Brevet FR2482499A1 — publié le 19811120

L'invention concerne d'une manière générale l'usi- nage par électro-érosion. Elle concerne en particulier un procédé. et un appareil pour usiner par électro-érosion une pièce conductrice de l'électricité afin d'y former une cavité, en particulier une cavité à trois dimensions. Les termes "électro-érosion" et "usinage par électro- érosion" qui sont utilisés ici se réfèrent à l'un quelconque de divers processus d'usinage électrique qui englobent l'usi- nage par décharges électriques, l'usinage électrochimique et l'usinage électrochimique à déchargE dans lesquels un'courant électrique d'usinage passe directement entre la pièce et une ou plusieurs électrodes constituées en tant qu'outil, à travers un agent fluide d'usinage pour enlever de la matière de la pièce par l'action de décharges électriques (usinage par décharges électriques), l'action de solubilisation élec- trolytique (usinage électrochimique) ou une combinaison des deux actions distinctes (usinage électrochimique à décharges). La technique conventionnelle d'usinage par électro-érosion fait couramment appel à une électrode-outil ayant la forme d'un bloc conformé ou d'une feuille métallique, d'un fil, d'une simple tige ou analogue, dont le contour est directe- ment ou indirectement reproduit dans une pièce pour consti- tuer dans celle-ci une cavité souhaitée. L'électrode-outil doit donc être conformée et dimensionnée précisément pour correspondre à la forme et à la dimension de la cavité sou- haitée. Dans les installations modernes d'usinage par électro- érosion, l'électrode-outil est déplacée par rapport à la pièce de manière tridimensionnelle ou avec trois degrés de liberté en suivant un trajet prédéterminé qui, en liaison avec la forme et la dimension de l'électrodeoutil, détermine les formes et dimensions ultimes d'une cavité souhaitée dans:a pièce. L'électrode-outil peut cependant s'user par érosion au cours d'une étape donnée d'une opération d'usinage d'un processus d'électro-érosion. L'usure de l'électrode peut être réduite sensiblement à zéro grâce à une certaine combinaison des para- mètres d'usinage mais devrait réellement se produire de manière significative avec une plage diverse de combinaisons de para- mètres d'usinage qui sont préférés ou souhaitables. L'usure d'électrode se développe alors dans une mesure telle qu'un 2 2482499 remplacement répété de l'électrode ou des corrections ins- tantanées de la position de l'électrode-outil au cours d'un trajet de déplacement d'avance prédéterminé, sont requis. Ces mesures sont généralement gênantes, nécessitent des mo- yens et des procédures relativement sophistiqués et onéreux, si bien qu'elles sont indésirables. C'est en conséquence un but important de l'invention de fournir un nouveau procédé d'usinage par électro-érosion gra- ce auquel le problème courant de l'usure de l'électrode-outil est efficacement traité. Un autre but important de l'invention est de fournir un procédé amélioré d'usinage par électro-érosion d'une-pièce conductrice de l'électricité pour former une cavité souhaitée dans celle-ci en réalisant un déplacement d'avance d'usinage dans trois dimensions ou avec trois degrés de liberté, en suivant un trajet prédéterminé qui définit le contour sou- haité, procédé grâce auquel est éliminée la nécessité d'une électrode-outil courante sujette à l'usure. Un autre but important de l'invention est de fournir un nouvel appareil d'usinage par électro-érosion qui soit propre à former une cavité souhaitée avec efficacité, économiquement, avec une précision d'usinage requise, et sans électrode-outil courante. D'autres buts de l'invention ressortiront de la descrip- tion qui suit. L'invention.fournit, selon un premier aspect, un procédé d'usinage par électro-érosion d'une pièce conductrice de l'électricité pour former dans celle-ci une cavité, procédé qui comprend les mesures consistant à: juxtaposer axialement une enveloppe tubulaire allongée, ouverte à l'extrémité, en un matériau résistant à la chaleur, et la pièce pour définir un site d'usinage par électro-érosion dans la région de la pièce proche de la partie d'extrémité ouverte de l'enveloppe dans laquelle sont logés des corps métalliques discrets, chacun étant propre à constituer individuellement une élec- trode d'électro-érosion; amener un liquide d'usinage dans le site d'usinage; amener successivement dans le site d'usi- nage les corps métalliques discrets contenus dans l'enveloppe; faire passer un courant d'usinage par électro-érosion à tra- vers le site d'usinageentre la pièce et.les corps métalliques 3 2482499 discrets amenés dans le site d'usinage,pour enlever par électro-érosion de la matière à partir de ladite