Brevet FR2833875A1 — publié le 20030627

FIL POUR ELECTROEROSION A GRANDE VITESSE D'USINAGE La présente invention concerne les fils électrodes utilisés pour l'usinage par étincelage érosif, permettant la découpe ou la finition de pièces conductrices de l'électricité. 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. 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. En général, chaque structure de fil confère une vitesse d'usinage, une précision d'usinage et un 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 une âme de cuivre ou de laiton 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. L'exemple est une âme en cuivre revêtue d'un revêtement dont l'épaisseur est d'environ 15 um pour un diamètre total de 180 um. Il s'avère toutefois qu'un tel fil d'électroérosion ne permet pas d'obtenir une vitesse d'usinage optimale, et un besoin existe pour augmenter encore cette vitesse. La présente invention résulte d'une recherche visant à optimiser la structure d'un fil pour électroérosion, afin d'obtenir une grande vitesse d'érosion. Pour cela, une première observation enseignée par le document EP 0 185 492 est qu'une augmentation d'épaisseur d'un revêtement d'alliage zinc sur une âme en acier plaqué de cuivre est favorable à la vitesse d'électroérosion, mais pas au-delà d'une épaisseur de 15 um pour un diamètre total de 200 um. Une seconde observation est que, sur certaines machines d'usinage par électroérosion, la vitesse d'usinage peut parfois être encore augmentée si le métal de la couche superficielle est un laiton obtenu par diffusion thermique du zinc périphérique avec une couche sous-jacente contenant du cuivre. Ensuite, dans les fils à couche superficielle en alliage de cuivre et de zinc diffusé, on a constaté qu'une augmentation de l'épaisseur de la couche superficielle sur une âme en laiton à 37 % de zinc tend à réduire la vitesse d'usinage, ce qui est contraire au but recherché. Ainsi, des essais de découpe d'une pièce d'acier de 50 mm ont été effectués d'une part avec un fil ayant une structure homogène en laiton à 37 % de zinc, d'autre part avec un fil ayant une âme en laiton à 37 % de zinc recouverte d'une couche superficielle d'alliage de zinc et de cuivre diffusé par traitement thermique. Les diamètres des fils et les conditions d'usinage étant identiques, les vitesses d'usinage (en mm2/min) ont été respectivement dans les proportions de 98 pour le fil homogène et 67 pour le fil à couche superficielle, montrant l'effet négatif de la couche superficielle. 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'augmenter sensiblement la vitesse d'usinage par électroérosion, pour un diamètre donné, et dans des conditions d'usinage données. 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'augmenter la vitesse d'usinage. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention part de l'observation surprenante selon laquelle, lorsque l'âme est en cuivre non allié, une augmentation d'épaisseur de couche superficielle en laiton diffusé produit une augmentation sensible de la vitesse d'usinage. Ainsi, l'invention prévoit un fil électrode pour usinage par étincelage érosif, comprenant une âme métallique revêtue d'une couche d'enrobage en alliage de zinc diffusé, dans lequel : - l'âme est en cuivre non allié, - la couche d'enrobage est en alliage de zinc et de cuivre diffusé, - l'épaisseur de la couche d'enrobage en alliage de cuivre et de zinc est supérieure à 10 % du diamètre du fil électrode. De bons résultats peuvent par exemple être obtenus, pour un diamètre D de fil électrode de 0,25 mm, avec une épaisseur E de la couche d'enrobage supérieure ou égale à 25 microns ; pour un fil électrode de diamètre D 0,30 mm, l'épaisseur E de la couche d'enrobage peut avantageusement être supérieure ou égale à 30 microns ; pour un fil électrode de diamètre D 0,33 mm, l'épaisseur E de la couche d'enrobage peut avantageusement être supérieure ou égale à 33 microns ; et pour un fil électrode de 0,35 mm de diamètre D, l'épaisseur E de la couche d'enrobage peut avantageusement être supérieure ou égale à 35 microns. Le cuivre constituant l'âme est un cuivre non allié, dont la pureté est définie dans la norme NF A 51 050. Le cuivre non allié préconisé présente une conductivité électrique d'environ 100 % IACS, soit 58 Méga Siemens/mètre à 20 C. A 20 C, la conductivité électrique de l'âme de cuivre non allié, écrouie par tréfilage, est de l'ordre de 99 % IACS. Selon l'invention, on préconise