale (ou du courant maximal) et de la fréquence des impulsions, la valeur moyenne statistique du temps d'attente (le temps d'attente pour une impulsion donnée variant de manière aléatoire) dépend-de la nature des matériaux constitutifs des électrodes et surtout de l'intervalle (désigné généralement par le terme anglais "gap") séparant ces électrodes au moment de l'établissement du régime de décharge. La loi de variation de la moyenne statistique du temps d'attente est une fonction exponentielle croissante de la valeur du gap et il est donc souhaitable de maintenir cette dernière valeur aussi basse que possible pour abaisser la valeur moyenne du temps d'attente, donc pour augmenter la vitesse d'usinage. Cependant, une diminution de la valeur du gap a pour conséquence d'augmenter la pro babilité de production de courts-circuits entre les électrodes, courts-circuits qui provoquent une diminution du rendement d'étincelage. I1 y a donc, en pratique, une valeur de gap optimale qui correspond à une vitesse d'usinage maximale. D'autre part, la valeur optimale du gap est également influencée par la nécessité d'obtenir un régime d'usinage suffisamment stable. Selon la nature des électrodes, la vitesse d'usinage maximale que l'on peut obtenir est plus ou moins élevée. Par exemple, dans un cas- favorable, dans lequel l'electrode- outil est en cuivre et l'electrode-pièce est en acier, l'electrode-outil étant maintenue à une polarité positive par rapport à l'electrode-pièce, on peut obtenir un rendement d'étincelage (rapport entre la duree moyenne du régime efficace de décharges érosives à la durée moyenne des impulsions) supérieur à 0,85 pour un courant moyen de décharges supérieur à 6 ampères.En revanche, dans un cas que l'on peut considérercomme défavorable, à savoir le cas de l'usinage d'une pièce en carbure de tungstène à l'aide d'une électrode en tungstène, le rendement d'étincelage est légèrement inférieur à 0,5 pour un courant moyen de décharges de l'ordre de 6 ampères, avec des impulsions de tension rectangulaire de 80 volts,ayant une période de 12 microsecondes. Par ailleurs, lorsqu'on commence un usinage, on a depuis longtemps observé que c'est seulement à partir du moment où une quantité suffisante de particules conductrices électriques provenant de l'érosion de l'electrode- pièce est mise en suspension dans le liquide diélectrique, à la suite de décharges préliminaires amorçées en maintenant les électrodes à tres faible distance l'une de l'autre ou même en mettant ces électrodes en contact intermittent l'une avec l'autre, de façon à provoquer une série de courts-circuits interrompus, que l'on peut atteindre un régime de décharges érosives stable et efficace. On a aussi observé un phénomène semblable en ce qui concerne le réglage du débit du liquide diélectrique. Lors- que-le débit de ce liquide est trop grand, l'usinage est instable, et, pour certains matériaux d'électrode, l'usure de l'électrode est excessive. En réduisant le débit, on obtient une amélioration des conditions d'usinage dans le sens d'une meilleure stabilité et d'une efficacité plus élevée. Cette amélioration a été également attribuée à la présence dans le liquide diélectrique de particules conductrices, constituées par les débris d'érosion de l'elec- trode-pièce, favorisant l'amorçage. Toutefois une telle. réduction du débit du liquide diélectrique présente des inconvénients, car au fur et à mesure que le débit diminue, lesdites particules conductrices présentent une tendance à s'accumuler dans les parties de la zone d'usinage dans lesquelles la circulation du liquide diélectrique se produit avec le moins d'efficacité, de sorte que le gap peut y devenir conducteur de l'électricité et empêcher la tension de monter à un niveau suffisant pour permettre l'obtention d'un amorçage convenable des décharges. Le réglage du débit du liquide diélectrique ne permet donc pas à lui seul l'obtention de conditions d'usinage optimales et il est, en outre, très difficile à effectuer et nécessite l'intervention d'un opérateur qualifié.Cela d'autant plus qu'une erreur de réglage dans le sens d'un débit trop faible entraine une dégradation des conditions d'usinage dont les effets se font sentir longtemps après la correction de l'erreur. L'invention a précisément pour but de permettre