région de la pièce, contre les corps métalliques discrets fonctionnant en tant que contre-électrodes dans le fluide d'usinage; et déplacer l'une par rapport à l'autre l'enveloppe résistant à la chaleur et la pièce pour provoquer le balayagepar la- dite partie à extrémité ouverte d'une surface prédéterminée sur la pièce, pour former par électro-érosion ladite cavité dans celle-ci. L'invention fournit aussi, selon un second aspect, un appareil pour usiner par électro-érosion une pièce conduc- trice de l'électricité pour former dans celle-ci une cavité, cet appareil comprenant: une enveloppe tubulaire-allongée à extrémité ouverte, en un matériau résistant à la chaleur et propre à loger des corps métalliques discrets dans un état serré; des moyens pour amener l'enveloppe allongée en juxta- position axiale avec la pièce afin de définir un site d'usi- nage par électro-érosion dans la région de la pièce proche de la partie d'extrémité ouverte de l'enveloppe tubulaire des moyens pour amener un fluide d'usinage au site d'usinage; des moyens pour amener successivement les corps métalliques discrets contenus dans l'enveloppe au site d'usinage; des mo- yens pour faire passer un courant d'usinage par électro- érosion à travers le site d'usinage entre la pièce et les corps métalliques discrets amenés dans le site d'usinage,pour enlever par électro-érosion de la matière à partir de ladite région de la pièce contre les corps fonctionnant en tant que contre-électrodes dans le fluide d'usinage; et des moyens pour déplacer l'une par rapport à l'autre l'enveloppe tubu- laire résistant à la chaleur et la pièce afin de provoquer le balayage,par ladite partie d'extrémité ouverte d'une sur- face prédéterminée de la pièce,pour former par électro-érosion la cavité dans celle-ci. Des formes de réalisation de l'invention seront mainte- nant décrites, à titre d'exemple, en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe représentant un appareil mettant en oeuvre les carac- téristiques de l'invention; et D - les figures 2, 3 et 4 sont des vues en coupe d'enve- 4 2482499 loppes tubulaires résistant à la chaleur dans lesquelles sont logées diverses formes de corps métalliques discrets. On se réfère à la figure 1. Une enveloppe lallongée tubulaire et à extrémité ouverte, est représentée juxtaposée à une pièce 2 de manière à définir un site d'usinage dans la région de la pièce qui est proche de la partie 3 d'extrémité ouverte de l'enveloppe 1. L'enveloppe tubulaire 1 contient des corps 4 métalliques discrets, à l'état serré, les corps étant représentés sous la forme de corpuscules granulaires (par exemple de forme sphérique ou irrégulière) dont la taille corpusculaire est plus grande que la dimension d'un intervalle d'usinage par électro-érosion. L'enveloppe 1 tubulaire résis- tant à la chaleur est par exemple en oxyde d'aluminium (A1203), en carbure de silicium (SiC) ou en graphite et elle a une for- me en coupe transversale adaptée, telle qu'en forme de cercle, de triangle, de carré, de rectangle ou de polygone. Les corps discrets 4 peuvent être en cuivre, laiton, fer, nickel, molyb- dène ou manganèse, mais ils peuvent être en tout autre maté- riau courant pour les électiwdes d'électro-érosion. Une source 5 de courant d'usinage par électro-érosion présente une borne connectée électriquement à la pièce 2; son autre borne est connectée à un conducteur ou électrode 6 disposée en contact avec les corps 4 métalliques discrets qui sont présents dans l'enveloppe tubulaire 1. Un ressort 7 dépend d'un chapeau 8 monté sur l'enveloppe 1 à son extrémité supérieure, et il est maintenu comprimé pour appliquer le conducteur ou électrode 6 en coopération à pression avec les corps 4 métalliques discrets, afin de les maintenir à l'état serré dans l'enveloppe 1. Les corps 4 peuvent être amenés dans l'enveloppe 1 à partir d'une source 9 au moyen d'un con- duit 10 représenté comprenant un robinet 11. Un fluide d'usi- nage, par exemple un liquide à base d'eau distillée, est amené dans la région du site d'usinage grâce à une buse 12. Une pompe 13 tire le fluide d'usinage d'un réservoir 14 et le fournit à la buse 12. Le fluide d'usinage pompé peut aussi, ou en variante, être amené dans le conduit 10 de sorte qu'au moins une partie de celui-ci est tout d'abord amenée dans l'enveloppe 1 puis, passant alors au travers ou franchissant les interstices entre les corps 4 métalliques discrets serrés dans l'enveloppe, est amenée dans le site d'usinage. Etant donné que les corps 4 métalliques discrets sont maintenus en ferme contact mutuel et en contact à pression avec le conducteur ou électrode 6, un circuit électrique fermé est établi pour le passage d'un courant d'usinage par électro- érosion