Brevet FR2538284A1 — publié le 19840629

La présente invention concerne l'usinage par électroérosion et a notamment pour objet une électrode-outil pour l'usinage par électroérosion et un procédé de fabrication de ladite-outil. L'-électrode-outil en question peut être utilisée avec une efficacité maximale sur les machines d'électroérosion à copier par défonçage, dans l'usinage des matériaux difficilement usinables, par exemple des all-iages durs à base de carbures de tungstène et de titane. En outre, l'invention peut être appliquée à l'usinage par électroérosion des outils de formage, des moules à pression, des moules de fonderie et d'autres pièces de forme en acier. On sait que, dans l'usinage par électroérosion, l'enlèvement de la matière de la pièce est fortement influencé par la gerbe de matière de l'électrode-outil s'évaporant lors de la décharge électrique. Selon les données des études effectuées, jusqu'à 70 Ó de l'enlèvement de matière à la pièce sont dus à l'effet de ladite gerbe. Pour l'intensifier, il a été proposé d'utiliser une électrodeoutil poreuse, car, dans ce cas, la gerbe est renforcée par l'action des jets hydrodynamiques à haute température produits par l'évaporation du liquide d'usinage dans les pores. On sait que, pour l'abaissement de l'usure lors de l'usinage par électroérosion, le dépôt sur la face de l'électrode-outil d'un film constitué par les produits de pyrolyse du liquide d'usinage et de la matière à usiner e une grande importance. En cas d'utilisation d'une électrode-outil en matière poreuse, le film protecteur se dépose non seulement sur la face de l'électrode-outil, mais aussi sur la surface de ses pores. La surface sur laquelle se dépose le film augmente alors de. 1 à 2 ordres de grandeur . I1 s'ensuit une augmentation correspondante de l'énergie dépensée pour la pyrolyse du liquide d'usinage se trouvant dans les pores et pour le dépôt du film protecteur.Pour que ces deux effets se produisent, il faut qu'il y ait une aspiration du liquide de l'intervalle d'usinage dans les pores, et ceux-ci doivent être ouverts. On connaît une électrode-outil pour l'usinage par électroérosion, contenant du cuivre à un taux pondéral de 20 à 50 0; du bioxyde de thorium à un taux pondéral de 2,5 à 5 Dó le solde étant du tungstène. Cette électrode est fabriquée en deux étapes. A la première étape, on obtient une électrode-outil poreuse en comprimant sous une pression de 98 MPa une composition à mouler au tungstène. A la seconde étape, l'électrode-outil est imprégnée de cuivre à une température de 11500C dans un flux d'hydrogène. La structure poreuse de la matri-ce de tungstène, obtenue à la première étape, est remplie par le cuivre à la seconde étape, lors de l'imprégnation, et tous les pores se bouchent. Le processus de fabrication en deux étapes est en soi un procédé assez long. La complexité de l'imprégnation de la matrice de tungstène par le cuivre ne permet pas d'obtenir des électrodes-outils de forme. I1 est possible de fabriquer des ébauches et de les soumettre ensuite à un usinage complémentaire. Toutefois, l'usinabilîté du tungstène étant très mauvaise, cet usinage complémentaire se heurte à des difficultés. En outre, l'un des constituants du matériau de l'électrode-outil est le tungstène, dont le prix est élevé, ce qui abaisse la rentabilité de l'usinage par électroérosion. On connaît une électrode-outil pour l'usinage par électroérosion constituée par une matière à base de cuivre, à laquelle, en vue d'accroître le rendement et d'abaisser l'usure, sont ajoutés des éléments d'addition constitués par l'oxyde de chrome et le bore. Un inconvénient de cette matière consiste en ce que sa structure est compacte, aussi l'influence favorable de la porosité sur l'enlèvement de la matière et sur l'usure de l'électrode-outil lors de l'usinage par électroérosion n'est-elle pas expIoitée. On connaît aussi une électrode-outil pour l'usinage par électroérosion, réalisée en matière poreuse, par exemple en cuivre, dans laquelle la porosité est de 15 à 25 ó, et les dimensions des pores, de 10 à 40 m. Cette électrode a été conçue sans prendre en considération le fait que les hautes caractéristiques techniques de l'usinage par