Brevet FR2811598A1 — publié le 20020118

La présente invention concerne les fils électrodes utilisés pour l'usinage par étincelage érosif. L'étincelage érosif permet d'usiner une pièce conductrice de l'électricité, en générant des étincelles entre la pièce à usiner et un fil conducteur de l'électricité. Le fil conducteur de l'électricité défile au voisinage de la pièce dans le sens de la longueur du fil, et il est déplacé progressivement dans le sens transversal par rapport à la pièce soit par translation du fil soit par translation de la pièce. Les étincelles érodent progressivement la pièce et le fil. Le défilement longitudinal du fil permet de conserver en permanence un diamètre de fil suffisant pour éviter sa rupture dans la zone d'étincelage. Le déplacement relatif du fil et de la pièce dans le sens transversal permet de découper la pièce ou de traiter sa surface, le cas échéant. Les machines pour électroérosion à fil comportent des moyens pour maintenir et tendre un tronçon de fil au voisinage de la pièce à usiner dans une zone d'étincelage emplie d'un diélectrique tel que l'eau, des moyens pour faire défiler le fil longitudinalement dans la zone d'étincelage, des moyens pour générer un courant d'étincelage entre le fil et la pièce à usiner, et des moyens pour produire un déplacement relatif du fil et de la pièce transversalement par rapport à la direction longitudinale du fil. En général, l'usinage par électroérosion s'effectue en plusieurs étapes successives. Au cours d'une première étape, on génère dans la zone d'usinage une forte énergie d'étincelage, pour réaliser une découpe rapide de la pièce afin de lui conférer sensiblement sa dimension définitive. Au cours d'une seconde étape, on génère dans la zone d'étincelage une énergie moyenne, et on effectue une seconde passe pour corriger la géométrie de la pièce et éliminer ainsi les défauts de géométrie dus à la forte énergie d'étincelage au cours de la première étape. Une passe complémentaire à énergie moyenne peut éventuellement être nécessaire pour corriger encore la géométrie. Au cours d'une troisième étape de finition, on génère une énergie faible dans la zone d'étincelage et on effectue une passe de finition au cours de laquelle les moyens de déplacement transversal relatif du fil et de la pièce suivent la forme déjà découpée de la pièce, et l'étincelage à énergie faible corrige ainsi la rugosité de la pièce. Il existe actuellement de nombreux types de fil pour électroérosion, qui se classent en deux familles principales. Dans la première famille, les fils ont une structure transversale généralement homogène, constituée par exemple de cuivre, de laiton, de tungstène, ou de molybdène. L'alliage choisi doit satisfaire aux exigences de conductivité électrique, de résistance mécanique. La conductivité est nécessaire pour l'amenée de l'énergie dans la zone d'étincelage. La résistance mécanique est nécessaire pour éviter la rupture du fil dans la zone d'étincelage. Si possible, l'alliage est choisi pour que le fil ait un comportement favorable à l'érosion, c'est-à-dire pour que le fil permette de réaliser une érosion rapide. La vitesse d'érosion maximale d'un fil est la limite de vitesse au-delà de laquelle le fil casse lorsqu'on augmente l'énergie d'étincelage pour accélérer l'érosion. Un autre paramètre important est la conformité de la pièce en terme de précision et d'état de surface de la pièce usinée. En général, chaque structure de fil confère une vitesse d'usinage, une précision d'usinage et un état de surface. Il est difficile de trouver un alliage permettant d'optimiser simultanément les trois paramètres de vitesse d'usinage, de précision d'usinage et d'état de surface. On a ainsi proposé des fils de laiton contenant 35 à 37 % de zinc, qui constituent un compromis économiquement acceptable, mais obtenu au prix d'une vitesse d'érosion relativement faible. La seconde famille de fils pour électroérosion comprend les fils revêtus, c'est-à-dire constitués d'une âme métallique revêtue d'une couche superficielle généralement homogène en métal ou alliage. Lors de l'usinage par étincelage érosif par fil, l'arc électrique formé entre la surface du fil et la surface de la pièce, au travers du diélectrique tel que l'eau, n'atteint pas le centre du fil, sous peine de rupture de ce dernier. L'usure du fil se fait par son revêtement. L'intérêt des fils revêtus est que l'on peut choisir l'âme du fil en fonction de ses propriétés électriques et mécaniques, et choisir le revêtement en fonction de ses propriétés érosives et de sa résistance de contact. Ainsi, dans le document FR 2 418 699, on a