à partir de la source de courant 5, typiquement ou de préférence sous la forme d'une succession d'impulsions, entre la pièce 2 et un ou plusieurs corps 4 proches d'elle, à travers le site d'usinage traversé par le fluide d'usinage, afin d'enlever par électro-érosion de la matière à partir de la pièce 2 contre les corps 4 présents dans le site qui fonc- tionnent comme des contre-électrodes dans l'agent fluide d'usinage. Le ressort 7 sert à appliquer une pression sur les corps 4 pour leur permettre d'être déplacés d'une seule masse et amenés successivement dans le site d'usinage quand les corps présents dans ce dernier sont érodés ou usés en raison de l'action d'électro-érosion. Pendant que l'usinage a lieu de cette manière, l'enveloppe tubulaire 1 et la pièce 2 sont déplacée de manière tridimen- sionnelle l'une par, rapport à l'autre grace à des moyens de déplacement d'avance comprenant un moteur 15 suivant l'axe des X, un moteur 16 suivant l'axe des Y et un moteur 17 sui- vant l'axe des Z. Dans la forme de réalisation représentée, une table de travail 18, sur laquelle la pièce 2 est montée fixe, est déplacée dans un plan X-Y en étant entraînée par les moteurs 15 et 16 dans les directions respectives de l'axe des X et de l'axe des Y. L'enveloppe tubulaire 1 est déplacée dans sa direction axiale,ou suivant l'axe des Z, vers le bas et elle est entraînée par le moteur 17. Une unité 9 de commande numérique est prévue pour fournir des signaux d'entraînement préprogrammés aux moteurs 15, 16 et 17 dans lesquels ils sont reproduits pour déplacer l'enveloppe 1 à la manière d'un ba- layage par rapport à la pièce 2 suivant des trajets prédéter- minés qui définissent en fin de compte et ménagent une cavité souhaitée devant être usinée par électro-érosion dans la pièce 2. Les corps 4 métalliques discrets peuvent, au lieu d'être des corpuscules granulaires comme représenté à la-figure 1, être des grains de poudre, comme représenté par la variante de la figure 2, désignés par 41, des copeaux ou paillettes métalliques comme représenté à la figure 3, et référencés 42, 6 2482499 ou des tronçons de fil métallique, comme représenté à la figure 4, référencés 43. Bien que l'enveloppe tubulaire 1 puisse être maintenue par son extrémité ouverte en contact avec la pièce 2, ceci étant spécialement le cas quand le matériau qui la compose est isolant électriquement, il est souhaitable de l'animer d'un mouvement de va-et-vient afin qu'elle puisse, de manière répétitive, être en léger contact avec la pièce 2 et s'en éloigner. A cette fin, un oscillateur mécanique 22 est prévu; il comprend une corne vibrante 21a en contact avec le chapeau 8, un transducteur électromécanique 21b connecté à la corne 21a et excitable par une source de courant 21c afin d'appli- quer des oscillations mécaniques à l'enveloppe tubulaire 1. Le fluide d'usinage pour l'usinage par décharges élec- triques est,de préférence, un liquide à base d'eau distillée (par exemple traitée avec un échangeur d'ions) ayant une ré- sistivité spécifique de 104 à 105 ohms-cm, ou du kérosène. Avec l'eau distillée, le site d'usinage peut être ouvert à l'atmosphère. Avec du kérosène, le site d'usinage peut être immergé dans celui-ci à une profondeur suffisante. En raison de sa résistance à la chaleur, l'enveloppe tubulaire 1 à proximité de la pièce ne devrait pratiquement pas subir d'usure par électro-érosion, et elle peut donc conserver avec précision ses dimensions et formes originales. Ainsi, l'électrode-outil consommable est ici constituée par des corps 4 métalliques discrets logés à proximité du site d'usinage et amenés successivement en remplacement à celui-ci. Etant donné- que l'emplacement de cette partie d'électrode consommable et les surfaces successives de la pièce sont commandés avec précision dans trois dimensions au moyen d'unités 15, 16 et 17 d'entraînement de déplacement d'avance sous contrôle numérique, une cavité extrêmement précise peut être formée sur la pièce 2 avec des formes et dimensions pré- déterminées. L'appareil représenté comprend aussi une bobine 22 géné- ratrice de champ magnétique et excitable grâce à un courant continu ou alternatif, de préférence avec un courant continu ou alternatif à impulsions fourni à partir-d'une source de courant 23, afin de produire un champ magnétique dans le site d'usinage. La fonction de ces moyens générateurs de champ 7 2482499 ou de ce champ magnétique est d'élargir la dimension d'in- tervalle d'électro-érosion formé entre la pièce 2 et les corps 4 métalliques discrets dans le site d'usinage, facili- tant ainsi l'enlèvement des produits d'intervalles, par exem- ple copeaux et gaz, à l'éloignement de la région de l'inter- valle d'usinage. La