électroérosion sont déterminées non pas par la porosité totale de la matière de l'électrode-outil (15 à 25 Uó), mais par sa porosité ouverte. Ceci entraînait une forte dispersion et un abaissement desdites caractéristiques, résultant de la formation d'une porosité fermée, due aux paramètres du processus d'élaboration de la matière mis en oeuvre.La porosité fermée de la matière entraîne une surchauffe locale de la surface de l'électrode-outil lors de l'usinage par électroérosion et, en conséquence, un abaissement de la vitesse d'enlèvement de la matière, dû à la réalisation de l'usinage dans un milieu vapeur-gaz, et une augmentation de l'usure. En outre, pour l'usinage de semi-finiton et de finition avec Ra 4 10 XAm, les dimensions indiquées des pores sont trop grandes, car l'usinage par- électroérosion est un processus de reproduction. On connaît un procédé de fabrication d'une électrodeoutil en matière poreuse, par exemple en cuivre, par compression à chaud de poudres dans un flux de gaz réducteur, par exemple d'hydrogène, à une température de 330 à 4400C (0,3 à 0,4 de la température de fusion), avec application d'une pression de 1960 à 4900 kPa, suivie d'une élévation de la température du gaz réducteur jusqu'à 660-9900C (0,6 à 0,9 de la température de fusion). Ce procédé est carac-térisé par les inconvénients suivants. En premier lieu, l'emploi d'un-gaz réducteur, par exemple d'hydrogène3 créant une surpression, s'oppose à la sortie des produits de réduction se formant dans la matière de l'électrode-outil et à la création consécutive d'une porosité ouverte. En outre, il apparaît un risque d'explo sion et il est nécessaire d'avoir un local séparé pour le stockage des bouteilles de gazes ainsi que d'organiser leur livraison centralisée. D'autre part, les températures de 330 à 4400C et les pressions de 1960 à 4900 kPa sont insuffisantes pour la réduction complète des oxydes de cuivre lors de la compression s en outre, l'électrode-outil se prête mal ou même ne se prête pas du tout à la compression en profondeur, aussi sa matière n'acquiert-elle pas la densité (porosité) voulue. La valeur de la porosité ouverte dépasse alors la valeur optimale (10 à 15), , ce qui se traduit par des propriétés physico-mécaniques et d'électroérosion plus basses de l'électrode-outil obtenue On s'est donc proposé de créer une électrode-outil pour l'usinage par électroérosion et un procédé de fabrication de cette électrode-outil, qui, grâce aux caractéristiques physico-mécaniques obtenues de l'électrode-outil et à la méthode de fabrication appliquée, assureraient une diminution de l'usure de l'électrode-outil aux régimes de semi-finition et de finition, tout en augmentant la vitesse d'enlèvement de la matière de la pièce à usiner et en abaissant la rugosité de la surface usinée. Ce problème est résolu grâce à une électrode-outil pour l'usinage par électroérosion, réalisée en matière poreuse à base de cuivre,cara.ctérisée, d'après l'invention, en ce que ladite matière a une porosité ouverte de 10 à 15%, la dimension des pores ouverts étant de 2- à 10 m. Une telle porosité ouverte permet d'assurer une évacuation totale des produits de décomposition se formant dans le cratère de la pièce, et ce, grâce à l'action des jets (gerbes) gazeux à haute température résultant de la vaporisation du liquide d'usinage dans les pores. Etant donné que les pores sont ouverts (c'est-à-dire qu'ils communiquent avec les pores voisins et débouchent à la surface de ltélectrode-outil), ils sont alimentés en permanence par de nouvelles portions de liquide d'usinage. I1 en résulte une augmentation du rendement de deux fois et même plus. D'autre part, du fait de la pyrolyse du liquide d'usinage dans les pores, un film protecteur se dépose sur leur paroi. L'aspiration constante du liquide d'usinage à travers les pores ouverts assure le rétablissement du film protecteur. Ceci se traduit par un fort abaissement de l'usure de l'électrode-outil poreuse. Une porosité ouverte inférieure à 10 est insuffisante et ne permet pas d'exploiter les avantages précités tant en ce qui concerne la vitesse d'enlèvement de la matière que l'usure. L'augmentation de la porosité ouverte de la matière