Brevet FR2936727A1 — publié le 20100409

12FDEPdoc 2936727 La présente invention concerne les fils électrodes utilisés pour couper des métaux ou des matériaux conducteurs de l'électricité, par électroérosion dans une machine à électroérosion. La plupart des machines d'électroérosion modernes sont conçues pour 5 utiliser des fils de laiton nu, généralement de 0,25 mm de diamètre, et de charge à rupture comprise entre 400 et 1 000 N/mm2. Les fils pour électroérosion doivent être conducteurs de l'électricité. Ils agissent par décharge électrique érosive entre le fil et une pièce conductrice à usiner, dans un milieu diélectrique contrôlé à base d'eau. 10 L'obtention d'une précision d'usinage, notamment la réalisation de découpes d'angle à faible rayon, nécessite d'utiliser des fils de petit diamètre et supportant une grande charge mécanique à la rupture pour être tendus dans la zone d'usinage et limiter l'amplitude des vibrations transversales. On peut alors être tenté d'utiliser un fil dont au moins une portion centrale est en acier, afin 15 d'augmenter la charge à la rupture. L'usinage par électroérosion étant un procédé relativement lent, il y a simultanément un besoin pour maximiser la vitesse d'usinage. On comprend que cette vitesse dépend directement de l'énergie d'étincelage dégagée dans la zone d'usinage entre le fil et la pièce à usiner, et dépend donc de l'énergie électrique 20 que peut conduire le fil jusqu'à la zone d'usinage. Mais les décharges érosives dans la zone d'usinage, et l'effet Joule produit par le courant électrique traversant le fil, tendent à échauffer le fil et à réduire ainsi sa charge à la rupture. Pour réduire la fusion du fil lors de l'électroérosion et ainsi améliorer la vitesse d'usinage par électroérosion, on a déjà proposé d'utiliser des fils à âme en 25 laiton revêtue de zinc ou d'alliage de zinc. On connaît déjà un fil électrode pour usinage par électroérosion réalisé à partir d'une âme en laiton recouverte d'une couche superficielle en zinc. Lors de la fabrication, le fil est échauffé pour obtenir par diffusion une couche intermédiaire d'alliage entre le cuivre de l'âme et le zinc de la couche superficielle. De 30 préférence, le traitement thermique est choisi de façon à produire un alliage de cuivre et de zinc en phase y, contenant environ 60 % de zinc. Une étape ultérieure de tréfilage provoque la fracturation de la couche d'alliage en phase y. Un problème est que le zinc de la couche superficielle est en contact direct avec l'atmosphère et qu'il s'oxyde et s'évapore lors du traitement thermique 35 nécessaire pour la diffusion qui crée l'alliage de la couche intermédiaire. Un second problème est que cette diffusion est relativement lente et ralentit le processus de fabrication à l'échelle industrielle. Un troisième problème est que la 12FDEP.doc 2 diffusion est difficile à contrôler en continu, et que d'éventuelles dérives ou dispersions du procédé conduisent à des rebuts très onéreux. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir un fil électrode pour usinage par électroérosion qui présente une vitesse d'érosion élevée pour permettre un usinage par électroérosion rapide, et qui puisse être produit à l'échelle industrielle à plus faible coût et de manière plus simple. L'invention propose en outre un procédé de fabrication d'un tel fil électrode pour usinage par électroérosion qui soit simple et peu coûteux. L'idée qui est à la base de l'invention est de réaliser un fil électrode dont le revêtement susceptible de s'user par électroérosion est en alliage contenant une proportion accrue de zinc tout en présentant une structure similaire à celle de l'alliage de cuivre et de zinc en phase y. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention propose donc un fil électrode pour usinage par électroérosion, comprenant une âme en métal ou alliage et au moins une couche de revêtement à base d'alliage de zinc, dans lequel : - l'alliage de zinc de la couche de revêtement est un alliage de zinc et de l'un au moins des métaux comprenant le fer, le cobalt et le nickel, - l'alliage de zinc de la couche de revêtement est, à température ambiante, en phase y ou ô, - l'alliage de zinc de la couche de revêtement est fracturé. L'utilisation d'un alliage de zinc pour constituer la couche de revêtement, au lieu du zinc seul, permet d'utiliser l'avantage principal du zinc, à savoir la réduction de l'échauffement du fil pour améliorer la vitesse d'usinage, et d'éviter son inconvénient majeur, à savoir son oxydation quand le zinc est au contact de l'atmosphère. L'utilisation d'un alliage de zinc en phase y ou ô à température ambiante est avantageuse car un tel alliage contient une proportion optimale de zinc, et assure ainsi une meilleure limitation de l'échauffement du fil lors de l'électroérosion. En outre, de tels alliages présentent une haute température de fusion, ce qui réduit l'usure du fil lors de l'électroérosion. Le fait d'avoir une couche de revêtement fracturée améliore la qualité de l'étincelage produit et donc la précision et la régularité de l'usinage réalisé. On a constaté qu'un tel fil d'électroérosion permet d'obtenir un gain de vitesse d'électroérosion d'environ 30 % par rapport à un fil de laiton, et un gain de rugosité d'environ 30 % par rapport à ce même fil de laiton. Simultanément, le fil est très simple à réaliser. I2FDEP.doc 3 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on peut prévoir que la couche de revêtement est en alliage de zinc et de fer, avec une proportion en poids de fer de 8% à 30%. La température de fusion d'un tel alliage est d'environ 780°C. De plus, 5 le fer est un métal peu coûteux. Selon un second mode de réalisation de l'invention, on peut prévoir que la couche de revêtement est en alliage de zinc et de cobalt, avec une proportion en poids de cobalt de 7% à 25%. La température de fusion d'un tel alliage est d'environ 895°C. 10 Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, on peut prévoir que la couche de revêtement est en alliage de zinc et de nickel, avec une proportion en poids de nickel de 10% à 26%. La température de fusion d'un tel alliage est d'environ 880°C. Les trois modes de réalisation ci-dessus assurent l'obtention d'un 15 alliage à forte teneur en zinc qui est en phase y ou b à température ambiante. De façon avantageuse, on peut prévoir que l'épaisseur moyenne de ladite couche de revêtement est supérieure à 3 �m. Un tel fil électrode permet d'obtenir un étincelage stable avec des puissances élevées d'étincelles et avec une fusion faible de la couche de 20 revêtement. De façon avantageuse, on peut prévoir que l'épaisseur moyenne de ladite couche de revêtement est inférieure à 20 �m. Ceci permet un usinage plus rapide. En effet, on a constaté qu'une épaisseur moyenne de couche de 25 revêtement supérieure à 20 �m conduit à diminuer la vitesse d'usinage par électroérosion. Avantageusement, on peut prévoir que l'âme en métal ou alliage présente une dureté inférieure à 150 HV. Une telle dureté permet de réaliser une structure de revêtement correcte 30 quelle que soit la composition de l'âme. De façon avantageuse, on peut prévoir que le fil électrode comprenne en outre une couche superficielle en métal plus ductile que l'alliage de la couche de revêtement. La ductilité de la couche superficielle évite la création de poudre 35 polluante lors du tréfilage et de l'utilisation du fil électrode. De plus, elle limite l'usure et l'encrassement des guidages de fils électrodes dans les machines d'électroérosion. 5212FDEP.doc 2936727 4 Avantageusement, on peut prévoir que le métal de la couche superficielle est le zinc. La présence de zinc en couche superficielle augmente encore la vitesse de l'usinage, et améliore l'efficacité du fil en étape de finition en réduisant la 5 rugosité des pièces usinées. On peut prévoir que la couche superficielle de métal ductile présente une épaisseur moyenne d'environ 5 �m. L'invention propose, selon un second aspect, un procédé de fabrication d'un fil électrode tel que défini ci-dessus. 