proposé de revêtir l'âme par un alliage de zinc, de cadmium, d'étain, de plomb, de bismuth ou d'antimoine. Le document enseigne que la vitesse d'usinage est améliorée par le revêtement. Les exemples enseignent un revêtement dont l'épaisseur est d'environ 15 Pm. Il s'avère toutefois qu'un tel fil d'électroérosion ne permet pas d'obtenir une précision d'usinage satisfaisante et en même temps un état de surface satisfaisant. La présente invention résulte d'une recherche visant à optimiser la structure d'un fil pour électroérosion, afin d'obtenir à la fois une grande vitesse d'érosion, une grande précision d'usinage et un état de surface satisfaisant. Pour cela, une observation, confirmant l'enseignement du document FR 2 418 699, a été de constater qu'une augmentation d'épaisseur d'un revêtement de zinc est favorable à la vitesse d'électroérosion. Une seconde observation a été de constater que, sur certaines machines d'usinage par électroérosion, l'obtention d'un état de surface fin nuit à la précision géométrique des pièces, pour un même fil, mais que cette précision peut être améliorée significativement par le choix judicieux de l'épaisseur du revêtement. Ainsi, le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure de fil électrode pour l'usinage par étincelage érosif permettant d'optimiser les trois paramètres de vitesse d'usinage, de précision d'usinage et d'état de surface. L'invention a également pour objet de proposer un procédé de fabrication d'un tel fil électrode, et de proposer une méthode d'usinage permettant d'optimiser les trois paramètres précités. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, l'invention prévoit un fil électrode pour usinage par étincelage érosif, comprenant une âme métallique revêtue d'une couche superficielle en zinc ou alliage de zinc, dans laquelle l'épaisseur de la couche superficielle est comprise entre 2 et 4 pm. On pourra avantageusement choisir et varier l'épaisseur de la couche superficielle en fonction du diamètre total du fil. Ainsi, pour un diamètre extérieur de fil de 0,25 mm à 0,30 mm environ, l'épaisseur de la couche superficielle peut avantageusement être comprise entre 3 et 4 pm. Par contre, pour un diamètre extérieur de fil qui est inférieur à 0,25 mm, l'épaisseur de la couche superficielle pourra avantageusement être comprise entre 2 et 3 pn environ. De bons résultats peuvent être obtenus en utilisant une couche superficielle constituée de l'un des métaux ou alliages suivants: Zn, Zn-Fe, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Cu. De préférence, la couche superficielle est continue, c'est-à-dire qu'elle ne laisse pas apparaître l'âme du fil. Cela permet d'améliorer la reproductibilité des étincelles dans la zone d'étincelage, et d'assurer une stabilité du procédé et une plus grande régularité de la surface usinée. Afin de garantir de bons contacts électriques, qui jouent un rôle sur la précision de la détection automatique du positionnement de la pièce à usiner par rapport à l'axe du fil dans l'étape de finition, on utilise une couche superficielle sensiblement dépourvue de zone de surface oxydée, et qui présente en conséquence un aspect métallique brillant. Selon l'invention, on peut avantageusement utiliser un fil électrode ainsi défini pour un procédé d'usinage d'une pièce par électroérosion. Ce procédé comprend une étape de finition de la pièce dans laquelle le fil électrode ayant une couche superficielle d'épaisseur comprise entre 2 et 4 pmn est déplacé progressivement pour suivre le contour de la pièce et pour corriger sa rugosité. La fabrication d'un fil électrode selon l'invention peut comprendre les étapes de: a. réaliser un revêtement provisoire d'épaisseur appropriée par dépôt électrolytique sur une ébauche d'âme métallique, b. mettre à dimension par étirage(s) et recuit(s) successifs du fil pour l'amener au diamètre final, l'épaisseur appropriée du revêtement provisoire et le diamètre approprié de l'ébauche d'âme étant choisis de façon que, après étirage(s), le fil présente le diamètre total recherché et une épaisseur de couche superficielle définitive comprise entre 2 et 4 pn environ. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique de face d'une machine d'électroérosion à fil; - la figure 2 est une vue de dessus illustrant le processus d'électroérosion sur la machine de la figure 1; la figure 3 illustre en vue de dessus la pièce usinée des figures 1 et 2; et - la figure 4 est une vue schématique en perspective, à grande échelle d'un fil électrode selon un mode de réalisation de la présente invention. On considère tout d'abord les figures 1 à 3, qui illustrent un procédé d'usinage par étincelage érosif au moyen d'un fil. La machine d'électroérosion telle qu'illustrée sur la figure 1 comprend essentiellement une enceinte 1 d'usinage contenant un diélectrique tel que de l'eau, des moyens tels que des poulies 2 et 3 et des guides fils 20 et 30 pour tenir un fil électrode 4 et le tendre dans une zone d'étincelage 5 à l'intérieur de l'enceinte 1, un support de pièce 6 et des moyens 7 pour déplacer le support de pièce 6 par rapport au fil électrode 4 dans la zone d'étincelage 5. La pièce à usiner 8, tenue par le support de pièce 6, est placée dans la zone d'étincelage 5. Les guides fils 20, 30 sont de part et d'autre de la pièce à usiner 8, et guident le fil électrode 4 avec précision. Ils ont pour cela une position proche de la pièce à usiner 8, et leur diamètre est peu supérieur à celui du fil électrode 4, par exemple un diamètre de 254 pm pour un fil électrode 4 de 250 pm. Le fil électrode 4 défile longitudinalement comme indiqué par la flèche 9 dans la zone d'étincelage 5 au regard de la pièce à usiner 8. Un générateur électrique 10, connecté électriquement d'une part au fil électrode 4 par une ligne 18 et la poulie 2 conductrice de l'électricité, et d'autre part à la pièce à usiner 8 par une ligne 19, génère dans la zone d'étincelage 5 une énergie électrique appropriée pour faire apparaître des arcs électriques entre la pièce à usiner 8 et le fil électrode 4. La machine comprend des moyens de commande pour adapter l'énergie électrique, la vitesse de défilement du fil électrode 4, et le déplacement de la pièce à usiner 8 en fonction des étapes d'usinage. Comme on le voit sur la figure 2, par déplacement de la pièce à usiner dans une direction transversale selon la flèche 11, l'étincelage érosif produit progressivement la pénétration du fil électrode 4 dans la masse de la pièce à usiner 8 qui est conductrice de l'électricité, et produit une fente 12. Ensuite, par déplacement de la pièce à usiner 8 dans le sens de la flèche 13, on produit une découpe perpendiculaire, pour réaliser finalement une pièce telle qu'illustrée sur la figure 3, avec une première facette 14 et une seconde facette 15 usinées. On comprend qu'une énergie électrique élevée générée par le générateur électrique 10 permet un étincelage rapide et permet donc un déplacement plus rapide de la pièce à usiner par rapport au fil électrode 4, pour un usinage rapide. Toutefois, du fait du caractère discontinu de la génération des étincelles érosives, l'augmentation de rapidité des déplacements affecte la précision géométrique de la pièce usinée, et affecte l'état de surface des facettes 14 et 15 usinées. Selon l'invention, un meilleur compromis peut être obtenu en utilisant un fil électrode particulier, tel qu'illustré sur la figure 4 à plus grande échelle. Le fil électrode selon l'invention comprend une âme métallique 16 dont la composition est choisie en fonction des propriétés mécaniques et électriques recherchées du fil électrode 4. On pourra par exemple utiliser une âme en fer pour favoriser la résistance à la traction du fil électrode 4, une âme en nickel ou alliage de nickel, une âme en cuivre, une âme en laiton. Le choix est à la portée de l'homme du métier. L'âme métallique 16 est revêtue d'une couche superficielle 17 en zinc ou alliage de zinc dont l'épaisseur E est comprise entre 2 et 4 im. Lorsque l'épaisseur de la couche superficielle est supérieure à 4 pm environ, la précision des pièces à usiner 8 est réduite. Par exemple, pour une pièce d'acier de 50 mm de haut, une épaisseur de couche superficielle de 7 pm peut induire une erreur de cote de pièce de 4 à 6 pm environ, tandis qu'une épaisseur de couche superficielle inférieure ou égale à 4 pm conduira à une erreur éventuelle de cotes de 1 à 2 pm seulement. En-dessous de 4 pm, la précision des pièces n'est pratiquement plus affectée par l'épaisseur de la couche superficielle. Ensuite, la vitesse d'usinage étant une fonction croissante de l'épaisseur de la couche superficielle, il n'y a pas intérêt à réduire cette épaisseur en dessous de la plage satisfaisante. Pour cette raison, selon l'invention, on choisira avantageusement une épaisseur de couche superficielle comprise entre 2 et 4 pm. Cette épaisseur peut être adaptée au diamètre extérieur du fil. Pour un fil dont le diamètre extérieur D est de 0,25 mm à 0,30 mm environ, l'épaisseur E de la couche superficielle 17 pourra être comprise entre 3 et 4 pm. Pour un fil dont le diamètre extérieur D est inférieur à 0,25 mm, l'épaisseur E de la couche superficielle 17 pourra être comprise entre 2 et 3 pm environ. La couche superficielle 