Électro-érosion (EDM) : Mécanique, principes, circuits et caractéristiques

Dans cet article, nous aborderons l'électro-érosion (EDM) : 1. Introduction à l'EDM 2. Mécanique de l'EDM 3. Circuits EDM et principes de fonctionnement (avec diagramme) 4. Finition de surface et précision d'usinage 5. Rôle de l'électrode-outil et des fluides diélectriques 6. Effets de l'EDM sur les surfaces métalliques 7. Caractéristiques.

1. Introduction à l'électro-érosion (EDM)
2. Mécanique de l'EDM
3. Circuits EDM et principes de fonctionnement (avec diagramme)
4. Finition de surface et précision d'usinage de l'EDM
5. Rôle de l'électrode-outil et des fluides diélectriques en EDM
6. Effets de l'EDM sur les surfaces métalliques
7. Caractéristiques de l'EDM

1. Introduction à l'électro-érosion (EDM) :

L'utilisation d'une source d'énergie thermoélectrique dans les techniques non traditionnelles a grandement aidé à réaliser un usinage économique de matériaux à très faible usinabilité et de travaux difficiles. Le processus d'enlèvement de matière par érosion contrôlée via une série d'étincelles électriques, connu sous le nom d'électro-érosion, a débuté en URSS vers 1943. Depuis, la R&D a amené ce procédé à son niveau actuel.

Lorsqu'une décharge se produit entre deux points de l'anode et de la cathode, la chaleur intense générée près de la zone fait fondre et évaporer les matériaux dans la zone d'étincelage. Pour améliorer l'efficacité, la pièce et l'outil sont immergés dans un fluide diélectrique (huiles hydrocarbures ou minérales). On observe que si les deux électrodes sont du même matériau, celle connectée au terminal positif s'érode généralement plus vite. C'est pourquoi la pièce est normalement l'anode. Un interstice approprié, l'intervalle d'étincelage, est maintenu entre les surfaces de l'outil et de la pièce.

Les étincelles déchargent à haute fréquence via une source adaptée. Comme l'étincelle se produit au point où les surfaces outil-pièce sont les plus proches, et que ce point change après chaque étincelle (en raison de l'enlèvement de matière), les étincelles parcourent toute la surface. Cela résulte en un enlèvement uniforme sur toute la surface, et finalement la surface de la pièce prend la forme de la surface de l'outil. Ainsi, l'outil produit l'empreinte requise dans la pièce.

Pour maintenir l'intervalle d'étincelage prédéfini, une unité de commande asservie est généralement utilisée. L'intervalle est détecté via la tension moyenne aux bornes, comparée à une valeur prédéfinie. La différence commande le servomoteur. Parfois, un moteur pas-à-pas remplace le servomoteur. Pour opérations très primitives, une commande par solénoïde est possible, rendant la machine très peu coûteuse et simple à construire.

Fréquence d'étincelage typique : 200–500 000 Hz, intervalle d'étincelage ~0,025–0,05 mm. Tension de crête : 30–250 V. TEM jusqu'à 300 mm³/min, puissance spécifique ~10 W/(mm³/min). L'efficacité et la précision s'améliorent avec une circulation forcée du fluide diélectrique. Fluide le plus courant : kérosène. Outil généralement en laiton ou alliage de cuivre.

2. Mécanique de l'EDM :

La figure 6.52 montre les détails des surfaces d'électrodes. Bien que lisses en apparence, des aspérités et irrégularités sont toujours présentes (exagérées sur le schéma). L'intervalle local varie, et à un instant donné, il est minimal en un point (disons A). Quand une tension appropriée s'établit entre l'outil (cathode) et la pièce (anode), un champ électrostatique de force suffisante provoque l'émission à froid d'électrons depuis la cathode en A.

Ces électrons libérés accélèrent vers l'anode. Après avoir acquis une vitesse suffisante, ils heurtent les molécules du fluide diélectrique, les brisant en électrons et ions positifs. Les électrons produits accélèrent à leur tour et peuvent déloger d'autres électrons. Finalement, une colonne étroite de molécules de diélectrique ionisé se forme en A, reliant les deux électrodes (avalanche d'électrons, conductivité très grande → étincelle visible).

Cette étincelle génère une onde de choc de compression et une température très élevée sur les électrodes (10 000–12 000 °C). Cette température cause la fusion et la vaporisation des matériaux d'électrode, les métaux fondus étant éjectés par un souffle mécanique, créant de petits cratères sur les deux électrodes en A. Dès que cela se produit, l'intervalle en A augmente et le prochain point d'intervalle minimal est ailleurs (disons B).

Le cycle se répète, la prochaine étincelle se produit en B. Ainsi, les étincelles parcourent toute la surface d'électrode, résultant en un intervalle uniforme. Selon la forme de l'électrode négative, une empreinte est créée sur l'autre électrode.