10 On peut songer à réaliser le fil électrode par un co-dépôt électrolytique de zinc et d'un métal tel que le cobalt ou le nickel. Ce procédé évite un traitement thermique et les problèmes d'oxydation et d'évaporation qui sont liés à un tel traitement thermique, et évite également les temps de diffusion très importants. Si ce co-dépôt électrolytique est réalisé sur des fils électrodes au diamètre final, c'est- 15 à-dire entre 0,05 mm et 0,35 mm, le procédé est alors peu productif, et le revêtement n'est pas fracturé. On peut alors préférer réaliser le co-dépôt électrolytique sur un fil de plus gros diamètre, à savoir 0,5 à 1,5 mm. La couche électrodéposée est dure et se fracture lors d'un tréfilage ultérieur qui permet de ramener le fil à son diamètre final 20 utile. L'invention propose donc un procédé qui comprend les étapes suivantes : a) prévoir une âme en métal ou alliage, b) recouvrir l'âme par co-dépôt électrolytique d'un alliage de zinc et de l'un au 25 moins des métaux comprenant le fer, le cobalt et le nickel, pour réaliser une couche de revêtement en phase y ou ô, c) soumettre le fil obtenu à un tréfilage. Ce procédé comprend des étapes simples à mettre en oeuvre, plus rapides et moins nombreuses que dans le cas d'un procédé à traitement thermique 30 pour diffusion. Le coût de production du fil électrode selon l'invention est ainsi réduit. Comme aucun traitement thermique ne doit être effectué, la qualité de la couche de revêtement est constante. Le co-dépôt électrolytique permet d'ajuster de façon précise l'épaisseur de matière déposée. 35 Le tréfilage ultérieur provoque la fracturation de la couche de revêtement en phase y ou b, du fait que l'alliage en phase y ou b est dur et peu malléable. 5212FDEP.doc 2936727 Pour réaliser un fil d'électroérosion procurant des performances encore améliorées en vitesse d'électroérosion et en état de surface, on peut prévoir que le procédé comprend en outre, préalablement à l'étape de tréfilage c), l'étape de recouvrir la couche de revêtement d'une couche superficielle de métal plus ductile 5 que l'alliage de la couche de revêtement, tel que le zinc. 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 en coupe d'un fil électrode pour électroérosion selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un fil électrode pour électroérosion selon un second mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 est un diagramme d'équilibre de l'alliage Co-Zn ; - la figure 4 est un diagramme d'équilibre de l'alliage Fe-Zn ; - la figure 5 est un diagramme d'équilibre de l'alliage Ni-Zn ; et - la figure 6 est un diagramme comparant les vitesses d'usinage par électroérosion de plusieurs fils dont trois fils selon l'invention. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, un fil électrode 1 comprend une âme 2 en cuivre et une couche de revêtement 3 autour de l'âme 2. La couche de revêtement 3 est en alliage de zinc et de fer, cobalt ou nickel, en phase y ou b, fracturé. L'âme 2 présente un diamètre DO, la couche de revêtement 3 présente une épaisseur E3. Dans le mode de réalisation de cette figure 1, DO est égal à environ 0,3 mm. Du fait de la fracturation en blocs, l'épaisseur E3 de la couche de revêtement 3 varie en fonction des zones considérées, dans une fourchette d'environ 0�m à environ 10 �m, avec une moyenne d'environ 3 �m. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, un fil électrode 1 comprend une âme 2 en laiton CuZn37, une couche de revêtement 3 autour de l'âme 2, et une couche superficielle 4 autour de la couche de revêtement 3. La couche de revêtement 3 est en alliage de zinc et de fer, cobalt ou nickel, en phase y ou b, fracturé. L'âme 2 présente un diamètre DO, la couche de revêtement 3 présente une épaisseur E3, la couche superficielle 4 présente une épaisseur E4. Dans le mode de réalisation de cette figure 2, DO est égal à environ 0,3 mm. Du fait de la fracturation en blocs, l'épaisseur E3 de la couche de revêtement 3 varie en fonction des zones considérées, dans une fourchette d'environ 0 �m à 5212FDEP.doc 2936727 6 environ 13 �m, avec une moyenne d'environ 7 �m. L'épaisseur E4 est également variable en fonction des zones considérées, dans une fourchette d'environ 0 à 10 �m, avec une moyenne à 5 lm environ. Les figures 3, 4 et 5 illustrent les diagrammes d'équilibre des alliages 5 Co-Zn (figure 3), Fe-Zn (figure 4) et Ni-Zn (figure 5). On constate sur le diagramme de la figure 3 que, pour un alliage Co-Zn, les