17 peut être constituée de divers métaux ou alliage. De bons résultats ont été obtenus avec des métaux ou alliages suivants: Zn, Zn-Fe, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Cu. De préférence, comme illustré sur la figure 4, la couche superficielle 17 est continue, c'est-à-dire qu'elle ne laisse pas apparaître l'âme métallique 16 du fil selon sa surface latérale. De préférence, la couche superficielle 17 est sensiblement dépourvue de zone de surface oxydée, et elle présente en conséquence un aspect métallique brillant. Pour la fabrication d'un tel fil électrode selon l'invention, on peut avantageusement utiliser un procédé comprenant les étapes de: a. réaliser un revêtement provisoire d'épaisseur appropriée par dépôt électrolytique sur une ébauche d'âme métallique de diamètre approprié; l'épaisseur appropriée du revêtement provisoire est supérieure à l'épaisseur de la couche superficielle définitive à obtenir; de même, le diamètre approprié de l'âme métallique est supérieur au diamètre définitif de l'âme dans le fil à obtenir; b. ensuite, on met à dimension le fil par étirage(s) et recuit(s) successifs, pour l'amener au diamètre final et obtenir les propriétés mécaniques souhaitées telles que charge à la rupture, allongement à la rupture, rectitude. Ainsi, on choisit l'épaisseur appropriée de revêtement provisoire de façon que, après étirage(s), l'épaisseur E de couche superficielle 17 définitive soit comprise entre 2 et 4 pm environ. De même, on choisit le diamètre approprié de l'ébauche d'âme de façon que, après étirage, le diamètre de l'âme soit tel que le diamètre total D du fil soit égal au diamètre total recherché. L'invention préconise d'utiliser un fil électrode défini ci-dessus pour usiner une pièce par électroérosion. Lors d'un tel usinage, on réalise une étape de finition de la pièce, étape au cours de laquelle le fil ayant une couche superficielle 17 d'épaisseur E comprise entre 2 et 4 pm est déplacé progressivement pour suivre le contour de la pièce et pour corriger sa rugosité. Par l'utilisation d'un fil dont la couche superficielle 17 a une épaisseur comprise entre 2 et 4 pm environ, on réalise le meilleur compromis entre la vitesse d'usinage, la précision des pièces et leur état de surface. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Fil électrode pour usinage par étincelage érosif, comprenant une âme métallique (16) revêtue d'une couche superficielle (17) en zinc ou alliage de zinc, caractérisé en ce que l'épaisseur (E) de la couche superficielle (17) est comprise entre 2 et 4 pim environ. 2 - Fil électrode selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour un diamètre extérieur (D) de fil de 0,25 mm à 0,30 mm environ, l'épaisseur (E) de la couche superficielle (17) est comprise entre 3 et 4 pm. 3 - Fil électrode selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour un diamètre extérieur de fil inférieur à 0,25 mm, l'épaisseur (E) de la couche superficielle (17) est comprise entre 2 et 3 pm. 4 - Fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche superficielle (17) est constituée de l'un des métaux ou alliages suivants: Zn, Zn-Fe, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Cu. - Fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche superficielle (17) est continue, de sorte qu'elle ne laisse pas apparaître l'âme métallique (16) du fil. 6 - Fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche superficielle (17) est sensiblement dépourvue de zone de surface oxydée, et présente en conséquence un aspect métallique brillant. 7 - Utilisation d'un fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour un procédé d'usinage d'une pièce (8) par électroérosion, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de finition de la pièce à usiner (8) dans laquelle le fil électrode (4) ayant une couche superficielle (17) d'épaisseur (E) comprise entre 2 et 4 pm est déplacé progressivement (11, 13) pour suivre le contour de la pièce à usiner (8) et pour corriger sa rugosité. 8 - Procédé de fabrication d'un fil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: a. réaliser un revêtement provisoire d'épaisseur appropriée par dépôt électrolytique sur une ébauche d'âme métallique de diamètre approprié; b. mettre à dimension par étirage(s) et recuit(s) successifs du fil pour l'amener au diamètre final, l'épaisseur appropriée du revêtement provisoire et le diamètre approprié de l'ébauche d'âme étant choisis de façon que, après étirage(s), le fil présente le diamètre total (D) recherché et une épaisseur (E) de couche superficielle (17) définitive comprise entre 2 et 4 pn environ.