source de courant 23 pour la bobine 22 fonctionne de préférence de manière à lui fournir le courant d'excitation en synchronisme avec le dispositif 21 de va-et-vient de l'en- veloppe, de sorte que le champ magnétique est produit sélec 'b tivement quand l'enveloppe 1 est rétractée pour élargir l'in- tervalle d'usinage au cours de chaque cycle de va-et-vient. Etant donné que le champ magnétique appliqué dans le site d'usinage a une action qui augmente la dimension d'intervalle de décharges disruptives ou d'électro-érosion efficace, cette configuration permet avantageusement aux actions d'usinage ou décharges successives, de continuer sans interruption au cours de chaque course de rétraction de l'enveloppe tout en conservant l'avantage d'augmenter physiquement de manière cyclique la dimension d'intervalle d'usinage. Le processus d'usinage peut ainsi se poursuivre avec une stabilité accrue et une vitesse d'enlèvement augmentée. Quand on utilise les moyens 22, 23, générateurs de champ, il est,. avantageux de constituer l'enveloppe tubulaire 1 en matériau magnétiquement perméable ainsi qu'en particulier les corps 4 métalliques discrets, de sorte que les lignes des flux magnétiques produits par la bobine 22 passent concentriquement au travers du site d'usinage dans la région de la pièce 2 proche de la partie d'extrémité ouverte de l'enveloppe tubu- laire 1. Il est donc avantageux que les corps 4 soient par exemple en fer ou en nickel. Le champ magnétique doit avoir une intensité de champ supérieure à 200 Gauss. Par exemple, pour une opération d'usinage par décharges électriques selon. invention mettant en oeuvre une succession d'impulsions d'usinage, par décharges électriques avec une tension de crête de 100 volts, une intensité de crête de 25 ampères et une durée d'impulsion Ton de 8 microsecondes, l'intervalle d'usinage (défini entre la pièce 2 et les corps 4 en fer) peut avoir une dimension d'intervalle à décharges disruptives efficaces de 10, 15, 30 et 110 microns quand le 8 2482499 champ magnétique appliqué au site de l'intervalle a une intensité de 0, 100, 500 et 1000 Gauss, respectivement. Ainsi, par exemple, avec l'application d'un champ magnétique de 1000 Gauss, la dimension physique d'intervalle peut être augmentée jusqu'à 110 microns sans entraver la condition d'usinage souhaitée, et l'enveloppe 1 peut être animée d'un mouvement de va-et-vient ou rétractée cycliquement avec une course maximale de 110 microns. Le champ magnétique peut être appliqué sélectivement au cours de chaque étape de va- et-vient de l'enveloppe 1. L'invention fournit ainsi un procédé et un appareil d'électro-érosion grâce auxquels est éliminée avantageuse- -ment la nécessité d'une électrode-outil conventionnelle grâce auxquels les problèmes classiques associés à l'usure de cette électrode sont effectivement résolus. 9 2482499 REVENDICAT IONS 1. Procédé d'usinage par électro-érosion d'une pièce conductrice de l'électricité dans le but d'y former une cavité, caractérisé en ce qu'il comprend les mesures consis- tant à: juxtaposer axialement une enveloppe allongée tubulaire à extrémité ouverte, en un matériau résistant à la chaleur, et ladite pièce, pour définir un site d'usinage par électro- érosion dans la région de la pièce proche de la partie d'ex- trémité ouverte de l'enveloppe, ladite enveloppe logeant des corps métalliques discrets serrés les uns contre les autres et propres à constituer individuellement une électrode d'électro-érosion; amener un fluide d'usinage dans le site d'usinage; amener successivement dans la région d'usinage les corps métalliques discrets contenus dans l'enveloppe; faire passer un courant d'usinage par électro-érosion au travers du site formé entre la pièce et les corps métalliques discrets amenés dans le site d'usinage, pour enlever par électro-érosion de la matière à partir de la région de la pièce qui est contre les corps fonctionnant en tant que contre-électrodes dans le fluide d'usinage; et déplacer relativement l'enveloppe résistant à la chaleur et la pièce afin que la partie d'extrémité ouverte de l'en- veloppe balaye une surface prédéterminée sur la pièce pour y former la cavité dans celle-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe et la pièce sont déplacées relativement avec trois degrés de liberté sous commande numérique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire a une forme en section transversale généralement indépendante de la forme de ladite cavité. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe est en un matériau choisi dans le groupe qui comprend l'oxyde d'aluminium, le carbure de silicium et le graphite. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont sous la forme de cor- puscules granulaires. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les corpuscules ont une taille supérieure à la dimension de l'espace formé entre la pièce et l'extrémité ouverte de ladite enveloppe tubulaire. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont sous la forme d'une masse de tronçons de fils. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont sous la forme d'une masse de petits grains de poudre. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont en un matériau choisi dans le groupe qui comprend le cuivre, le laiton, le fer, le nickel, le molybdène et le manganèse. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la mesure consistant à déplacer axia- lement en va-et-vient l'enveloppe par rapport à la pièce avec une amplitude prédéterminée. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enveloppe est amenée en relation de léger contact avec la pièce au cours de chaque cycle de va-et-vient. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la mesure consistant à appliquer un champ magnétique dans'la région dudit site d'usinage. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le champ magnétique a une intensité de champ supérieure à 200 Gauss. 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les mesures consistant à rétracter cycliquement l'enveloppe à l'éloignement de la pièce et appli- quer sélectivement le champ magnétique au cours du temps de rétraction. 15. Procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont en un matériau magnétiquement perméable. 16. Appareil pour usiner par électro-érosion une pièce conductrice de l'électricité afin d'y former une cavité, caractérisé en ce qu'il comprend: une enveloppe allongée tubulaire à extrémité ouverte, en un matériau résistant à la chaleur, propre à loger des corps métalliques discrets à l'état serré; des moyens pour supporter l'enveloppe en juxtaposition axiale avec la pièce afin de définir un site d'usinage par électro-érosion dans la région de la pièce qui est proche de la partie d'extrémité ouverte de ladite enveloppe tubulaire; des moyens pour amener un fluide d'usinage dans le site d'usinage; des moyens pour amener successivement dans la région d'usinage les corps métalliques discrets contenus dans l'en- veloppe; des moyens pour faire passer un courant d'usinage par électroérosion au travers du site d'usinage défini entre la pièce et les corps métalliques discrets amenés dans le site d'usinage, afin d'enlever par électro-érosion de la matière à partir de la région de la pièce qui est contre les corps fonctionnant en tant que contre-électrodes dans le fluide d'usinage; et des moyens pour déplacer relativement l'enveloppe tubu- laire résistant à la chaleur et la pièce, afin de provoquer le balayage par la partie d'extrémité ouverte d'une surface prédéterminée sur la pièce, pour former par électro-érosion la cavité dans celle-ci. 17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens de déplacement comprennent trois moyens de moteur pour déplacer relativement l'enveloppe tubulaire et la pièce suivant trois, axes mutuellement orthogonaux, et une unité de commande numérique pour fournir auxdites moyens de moteur- des signaux d'entraînement pour déplacer relati- vement l'enveloppe et la pièce suivant un trajet prédéterminé dans trois dimensions. 18. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire a une forme en coupe transversale généralement indépendante de la forme de la cavité souhaitée. 19. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'enveloppe est en un matériau choisi dans le gmnupe qui comprend l'oxyde d'aluminium, le carbure de silicium et le graphite. 20. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont sous la forme de corpuscules granulaires. 21. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en il 12.2482499 ce que les corps métalliques discrets sont sous la forme d'une masse de petits grains de poudre. 22. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont sous la forme d'une masse de morceaux de fils. 23. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont sous la forme de copeaux ou paillettes métalliques. 24. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déplacer axialement en va-et-vient l'enveloppe par rapport à la pièce. 25. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que les corps métalliques discrets sont en un matériau choisi dans le groupe qui comprend le cuivre, le laiton, le fer, le nickel, le molybdène et le manganèse. 26. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de bobine électroma- gnétique enroulée autour de ladite enveloppe et excitables par une source de courant pour appliquer un champ magnétique dans la région du site d'usinage.