au-dessus de 15 conduit à des propriétés physico-mécaniques et, en conséquence, à des caractéristiques techniques plus basses. La présence d'une porosité fermée dans ltélectrode- outil entraîne l'apparition, dans les parties correspondantes, d'une surchauffe locale provoquant un-abaissement du rendement de l'usinage, dû à la production de décharges dans le milieu vapeur-gaz. Etant donné que l'usinage par électroérosion est un processus de reproduction, des dimensions de pores inférieures à 10 ,/tm permet d'obtenir aux régimes de semi-finition et de finition une rugosité de la surface usinée Ra Il est avantageux que la matière de l'électrode-outil contienne, outre le cuivre, des additions dispersées d'oxydes de métaux en association avec dubore. Les additions dispersées introduites- dans la matière de l'électrode-outil en combinaison avec du bore créent un effet d'écran lors de la décharge d'électroérosion. En outre, la décomposition de l'oxyde de métal et la séparation des ions négatifs dans le canal de décharge permettent de neutraliser les ions bombardant l'électro-outil. Les meilleurs résultats sont obtenus quand l'oxyde utilisé est l'oxyde de chrome (Cr203). I1 est avantageux que la matière de l'électrode-outil ait la composition pondérale suivante oxyde de chrome (Cr203) .................. 2 à 10 %; bore (B).................................. 0,1 à 1 %; cuivre (Cu) X le solde. Quand le taux d'oxyde de chrome (Cr203) est inférieur à 2 %, les résultats indiqués plus haut ne peuvent être atteints, et quand ce taux dépasse 10 , ÓS le rendement diminue et l'usure de 1'électrode-outil augmente par suite de l'abaissement des caractéristiques thermophysiques intégrales de la matière la constituant. Le problème exposé plus haut est résolu également grâce à la mise aupoint d'un procédé de fabrication de l'électrode- outil pour l'usinage par électroérosion en matière poreuse à base de cuivre par compression à chaud, caractérisé,d'après l'invention, en ce que la compression s'effectue sous un vide de 1333 à 13,33 mPa à une température de 650 à 975 OC, avec application d'une pression de 4,9 à 10,78 MPa. Quand la compression à chaud des électrodes-outils est exécutée sous un vida inférieur à 1333 mPa, les films d'o-xydes se trouvant dans la matière de l'électrode-outil ne sont pas réduits. D'autre part, un vide dépassant la limite supérieure précitée ne donne aucune amélioration des proprié tés de ltélectrode-outil, mais rend le processus de fabrication plus long, plus compliqué et plus cher. Quand la température dépasse la limite supérieure précitée, il se produit un fort retrait de la matière lors de son refroidissement; les pores se ferment et on n'obtient plus une porosité ouverte de 10 à 15 et une porosité fermée inférieure à 5%. D'autre part, quand la température est abaissée au-dessous de la limite inférieure précitée, on n'obtient plus la réduction totale des oxydes de cuivre. L'électode-outil se comprime mal ou ne se comprime pas du tout et sa matière n'acquiert pas la densité requise. Quand l'électrode-outil est comprimée-à la température prescrite sous une pression inférieure à 4,9 MPa, la valeur de la porosité ouverte dépasse la valeur requise (10 à 15m). Quand la pression de compression est augmentée au-dessus de 10,78 MPag dans l'intervalle de température prescrit, certaines parties de l'électrode-outil se trouvent surcomprimées et ont une porosité ouverte inférieure à 10/ ó (la structure des éprouvettes est proche d'une structure compacte, avec une faibl-e quantité de pores fermés). L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre de différents modes de réalisation donnés à titre non limitatif. L'électrode-outil pour l'usinage par électroérosion faisant l'objet de l'invention est réalisée en une matière poreuse à base de cuivre. D'après l'invention, ladite matière est caractérisée par une porosité de 10 à 15 , 0 les dimensions des pores ouverts étant de 2 à 10 4;m. Outre le cuivre, la matière de l'électrode-outil contient des additions dispersées d'oxydes de métaux en association avec du bore. L'oxyde de métal utilisé en l'occurrence est l'oxyde de chrome (Cr203). Dans ce cas, la matière de l'électrode-outil a la composition chimique suivante, en poids oxyde de chrome (Cr203) 0 2 à 10 , bore (B) .................................. 