d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus et d'améliorer le rendement d'étincelage, et par conséquent la vitesse d'usinage, tout en facilitant le réglage des conditions d'usinage, notamment le reglage du débit du liquide diélectrfque. A cet effet, le liquide diélectrique selon l'invention est caractérisé en ce que la granulométrie desdites particules est au plus égale à 5 microns et leur concentration dans la suspension est comprise entre 0,001 et 1 % en volume. I1 est à remarquer que cette suspension à la pro priété de rester stable, au moins pendant son temps de séjour dans l'espace compris entre les électrodes. Lors de l'utilisation du liquide diélectrique selon l'invention, dans un procédé d'usinage par décharges érosives, l'amélioration du rendement d'étincelage, donc l'augmentation de la vitesse d'usinage et l'amélioration du réglage des conditions d'usinage ', sont obtenues grâce au réglage de la concentration, de la composition, de la forme et des dimensions de particules de matières. conduc- trices en suspension dans la substance diélectrique liquide, et cela, indépendamment des paramètres usuels d'usinage c'est-à-dire le type de générateur d'impulsions électriques utilisées, la tension des impulsions d1ali- mentation des decharges électriques, la valeur de l'intensité du courant de décharge, la durée des impulsions d'alimentation des décharges et -des -intervalles entre ces impulsions, les valeurs de consigne utilisées pour le réglage de l'intervalle entre les électrodes (gap) ,les caractéristiques des différents types de décharges, ainsi que a nature des matières constitutives des électrodes et du liquide diélectrique. Comme matière constitutive des particules conductrices, on peut utiliser une matière identique à la matière constitutive de l'une des électrodes, notamment de l'electrode- pièce, ou une matière différente de celle-ci. Toutefois, on utilise, de préférence au moins une matière différente de celles qui constituent les électrodes. On peut, par exemple, utiliser un métal pulvérulent ou de la poudre de graphite. Comme substance diélectrique liquide on peut utiliser tout diélectrique liquide convenant pour la mise en oeuvre du procédé d'usinage par électro-érosion et notamment, les diélectriques usuels tels que des mélanges d'hydrocarbures liquides, et l'eau. I1 est à remarquer que les limites de la gamme de concentration en particules conductrices en suspension dans le liquide 8iélectrique selon l'invention, indiquées ci-dessus, sont bien supérieures à celles des contaminants solides conducteurs ou semi-conducteurs qui peuvent éventuellement se trouver dans le liquide-diélectrique lors de la mise en oeuvre des procédés connus d'usinage par décharges électriques érosives. On a observé que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque les particules de matières solides ont une forme irrégulière présentant un grand nombre d'aspérités. I1 est avantageux de régler la concentration en particules de matières solides dans la suspension diélectrique de manière à la maintenir à une valeur prédéterminée pour laquelle le rapport de la durée du régime efficace de décharges érosives à la période totale des impulsions est au moins égale à 0,5. Pour la préparation du liquide diélectrique, on peut procéder de différentes manières, par exemple selon les manières suivantes - On mélange, de manière homogène, des particules d'au moins une matière solide, choisie parmi les matières conductrices et les matières semi-conductrices, avec un liquide diélectrique à l'extérieur du récipient contenant les électrodes. A cet effet on peut utiliser un appareil agitateur ou batteur ou tout autre dispositif permettant d'obtenir un mélange homogène des particules de la matière solide avec le liquide diélectrique. - On prélève au moins une partie du diélectrique contaminé par des particules solides de la matière constitutive de l'electrode-piece, dans une installation d'usinage par électro-érosion et on utilise le diélectri- que ainsi prélevé pour la préparation d'une suspension diélectrique ayant une concentration prédéterminée de particules de matières solides conductrices ou semi-conductrices. Pour mesurer la concentration en particules solides dans le liquide diélectrique, on peut procéder, par exemple, de la manière suivante