Généralement, le taux d'enlèvement de la cathode est comparativement inférieur à celui de l'anode pour :

• (i) La quantité de mouvement du flux d'électrons frappant l'anode est bien supérieure à celle des ions positifs frappant la cathode (masse électronique < masse ionique).
• (ii) La pyrolyse du diélectrique (généralement hydrocarbure) crée un mince film de carbone sur la cathode.
• (iii) Une force compressive se développe sur la surface de la cathode. Donc, normalement, l'outil est connecté au terminal négatif de la source CC.

Si l'outil est immobile par rapport à la pièce, l'intervalle augmente avec l'enlèvement de matière, nécessitant une tension accrue pour initier les étincelles. Pour éviter cela, l'outil est avancé par un entraînement asservi qui détecte l'intervalle moyen et le maintient constant.

Nous tenterons une détermination théorique du taux d'enlèvement pendant l'EDM. Résultats quantitatifs non obtenus, mais caractéristiques importantes émergent. Suffit de comprendre l'effet d'une seule étincelle.

La quantité de matière enlevée par une seule décharge peut être déterminée par le diamètre du cratère et la profondeur à laquelle la température de fusion est atteinte.

Hypothèses :

• (i) L'étincelle est une source de chaleur circulaire uniforme sur la surface de l'électrode, diamètre constant (=2a).
• (ii) La surface de l'électrode est une région semi-infinie.
• (iii) Hors la source de chaleur, la surface est isolée.
• (iv) Taux d'apport thermique constant pendant la durée de décharge.
• (v) Propriétés du matériau d'électrode invariantes avec la température.
• (vi) Vaporisation du matériau d'électrode négligée.

Figure 6.53 : source de chaleur idéalisée. H = apport thermique (cal), θ = température (°C), t = temps (s), k = conductivité thermique (cal/cm·s·°C), α = diffusivité thermique (cm²/s), t_d = durée décharge (s), θ_m = température de fusion (°C).

Par symétrie circulaire, température dépend de r et z. Équation de conduction thermique. Intérêt pour la solution à r=0 (profondeur max au centre). Température sur l'axe à la fin de la décharge (max à t=t_d) : formule. Z indique le volume enlevé par étincelle. Fig. 6.54a : valeurs théoriques de Z pour énergie d'étincelle et diamètre constants pour Cu, Al, Zn. Fig. 6.54b : variation réelle du volume de cratère avec t_d pour différentes énergies. Tendances similaires.

Point important : enlèvement très faible pour petit t_d, augmente avec t_d, pic puis chute brutale à zéro. Enlèvement par décharge dépend fortement du point de fusion.

L'effet de cavitation dans l'enlèvement mécanique est aussi important. TEM pendant une étincelle vs temps (fig. 6.55) : TEM max quand pression < atmosphérique, montrant l'importance de la cavitation.

Pour estimation approximative, relations empiriques développées pour TEM en EDM. Taille du cratère dépend de l'énergie d'étincelle (autres conditions inchangées). Profondeur et diamètre du cratère : formules. Relation suppose conditions d'étincelage moyennes.

Le TEM dépend fortement de la circulation du diélectrique. Sans circulation forcée, les particules d'usure refondent et se réunissent à l'électrode. Fig. 6.56 : caractéristiques TEM sans et avec circulation forcée.

Après décharge, le diélectrique autour de la dernière étincelle doit se déioniser. Tension aux bornes maintenue sous tension de décharge jusqu'à déionisation complète ; sinon le courant reprend à l'emplacement de la décharge précédente. Temps de déionisation dépend de l'énergie libérée. Plus d'énergie → temps plus long.

3. Circuits EDM et principes de fonctionnement (avec diagramme) :

Plusieurs circuits électriques de base différents fournissent le courant continu pulsé à l'intervalle pièce-outil. Bien que les caractéristiques opérationnelles diffèrent, presque tous utilisent un condensateur pour stocker la charge avant décharge. La convenance d'un circuit dépend des conditions et exigences d'usinage.

Principes couramment utilisés pour fournir le courant continu pulsé, classés en trois groupes :

• (i) Circuit de relaxation résistance-capacité (RC) avec source CC constante.
• (ii) Générateur d'impulsions rotatif.
• (iii) Circuit à impulsions contrôlées.

(i) Circuit de relaxation RC : Utilisé aux débuts de l'EDM. Figure 6.57a : circuit RC simple. Condensateur C (variable) chargé par résistance variable R via source CC V₀. Tension aux bornes de l'intervalle (≈ tension aux bornes du condensateur) V varie avec le temps : V = V₀(1 - e^(-t/RC)). V tend vers V₀ asymptotiquement (fig. 6.57b). Si l'intervalle et le diélectrique permettent une étincelle à tension V_d (tension de décharge), étincelle se produit, déchargeant complètement le condensateur quand V atteint V_d. Temps de décharge ≪ temps de charge (~10 %). Fréquence d'étincelage ν ≈ 1 / (RC ln(V₀/(V₀-V_d))). Pour puissance max, V_d = 0,72 V₀. Si matière enlevée par étincelle proportionnelle à l'énergie libérée, TEM exprimée par formule.