0,1 à 1 Ó, cuivre (Cu) ............................... le-solde. La matière de l'électrode-outil ayant la porosité et la composition indiquées assure une faible usure de l'électrode-outil, une grande vitesse d'enlèvement de la matière de la pièce à usiner et une diminution de la rugosité de la surface usinée. L'invention a aussi pour objet un-procédé de fabrication de l'électrode-outil pour l'usinage par électroérosion. La matière de ladite électrode-outil est poreuse, à base de cuivre, obtenue par compression à chaud. D'après l'invention, la compression s'effectue sous un vide de 1333 à 13,33 mPa, à une température de 650 à 9750C, avec application d'une pression de 4,9 à 10,78 MPa. Pour une meilleure compréhension de l'invention, plut sieurs exemples de réalisation concrets mais non limitatifs sont décrits ci-après. On a soumis à des essais des électrodes-outils en matière à base de cuivre, contenant 3 % de Cr203, 1 % de B et 94 OD de Cu, à porosité ouverte de 10, 12 et 15 0 et à dimensions des pores de 2,0, 5, 10 Am. Cette matière a été obtenue par compression à chaud à une température de 9000C, sous une pression de 9,4 MPa et un vide de 133,3 mPa. Les éprouvettes obtenuesisurface des éprouvettes: 500 mm2; matière à usiner: acier 45 (tableau 1), et alliage dur (tableau 2)] ont été essayées par une méthode connue des spécialistes travaillant dans ce domaine, à un régime d'essai d'usinage par électroérosion, sur une machine d'électroérosion à copier par défonçage à commande électrohydraulique, équipée d'un générateur d'impulsions. Les essais ont été exécutés aux régimes suivants: pour l'acier (tableau 1): fréquence f = 88 kHz, courant d'usinage I = 16 A, polarité inverse (électrode-outil p-ositive); pour l'alliage dur (tableau 2): fréquence f = 88 kHz? courant d'usinage I = 11 A, polarité directe (électrode-outil négative). Les résultats des essais sont donnés dans les Tableaux 1 et 2. Tableau 1 N de Composition Porosité Dimenl'éprouvet- (ouverte Y, sion des te % pores, m 1 2 3 4 1 - Cu = 94 %, 10 10 Cr2O3= 3 % B = 1 % 2 Idem 15 10 3 Idem 12 10 4 Idem 12 5 5 Idem 12 2 6 matière cuivre n'est pas 30-40 connue à porosité mesurable totale de 15% Tableau 1 (suite) N de Vitesse d'enlè- Usure rela- Rugosité l'éprou- vement de la tive, % de la survette matière, face, Ra, mm3/min.A m 1 5 6 7 1 7,8 18,5 3 2 8,0 22,1 3 3 8,3 15,0 3 4 8,0 24,2 3 5 7,5 25 3 6 7,3 38,2 4,1 Tableau 2 N de Composition Porosité Dimension l'éprouvet- (ouverte), des pores, te % m 1 2 3 4 1 Cu = 94 %, 10 10 Cr2O3= 3 % B = 1 % 2 Idem 15 10 3 Idem 12 10 4 Idem 12 5 5 Idem 12 -2,0 6 matière cuivre + 3% de n est pas n'est pas connue nitrure de bore mesurable mesurable Tableau 2 (SUITE) N de Vitesse Usure Rugosité de 1'éprou- d'enlèvement relative, la surface, vette de la matière, 0 Ra, m mm3/min.A 1 5 6 7 1 @ 2,6 45,6 2,0 2 2,5 50,2 2,0 3 3,0 38,0 2,0 4 2,3 50,3 2,0 5 2,0 51,0 2,0 6 1,9 50,1 2,0 REVENDICATIONS 1. Electrode-outil pour usinage par électro-érosion, du type constitué d'une matière poreuse à base de cuivre, caractérisée en ce que ladite matière a une porosité ouverte de 10 à 15m, les dimensions des pores ouverts étant de 2 à 10 Am. 2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite matière contient, outre le cuivre, des additions dispersées d'oxydes de métaux en' association avec du bore. 3. Electrode-outil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'oxyde de métal additionné à ladite matière est l'oxyde de chrome (Cr203). 4. Electrode-outil selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisée en ce que ladite matière a la composition suivante: oxyde de chrome (Cr203) ............... 2 à 10 ; bore (B) .............................. 0,1 à 1 %; cuivre (Cu)............................ le solde. 5. Procédé de fabrication d'une électrode-outil pour usinage par électro-érosion, du type constitué d'un matériau poreux à base de cuivre obtenu par compression à chaud, caractérisé en ce que ladite compression s'effectue sous un vide de 1333 à 13,33 mPa, à une température de 650 à 9750C, avec application d'une pression de 4,9 a 10,78 MPa.