Etalonnage du dispositif de dosage de la concentration en particules solides par une détermination de la concentration de la suspens ion grâce à la mesure des caractéristiques des dispositifs d'introduction et de dosage de ces particules solides dans le diélectrique liquide. Utilisation d'un dispositif de mesure optique mesurant, par exemple, l'atténuation de l'intensité d'un faisceau lumineux traversant la suspension diélectrique. Le dispositif de mesure de la concentration en particules solides dans le liquide diélectrique peut-être placé dans le circuit de circulation de ce liquide, soit en amont, soit en aval, ou les deux, de l'espace séparant l'electrode-outil de l'électrode-pièce. De préférence, on effectue la mesure de la concentration en particules so- lides dans le diélectrique en aval de l'espace séparant 1 'électrode-outil de 1 'électrode-pièce. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre du procédé en se référant aux dessins annexés,dans lequel La figure 1 est un diagramme.représentant schématiquement la variation, en fonction du temps, de la différence de potentiel entre l'électrode-outil et l'électrode-pièce ainsi que la variation de l'intensité du courant de décharge, lors de la mise en oeuvre d'un procédé d'usinage par décharges électriques érosives alimentées par des impulsions de tension rectangulaires. La figure 2 est un diagramme schématique représentant la variation de la valeur moyenne statistique du temps d'attente en fonction de la valeur de l'intervalle séparant les électrodes, pour différentes valeurs de la concentration en particules solides conductrices dans la suspens ion diélectrique. La figure 3 est un diagramme schématique représentant la variation du rendement d'étincelage (rapport de la duree du régime efficace de décharge érosive à la durée totale d'une impuls-ion) en fonction de la valeur de- l'in- tervalle séparant les électrodes, pour les mêmes valeurs de la concentration en particules solides conductrices que celles qui sont indiquées dans la figure 2. Comme on le voit-à la figure 1, la durée totale t d'une impulsion électrique d'alimentation se compose de trois durée partielles : tD, t et t . Pendant la durée e o tD, comprise entre le début de l'impulsion et le moment où s'établit un régime de décharges érosives, la différence de potentiel entre les électrodes garde une valeur constante UG qui peut être, par exemple, comprise en 80 ét 300 volts. Pendant la durée t du régime de décharges éro e sives, la différence de potentiel entre les électrodes s'abaisse à une valeur approximativement constante, oscillant autour de U- et il s'établit entre les électrodes A un courant de décharge approximativement constant dont l'intensité oscille autour d'une valeur moyenne IA.Enfin pendant la durée t , la différence de potentiel est annulée jusqu'au début de l'impulsion suivante ce qui permet d'éviter l'apparition de décharges destructrices concentrées sur une partie de faible étendue de la surface des électrodes. Exemple : on a procédé à des essais d'usinage par décharges électriques érosives en utilisant une électrode-outil constituée par un tube en tungstène,ayant un diamètre ex térieur de 4 cm et un diamètre intérieur de 3 cm, et une electrode piece constituée par un bloc cylindrique de carbure de tungstène ayant un diamètre de 4 cm. Comme fluide d'usinage, on utilise une suspension, renfermant 0,04 %, en volume d'une poudre de fer formee de particules ayant une granulométrie comprise entre 0,8 et 4 microns (dimensions correspondant respectivement à la limite inférieure 10 % et à la limite superieure 90 % de la courbe statistique de distribution des dimensions !es particules) dans un liquide diélectrique connu, dans le commerce, sous la denomination "CHEVRON EDM 71" ce liquide diélectrique étant constitué par un mélange renfermant 66 %, en poids, d'hydrocarburesparaffiniqués, 25 % en poids d'hy- drocarburesnaphténiques et 6 % en poids d'hydrocarbures aromatiques et ayant un point d'ébulition voisin de 2800C. On injecte cette suspension diélectrique à travers l'orifice intérieur de l'électrode-outil avec un débit de 0,2 ml/seconde. En utilisant pour l'alimentation des décharges une tension d'amorçage de 250 V et des impulsions rectangulaires de courant de 10 ampères ayant une durée de 12 microsecondes,on