(ii) Générateur d'impulsions rotatif : Circuit de relaxation simple mais TEM pas élevé. Pour augmenter TEM, générateur d'impulsions utilisé. Figure 6.59 : schéma. Condensateur chargé par diode pendant demi-cycle. Demi-cycle suivant : somme des tensions générateur + condensateur chargé appliquée à l'intervalle pièce-outil. Fréquence = fréquence onde sinusoïdale (dépend vitesse moteur). TEM plus élevé mais finition de surface moins bonne.

(iii) Circuits à impulsions contrôlées : Les deux systèmes précédents n'ont pas de prévention automatique du courant en cas de court-circuit. Pour contrôle automatique, tube à vide (ou transistor) utilisé comme commutateur. Système = circuit à impulsions contrôlées. Figure 6.60 : schéma. Pendant étincelage, courant dans l'intervalle vient du condensateur. Tube à valve (VT) polarisé pour bloquer (résistance infinie). Contrôle de polarisation par commande électronique (EC). Dès que courant cesse, conductivité du tube augmente, permettant le chargement du condensateur pour cycle suivant. Circuit simplifié et stabilité améliorée si flux de courant cyclique avec fréquence imposée (contrôle polarisation par oscillateur). Condensateur non nécessaire. Figure 6.61 : circuit avec transistor.

4. Finition de surface et précision d'usinage de l'EDM :

L'enlèvement en EDM se fait par formation de cratères dus aux étincelles. Grands cratères (surtout profondeur) → surface rugueuse. Taille du cratère, dépendant principalement de l'énergie/étincelle, contrôle la qualité de surface. Figure 6.62 : H_rms (valeur quadratique moyenne de l'inégalité de surface) selon C et V₀.

Profondeur du cratère h_c ≈ f(E) où E = énergie libérée par étincelle. Dépendance de la finition à l'énergie d'impulsion E et comparaison avec procédés conventionnels (fig. 6.63). Beaucoup d'efforts pour relation TEM / qualité surface. Relation générale fiable pas encore établie. Mais pour usinage acier conditions normales : H_rms (µm) ≈ k / √Q (Q en mm³/min).

Circulation forcée du diélectrique améliore généralement la finition. Coupes transversales surface électrode laiton EDM avec/sans circulation forcée (40 V, 0,2 A, 1,12 kHz) fig. 6.64 : amélioration significative avec circulation forcée.

5. Rôle de l'électrode-outil et des fluides diélectriques en EDM :

Les électrodes jouent un rôle crucial. Certains aspects à garder à l'esprit pour de meilleurs résultats.

a. Usure de l'électrode-outil : L'électrode (outil) s'érode aussi par étincelage. Matériaux à bonne résistance à l'usure = matériaux difficiles à usiner. Graphite principal : passe directement phase vapeur sans fondre. Ratio d'usure r_Q = (matière enlevée pièce) / (matière enlevée outil) lié à r_θ = (point fusion pièce) / (point fusion outil) par formule.

b. Matériau d'électrode : Sélection selon : (i) TEM, (ii) Ratio d'usure, (iii) Facilité de formage, (iv) Coût. Matériaux courants : laiton, cuivre, graphite, alliages Al, Cu-W, Ag-W. Méthodes de fabrication : (i) Usinage conventionnel (cuivre, laiton, Cu-W, Ag-W, graphite), (ii) Coulée (alliages Zn, Zn-Sn, Al), (iii) Métallisation par pulvérisation, (iv) Pressage. Trous de passage pour circulation diélectrique : larges pour ébauche (gros débits, basse pression).

c. Fluides diélectriques : Exigences idéales : (i) Faible viscosité, (ii) Pas de vapeurs toxiques, (iii) Neutralité chimique, (iv) Pas d'inflammabilité, (v) Faible coût. Eau possède presque toutes ces propriétés, mais cause rouille sur pièce et machine → non utilisée. Autre raison : conductivité de l'eau → processus ECM parasite, déformation pièce, gaspillage d'énergie. Eau déionisée parfois utilisée. Fluide le plus courant : huile hydrocarbure (pétrole). Kérosène, paraffine liquide, huiles siliconées aussi utilisées.

6. Effets de l'EDM sur les surfaces métalliques :

Haute température des étincelles → fusion/vaporisation → affecte propriétés des couches superficielles (2,5–150 µm). Couche externe : refroidissement rapide → très dure. Couche juste en dessous : état revenu. Figure 6.67 : variation dureté vs profondeur pour ébauche et finition EDM sur acier. En finition, durcissement moins marqué. Couche externe revenue, dureté faible.

Durcissement surface → meilleure résistance à l'usure. Mais résistance à la fatigue réduite à cause des microfissures lors du refroidissement. Figure 6.68 : comparaison résistance fatigue pièces identiques par fraisage conventionnel vs EDM. Propriétés couches minces : peu d'effet sur résistance traction. Structure transformée, composition chimique altérée par étincelles → résistance érosion généralement réduite.

7. Caractéristiques de l'EDM :