l'emploi d'un cuivre choisi parmi la famille suivante des cuivres recommandés, désignés par leurs références selon la norme NF A 51050, en indiquant entre parenthèses les références ISO correspondantes : Cu-al (Cu-ETP) ; Cu-a2 (Cu-FRHC) ; Cu-b2 (CuDLP) ; Cu-Cl (Cu-OF) ; Cu-c2 (Cu-OFE). La conductivité électrique de l'âme de cuivre non allié écrouie par tréfilage évite l'échauffement excessif du fil électrode lors de l'étincelage, et le protège ainsi de la rupture, contrairement aux cuivres microalliés. La conductivité électrique globale du fil électrode est la somme des conductivités de l'âme et de la couche d'enrobage, multipliées par leurs surfaces respectives dans la section du fil. Le fil électrode selon l'invention présente une conductivité électrique d'au moins 60 % IACS (60 % de la conductivité normalisée du cuivre pur recuit). A défaut de cela, on constate une diminution progressive de la vitesse d'électroérosion. De façon plus précise, on a pu constater que la conductivité électrique globale du fil électrode peut avantageusement être comprise entre 65 % IACS et 75 % IACS. En dessous de 65 % IACS, les performances de découpe par étincelage érosif ne sont pas optimales faute d'une conductivité suffisante du fil électrode. Celui-ci casse plus facilement par échauffement dans la zone d'étincelage. Cela est dû à la fois à l'effet Joule, plus intense, et à un moindre refroidissement lié à la plus faible conductivité thermique. Au dessus de 75 %, on ne peut obtenir le type de fil électrode souhaité, car on est obligé de réduire l'épaisseur de la couche diffusée en deçà de 10 % du diamètre du fil électrode. Pour obtenir ces valeurs de conductivité, deux paramètres sont disponibles à l'opérateur lors de la fabrication du fil électrode : l'épaisseur de la couche de zinc initialement déposée, et l'importance du traitement thermique réalisant la diffusion du zinc et du cuivre. L'opérateur choisit donc ces deux paramètres de façon appropriée, sans difficulté. La conductivité électrique globale recommandée du fil électrode est de l'ordre de 69 % IACS, et correspond à une couche diffusée épaisse d'environ 35 um pour un fil électrode de 0,33 mm. Dans ce cas, le coefficient ss de variation de la résistivité globale du fil électrode par rapport à la température est 0,0034 ou-1. Rappelons que la résistivité R (T) d'un fil est affectée par la température selon la loi R (T)/Ro = 1 + P (T-To), R (T) étant la résistivité à la température T considérée, Ro étant la résistivité du fil à la température de référence To. Pour un fil électrode défini ci-dessus, de meilleures propriétés d'électroérosion sont obtenues lorsque la couche d'enrobage est en alliage de cuivre et de zinc en phases a, ss ou ss'. La teneur en zinc est alors comprise entre 35 % et 57 %, de préférence comprise entre 35 % et 50 % en poids. Sur des fils électrodes testés, et donnant satisfaction, on a relevé des teneurs en zinc de 45,7 %, 41,5 % et 35,4 %, et une teneur en oxygène de 0,5 % sous forme d'oxydes de zinc ou de cuivre. Les phases présentes dans la couche superficielle étaient les phases a, ss et ss'du diagramme cuivre-zinc. La fabrication d'un fil électrode tel que défini ci-dessus peut comprendre les étapes de : a. prévoir un fil d'âme en cuivre non allié de diamètre supérieur au diamètre du fil à réaliser, b. recouvrir le fil d'âme avec du zinc pur selon une épaisseur appropriée, c. soumettre le fil d'âme recouvert à un traitement thermique de diffusion, pour réaliser une couche d'enrobage, d. tréfiler pour amener le fil électrode au diamètre final, la couche d'enrobage ayant alors une épaisseur supérieure à 10 % du diamètre final du fil électrode. De préférence, lors de l'étape b, le zinc est déposé sur le fil d'âme en cuivre par dépôt électrolytique. Après l'étape de diffusion (c) ou après l'étape de tréfilage (d), on peut en outre recouvrir le fil électrode d'une mince couche superficielle de contact, par exemple en zinc, cuivre, nickel, argent ou or. Selon l'invention, on peut avantageusement utiliser un fil électrode ainsi défini pour un procédé d'usinage d'une pièce par électroérosion. Dans ce cas, dans une machine d'usinage à générateur électrique produisant l'énergie électrique d'étincelage, le générateur est réglé pour produire l'énergie d'étincelage maximale compatible avec la capacité d'usinage du fil électrode sans rupture, permettant ainsi d'augmenter la vitesse d'usinage. 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 électrode. 