obtient Ull rendement d'étincelage (rapport de la valeur moyenne statistique de t à la période d'impul e sion t , voir fig. 1) de l'ordre de 0,7 et une vitesse p d'enlèvement de la matière de l'électrode-pièce de 14 mm3/min. 14 mm /min. En procédant de la même manière mais en utilisant, à la place de la suspension décrite ci-dessus, le liquide diélectrique "CHEVRON EDM 71" pur, le rendement d'étincelage tombe à moins de 0,5 et la vitesse d'enlèvement de 3 matière n'est que de 8 mm /min. La figure 2, établie à-partir de résultats expérimentaux obtenus dans des conditions similaires à celle qui sont décrites dans l'exemple ci-dessus, montre que l'augmentation de la concentration C en particules solides dans la suspension diélectrique (les valeurs de la concentration C étant indiquées, à la figure 2, en % volumique) permet d'obtenir des valeurs statistiques moyennes du temps d'attente (tD) convenables (par exemple, inférieures à 10 p s) pour des valeurs du gap g nettement supérieures à celles que l'on doit maintenir en l'absence de particules solides conductrices ou avec les très faibles concentrations de ces particules qui peuvent éventuellement se trouver, à titre d'agent contaminant, dans les diélectriques utilisés lors de la mise en oeuvre des procédés d'usinage par décharges érosives de la manière connue La figure 3 montre que l'augmentation de la concentration en particules solides dans la suspension diélectrique permet d'obtenir des valeurs élevées de rendement d'étincelage R entre des valeurs extrêmes du gap g éloi gnées les unes des autres. Le procédé qui vient d'être décrit permet l'obtention de nombreux avantages par rapport au procédé connu usinage par décharges érosives. En particulier, ce procédé permet notamment d'améliorer la vitesse d'usinage et de diminuer le temps total d'usinage, de diminuer le nombre des électrodes-outils que l'on doit utiliser pour l'usinage d'une ou plusieurs pièces, de diminuer l'usure de l'electrode-outil, de permettre d'ajuster les cotes finales des pièces sans changement de l'electrode-outil, d'améliorer la qualité de surface des pièces obtenues, d'éviter de devoir effectuer l'usinage dans des conditions risquant de provoquer une détérioration des électrodes, de permettre une automatisation facile du procédé et, finalement de faciliter le réglage et le contrôle des paramètres d'usinage.Ce procédé s'applique, de manière générale, à tous les cas d'utilisation pratique du procédé d'usinage par électro-érosion aussi bien dans le cas où l'on utilise des électrodes d'enfonçage que dans celui où l'on utilise une électrode renouvelable par exemple dans le cas de l'usinage à fils. Grâce à l'augmentation de la fréquence des décharges usinantes, le procédé selon l'invention permet d'augmenter la vitesse d1 usinage en évitant le recouvrement des valeurs de gap pour lesquelles la probabilité de court-circuit est importante avec les valeurs de gap correspondant à des temps d'attente élevé. Ceci permet d'améliorer la stabilité de l'usinage et de permettre d'usiner de manière intéressante, du point de vue économique,certains matériaux qui sont difficilement usinables par électro-érosion conformement au procédé actuellement connu.L'élargissement de la plage de réglage de paramètre d'usinage, obtenue grâce au diélectrique selon l'invention permet, en outre d'amelio- rer la stabilité de l'usinage dans le cas où les paramètres de mise en oeuvre du procédé, par exemple la vitesse d'écoulement du diélectrique, viendraient à se modifier au cours de l'usinage. Le fait que le diélectrisue selon l'invention permet de travailler avec des valeurs de gap supérieures aux valeurs auxquelles on devait se tenir lors de la mise en oeuvre des procédés d'usinage connus, permet de faciliter l'ecou- lement du fluide d'usinage dans l'espace compris entre les électrodes ce qui facilite l'évacuation des résidus solides et des bulles de gaz qui se forment lors de la mise en oeuvre du procédé d'usinage par électro-érosion et permet également une élimination plus facile de la chaleur engendrée par les décharges. Ceci-contribue également à l'amé- lioration de la stabilité d'usinage et permet de simplifier l'appareillage nécessaire à la mise en oeuvre du procédé.Ceci rend également possible l'utilisation de liquides diélectriques ayant des propriétés plus variées grâce au fait que les limitations résultant de l'influence de la viscosité du diélectrique deviennent moins restrictives. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des pièces ayant un état de surface très uniforme grâce à la bonne répartition des décharges au cours de l'usinage. Le fait que les décharges aient une répartition très régulière, grâce à l'utilisation d'une suspension diélectrique, permet en-outre de réduire au minimum les contraintes mécaniques s'exerçant au niveau des électrodes. Ceci constitue un important avantage dans le cas où l'electrode- outil ou l'électrode-pièce sont minces et fragiles t qu'il y a un certain risque de déformation ou de rupture de ces électrodes. L'augmentation des valeurs du gap permet également de réduire l'usure de l'electrode-outil, notamment dans le cas où celle-ci présente des angles vifs particulièrement sensibles à l'usure. L'utilisation d'une suspension diélectrique, conformément au procédé selon l'invention -permet d'obtenir un amorçage plus uniforme des décharges que dans le cas des procédés connus d'usinage par électro-érosion, cette amélioration-résultant notamment de l'amélioration des conditions de circulation du diélectrique entre les électrodes, ainsi qu'une diminution de la probabilité de concentration des décharges provoquant des effets destructeurs (arcs). Il est à remarquer que la qualité de surface de la pièce en cours d'usinage reste constante au cours de l'ensemble de l'opération usinage. Ceci permet, par exen.- ple, d'obtenir de manière particulièrement avantageuse un outil de découpage en utilisant le poinçon comme électrode- outil pour usiner la matrice, I'-extracteur et le guide. L'utilisation du fluide d'usinage selon l'invention facilite l'automatisation de la recherche des conditions d'usinage optimales grâce à un asservissementde la concen- tration en-particules solides dans la suspension diélectrique, cet asservissement étant commandé par un signal électrique engendré par un dispositif de dete-ction d'anomalies par exemple un dispositif réagissant lors de la production de courts-circuits entraînant une instabilité pour le réglage du gap ou un dispositif réagissant lorsque la valeur de la résistivité de la suspension diélectrique tombe à une valeur trop basse dans l'intervalle compris entre les électrodes Ainsi,l'utilisation du liquide diéléctrique selon l'invention comme fluide d'usinage permet de réduire le temps d'usinage et également de simplifier les opérations de réglage des paramètrès d'usinage, ce qui met l'utilisa-tion du procédé d'électro-érosion à la portée d'opérateurs ayant reçu dans ce domaine une formation spécialisée moins poussée que cell.e qui était requise jusqu'à présent et ce qui permet également de réaliser une automatisation de ce procédé en utilisant des moyens plus simples que ceux qui étaient nécessaires à cet effet antérieurement à l'invention. REVENDICATIONS 1. Liquide diélectrique, constitué par une suspension de particules d'au moins une matière solideconductrice de l'électricité dans une substance diélectrique liquide, caractérisé en ce que la granulométrie de ces particules est au plus égale à 5 microns et leur concentration dans la suspension est comprise entre 0,001 et 1 % en volume. 2. Liquide diélectrique selon la revendication 1, carac térisé en ce que lesdites particules ont une forme irrégu lière présentant un grand nombre d'aspérités. 3. Liquide diélectrique selon la revendication 1, carac térisé en ce que lesdites particules sont constituées par au moins une matière différente de la matière constitutive des électrodes et des produits de décomposition de la substance diélectrique liquide dans laquelle ces particules sont en suspension. 4. Utilisation du liquide diélectrique selon l'une des revendications précédentes dans un procédé d'usinage, par décharges érosives, d'une électrode-pièce au moyen d'une electrode-outil, comprenant la mise en circulation de ce fluide dans la zone d'usinage comprise entre ces électrodes. 5. Utilisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'on soumet ledit liquide diélectrique à un réglage de sa concentration de manière à la maintenir dans les liïiites spécifiées dans la revendication 1, ce réglage étant effectué à l'exterieur de la zone d'usinage.