phases y, y, et y2 ont une teneur de zinc entre environ 75 et 93 %. La température de fusion de cet alliage est d'environ 895°C. On constate sur le diagramme de la figure 4 que, pour un alliage Fe-Zn, 10 les phases y,, y2 ou b ont une teneur de zinc entre environ 70 et 92 %. La température de fusion de cet alliage est d'environ 782°C. On constate sur le diagramme de la figure 5 que, pour un alliage Ni-Zn, les phases y ou b ont une teneur de zinc entre environ 75 et 90 %. La température de fusion est d'environ 881 °C. 15 On constate donc que ces alliages binaires en phase y ou b de zinc avec soit le fer, soit le cobalt, soit le nickel, ont globalement des teneurs en zinc nettement supérieures à celle de la phase y dans l'alliage binaire de cuivre et de zinc actuellement utilisé. Des teneurs de zinc équivalentes dans l'alliage binaire de cuivre et de zinc ne pourraient être obtenues qu'à condition de réaliser un alliage 20 en phase E, dont la température de fusion de 598°C est alors moins avantageuse que celle des alliages choisis NiZn, CoZn ou FeZn. La figure 6 est un diagramme comparatif de fils électrodes ayant tous un diamètre de 0,3 mm selon cinq modes de réalisation MDR1 à MDR5. On a mesuré la vitesse d'usinage par électroérosion en régime d'ébauche pour ces différents fils 25 électrodes en fonction d'un paramètre B. Ce paramètre B est aisément disponible sur les machines d'électroérosion et il correspond à l'inverse de la fréquence du courant. Ainsi, plus B est grand, plus la fréquence du courant est basse, plus l'étincelage est faible. Les conditions de l'essai étaient les suivantes : technologie Techno ST25ASI ; régime E3H60 modifié avec WB = 1,4, A = 1,1, TAC = 0,5 ; 30 machine Charmilles Robofil 2020. Le régime E3H60 signifie que, pour cet essai, la pièce usinée par électroérosion présente une hauteur de 60 mm. Le paramètre WB = 1,4 qualifie la tension du fil électrode, le paramètre A qualifie le temps de montée du courant de décharge en ps. Le paramètre TAC 35 remplace le paramètre A en cas d'amorçage précoce de l'étincelle. Le mode de réalisation MDR1 est un fil électrode connu en laiton CuZn37 seulement. 5212FDEP.doc Le mode de réalisation MDR2 est un fil électrode selon l'invention, comprenant une âme 2 en laiton CuZn37, une couche de revêtement 3 d'un alliage de zinc nickel, d'épaisseur E 3 de 12 à 13 dam en moyenne, et une couche superficielle 4 d'épaisseur E4 de zinc d'environ 6 gm en moyenne. Ce fil électrode a été obtenu par co-dépôt électrolytique d'une couche de 25 �m d'alliage ZnNi15 sur une âme de laiton CuZn37 recuit de 0,622 mm de diamètre, puis dépôt électrolytique d'une couche de zinc de 10 �m, puis tréfilage au diamètre final de 0,3 mm. Le mode de réalisation MDR3 est un fil électrode selon l'invention, ayant une âme 2 en laiton CuZn37, une couche de revêtement 3 d'un alliage de zinc nickel, d'épaisseur E3 de 7 �m en moyenne, et une couche superficielle 4 d'épaisseur E4 de zinc d'environ 5 �m en moyenne. Ce fil électrode a été obtenu par co-dépôt électrolytique d'une couche de 25 �m d'alliage ZnNi15 sur une âme de laiton CuZn37 recuit de 0,622 mm de diamètre, puis dépôt électrolytique d'une couche de Zn de 15�m, puis tréfilage au diamètre final de 0,3 mm. Le mode de réalisation MDR4 est un fil électrode connu, à âme laiton CuZn2O revêtue d'une couche d'alliage de cuivre et de zinc en phase 13 de 30 �m qui elle-même est revêtue d'une couche d'alliage de cuivre et de zinc en phase y fracturée d'environ 10 �m d'épaisseur moyenne. Le mode de réalisation MDR5 est un fil électrode connu, à âme laiton CuZn37 revêtue d'une couche d'alliage de cuivre et de zinc en phase y fracturée d'environ 10 �m d'épaisseur moyenne. Pour le paramètre B valant 5, on constate que la vitesse d'usinage en mm2/min vaut environ 137 pour MDR4, environ 130 pour MDR3, environ 125 pour MDR5, environ 118 pour MDR2 et environ 108 pour MDR1. On constate ainsi qu'à la fréquence de courant correspondant par exemple au paramètre B valant 5, l'usinage par électroérosion en régime d'ébauche est plus rapide avec MDR3 qu'avec MDR2. Ainsi, l'épaisseur moyenne de la couche de revêtement 3 ne doit pas être trop forte ; à défaut, la vitesse d'usinage par électroérosion est réduite. Un fil électrode selon MDR3 est donc avantageux car il permet un usinage par électroérosion en régime d'ébauche plus rapide que selon MDR2. On constate également que l'usinage par MDR3 est plus rapide qu'avec MDR1. Simultanément, la vitesse d'usinage en régime d'ébauche atteinte par l'échantillon MDR3 est peu différente de celle atteinte avec les échantillons MDR4 et MDR5, qui sont les fils pour électroérosion actuellement les plus performants. 