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 um pour un fil électrode 4 de 250 um. 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 un contact 18a qui touche le fil électrode 4 lors de son passage dans le diélectrique de l'enceinte 1 entre la poulie 2 et le guide fil 20, 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. En effet, le déplacement de la pièce doit suivre l'érosion produite par les étincelles, sans excès. Une vitesse trop lente réduit la vitesse d'usinage. Une vitesse trop rapide produit le contact du fil et de la pièce, et l'arrêt de la machine par suite du court-circuit. Mais l'énergie électrique produit un échauffement du fil dans la zone d'usinage, et l'augmentation de cette énergie augmente simultanément les risques de rupture du fil. Ainsi, pour une structure donnée du fil électrode, la vitesse d'usinage maximale est obtenue pour l'énergie électrique juste inférieure à l'énergie provoquant la rupture du fil électrode. Considérons maintenant à nouveau les essais qui ont permis la conception de la présente invention. Des essais d'usinage par électroérosion ont été effectués sur une machine de marque Charmilles Robofil 2020, en régime de découpe E3, avec une pièce d'acier de 50 mm de hauteur. Un premier essai comparatif a été fait d'une part avec un fil électrode en laiton à 37 % de zinc, d'autre part avec un fil électrode dont l'âme en laiton à 37 % de zinc est recouverte d'une couche de 8 microns d'alliage de cuivre et de zinc obtenu par un traitement thermique de diffusion. Les deux fils électrodes avaient le même diamètre final de 0,25 mm. En vitesse d'usinage relative, le fil électrode de laiton a permis une vitesse d'usinage de 98, tandis que le fil électrode à âme'en laiton recouverte d'alliage de zinc et de cuivre diffusé n'a permis une vitesse que de 67. Un second essai comparatif a été réalisé en utilisant d'une part un fil électrode dont l'âme est un alliage de cuivre et de zinc à 80 % de cuivre, avec une couche d'enrobage de 20 microns d'alliage de cuivre et de zinc diffusé, et d'autre part avec un fil électrode dont l'âme est en cuivre recouverte d'une couche de 14 microns d'alliage de cuivre et de zinc diffusé. Les deux fils électrodes ont permis un usinage selon les vitesses relatives de 109 et 125 respectivement. Cela montre l'avantage d'une âme en cuivre, qui usine plus vite que l'âme en laiton même si la couche d'enrobage est plus fine. Un troisième essai a utilisé successivement trois fils électrodes ayant une âme en cuivre, avec des couches d'enrobage en alliage de cuivre et de zinc diffusé respectivement de 11 microns, 14 microns et 28 microns, pour un diamètre de fil de 0,25 mm. Les vitesses relatives qui ont été obtenues sont respectivement de 115, 125 et 133. On constate qu'à puissance d'étincelage identique, une plus grande épaisseur de la couche diffusée accélère la découpe, dans les cas des fils électrodes à âme en cuivre. Mettant à profit ces résultats, l'invention permet d'obtenir une meilleure vitesse d'usinage 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 16 en cuivre, revêtue d'une couche d'enrobage 17 en alliage de cuivre et de zinc diffusé dont l'épaisseur E est supérieure à 10 % du diamètre D du fil électrode. On peut avoir avantage à augmenter fortement l'épaisseur E de la couche d'enrobage. Toutefois, on trouve une limite dans les capacités de déformation relative des métaux lors du tréfilage permettant de mettre à dimension le fil électrode : une épaisseur trop importante de couche d'enrobage risque de conduire à un décollement de la couche d'enrobage par rapport à l'âme lors du tréfilage, ce qui affecte les propriétés de production et d'utilisation du fil électrode. Le tréfilage reste aisément réalisable lorsque l'épaisseur relative de la couche d'enrobage est inférieure à environ 15 % du diamètre final D. L'interface entre l'âme et la couche d'enrobage est en général déformée par l'opération de tréfilage, ce qui lui enlève naturellement le caractère lisse et lui confère une légère irrégularité. Cette irrégularité n'est pas gênante pour le processus d'électroérosion. On peut avantageusement ajouter sur le fil électrode une couche superficielle 21 de contact, par exemple en zinc, cuivre, nickel, argent ou or, améliorant la conduction électrique entre le fil électrode 4 et le contact 18a, et améliorant la stabilité de l'étincelage. La surface du fil électrode peut être recouverte d'une couche