12FDEP.doc 8 L'intérêt est que cette performance en vitesse est atteinte alors que le fil pour électroérosion selon la présente invention est beaucoup plus rapide et simple à fabriquer que les échantillons MDR4 et MDR5. En outre, il apparaît que le même fil MDR3 selon l'invention permet d'atteindre de meilleures finitions en régime de finition : on a obtenu un état de surface de pièce usinée de l'ordre de Ra = 0,2 �m, alors que l'état de surface obtenu avec un fil de laiton présente une rugosité Ra de 0,25 �m à 0,3 �m dans les meilleures conditions. Autrement dit, le même fil MDR3 est adapté aux deux régimes principaux d'usinage par électroérosion, à savoir le régime d'ébauche et le régime de finition. Des essais similaires ont été réalisés sur des fils électrodes tels que MDR2 en remplaçant l'âme en laiton par une âme en cuivre. Ces fils ont donné des résultats similaires : gain en vitesse de 30 % environ, gain en rugosité, par rapport à un fil de laiton. 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. REVENDICATIONS1 û Fil électrode (1) pour usinage par électroérosion, comprenant une âme (2) en métal ou alliage et au moins une couche de revêtement (3) à base d'alliage de zinc, caractérisé en ce que : - l'alliage de zinc de la couche de revêtement (3) est un alliage de zinc et de l'un au moins des métaux comprenant le fer, le cobalt et le nickel, - l'alliage de zinc de la couche de revêtement (3) est, à température ambiante, en phase y ou b, - l'alliage de zinc de la couche de revêtement (3) est fracturé. 2 û Fil électrode (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de revêtement (3) est en alliage de zinc et de fer, avec une proportion en poids de fer de 8% à 30%. 3 û Fil électrode (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de revêtement (3) est en alliage de zinc et de cobalt, avec une proportion 15 en poids de cobalt de 7% à 25%. 4 û Fil électrode (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de revêtement (3) est en alliage de zinc et de nickel, avec une proportion en poids de nickel de 10% à 26%. 5 û Fil électrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 20 caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de ladite couche de revêtement (3) est supérieure à 3�m. 6 û Fil électrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de ladite couche de revêtement (3) est inférieure à 20 �m. 25 7 û Fil électrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'âme (2) en métal ou alliage présente une dureté inférieure à 150 HV. 8 û Fil électrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche superficielle (4) en métal 30 plus ductile que l'alliage de la couche de revêtement (3). 9 û Fil électrode (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le métal de la couche superficielle (4) est le zinc. 10 û Fil électrode (1) selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la couche superficielle (4) de métal ductile présente une épaisseur 35 moyenne d'environ 5�m. 11 û Procédé de fabrication d'un fil électrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 5212FDEP.doc 2936727 10 a) prévoir une âme (2) en métal ou alliage, b) recouvrir l'âme (2) par co-dépôt électrolytique d'un alliage de zinc et de l'un au moins des métaux comprenant le fer, le cobalt et le nickel, pour réaliser une couche de revêtement (3) en phase y ou b, 5 c) soumettre le fil (1) obtenu à un tréfilage. 12 û Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement à l'étape de tréfilage c), l'étape de recouvrir la couche de revêtement (3) d'une couche superficielle (4) de métal plus ductile que l'alliage de la couche de revêtement (3), tel que le zinc.