d'oxyde, résultant des étapes de fabrication. Il n'est pas indispensable de supprimer cette couche, bien que cela soit possible. Cette couche peut être uniforme ou non. La surface du fil électrode peut être fissurée, sans que cela réduise la vitesse d'usinage. Le fil électrode obtenu selon l'invention est généralement de couleur jaune-brun. La surface du fil électrode doit être relativement propre, avec peu de traces de lubrifiants de tréfilage ou autres salissures. Un fil électrode selon l'invention peut être réalisé selon un procédé comprenant les étapes : a. prévoir un fil d'âme en cuivre non allié de diamètre Dl supérieur au diamètre D du fil à réaliser, b. recouvrir le fil d'âme avec du zinc pur selon une épaisseur appropriée permettant ensuite de réaliser l'épaisseur finale ; c. soumettre le fil d'âme recouvert à un traitement thermique de diffusion, réalisant une couche d'enrobage 17 ; d. tréfiler pour amener le fil électrode au diamètre final D, la couche d'enrobage 17 ayant alors une épaisseur E supérieure à 10 % du diamètre final D du fil électrode. 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 (16) métallique revêtue d'une couche d'enrobage (17) en alliage de zinc diffusé, caractérisé en ce que : - l'âme (16) est en cuivre non allié, - la couche d'enrobage (17) est en alliage de zinc et de cuivre diffusé, - l'épaisseur (E) de la couche d'enrobage (17) en alliage de cuivre et de zinc est supérieure à 10 % du diamètre (D) du fil électrode. 2-Fil électrode selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conductivité électrique globale du fil électrode est comprise entre 65 % IACS et 75 % IACS. 3-Fil électrode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la conductivité électrique globale du fil électrode est voisine de 69 % IACS. 4-Fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cuivre non allié constituant l'âme (16) est choisi parmi la famille des cuivres recommandés : Cu-al (Cu-ETP) ; Cu-a2 (Cu-FRHC) ; Cu-b2 (Cu-DLP) ; Cu-Cl (Cu-OF) ; Cu-c2 (Cu-OFE). 5-Fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que : - pour un diamètre (D) de fil électrode de 0,25 mm, l'épaisseur (E) de la couche d'enrobage est supérieure ou égale à 25 microns, - pour un diamètre (D) de fil électrode de 0,30 mm, l'épaisseur (E) de la couche d'enrobage est supérieure ou égale à 30 microns, - pour un diamètre (D) de fil électrode de 0,33 mm, l'épaisseur (E) de la couche d'enrobage est supérieure ou égale à 33 microns, - pour un diamètre (D) de fil électrode de 0,35 mm, l'épaisseur (E) de la couche d'enrobage est supérieure ou égale à 35 microns. 6-Fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche d'enrobage (17) est en alliage de cuivre et de zinc en phases a, P ou p', la teneur en zinc étant alors comprise entre 35 % et 57 %, de préférence comprise entre 35 % et 50 % en poids. 7-Fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche d'enrobage (17) est revêtue d'une mince couche superficielle (21) de contact en zinc, en cuivre, en nickel, en argent ou en or. 8-Procédé de réalisation d'un fil électrode pour étincelage érosif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes : a. prévoir un fil d'âme en cuivre non allié de diamètre (Dl) supérieur au diamètre (D) du fil à réaliser, b. recouvrir le fil d'âme avec du zinc pur selon une épaisseur appropriée, c. soumettre le fil d'âme recouvert à un traitement thermique de diffusion pour réaliser une couche d'enrobage (17), d. tréfiler pour amener le fil électrode au diamètre final (D), la couche d'enrobage (17) ayant alors une épaisseur (E) supérieure à 10 % du diamètre final (D) du fil électrode. 9-Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, lors de l'étape b, le zinc est déposé sur le fil d'âme en cuivre par dépôt électrolytique. 10-Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'on recouvre le fil électrode d'une mince couche superficielle (21) de contact en zinc, cuivre, nickel, argent ou or, après l'étape de diffusion (c) ou après l'étape de tréfilage (d). 11-Utilisation d'un fil électrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour un procédé d'usinage d'une pièce par électroérosion dans une machine d'usinage à générateur électrique produisant l'énergie électrique d'étincelage, caractérisée en ce que le générateur est réglé pour produire l'énergie d'étincelage maximale compatible avec la capacité d'usinage du fil électrode sans rupture, permettant ainsi d'augmenter la vitesse d'usinage.