Usinage par décharge électrique (EDM) :mécanique, principes de fonctionnement et circuits (avec schéma)

Dans cet article, nous discuterons de l'usinage par décharge électrique (EDM):- 1. Introduction à l'usinage par décharge électrique (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 d'outil et des fluides diélectriques dans l'électroérosion 6. Effets de l'électroérosion sur les surfaces métalliques 7. Caractéristiques.

Contenu :

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

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1. Introduction à l'usinage par électroérosion (EDM)  :

L'utilisation d'une source d'énergie thermoélectrique dans le développement des techniques non traditionnelles a grandement aidé à réaliser un usinage économique des matériaux à usinabilité extrêmement faible et des travaux difficiles. Le processus d'enlèvement de matière par érosion contrôlée à travers une série d'étincelles électriques, communément appelé usinage par décharge électrique, a d'abord commencé en URSS vers 1943. Ensuite, la recherche et le développement ont amené ce processus à son niveau actuel.

Lorsqu'une décharge a lieu entre deux points de l'anode et de la cathode, la chaleur intense générée à proximité de la zone fait fondre et évapore les matériaux de la zone d'étincelles. Pour améliorer l'efficacité, la pièce et l'outil sont immergés dans un fluide diélectrique (hydrocarbures ou huiles minérales). Il a été observé que si les deux électrodes sont constituées du même matériau, l'électrode connectée à la borne positive s'érode généralement à une vitesse plus rapide. Pour cette raison, la pièce à usiner est normalement l'anode. Un espace approprié, connu sous le nom d'éclateur, est maintenu entre l'outil et les surfaces de la pièce.

Les étincelles sont faites pour se décharger à haute fréquence avec une source appropriée. Étant donné que l'étincelle se produit à l'endroit où l'outil et les surfaces de la pièce sont les plus proches et que l'endroit change après chaque étincelle (en raison de l'enlèvement de matière après chaque étincelle), les étincelles se propagent sur toute la surface. Il en résulte un enlèvement de matière uniforme sur toute la surface, et enfin la face de travail se conforme à la surface de l'outil. Ainsi, l'outil produit l'empreinte requise dans la pièce à usiner.

Pour maintenir l'éclateur prédéterminé, une unité d'asservissement est généralement utilisée. L'écart est détecté par la tension moyenne à ses bornes et cette tension est comparée à une valeur prédéfinie. La différence est utilisée pour contrôler le servomoteur. Parfois, un moteur pas à pas est utilisé à la place d'un servomoteur. Bien entendu, pour des opérations très primitives, une commande par solénoïde est également possible, et avec cela, la machine devient extrêmement peu coûteuse et simple à construire.

La fréquence d'étincelle est normalement comprise entre 200 et 500 000 Hz, l'éclateur étant de l'ordre de 0,025 à 0,05 mm. La tension de crête à travers l'espace est maintenue dans la plage de 30 à 250 volts. Un mrr jusqu'à 300 mm ³ /min peut être obtenu avec ce procédé, la puissance spécifique étant de l'ordre de 10 W/mm ³ / min. L'efficacité et la précision des performances se sont avérées s'améliorer lorsqu'une circulation forcée du fluide diélectrique est fournie. Le fluide diélectrique le plus couramment utilisé est le kérosène. L'outil est généralement en laiton ou en alliage de cuivre.

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2. Mécanique de l'EDM :

La figure 6.52 montre les détails des surfaces des électrodes. Bien que les surfaces puissent sembler lisses, des aspérités et des irrégularités sont toujours présentes, comme indiqué (de manière exagérée, bien sûr). En conséquence, l'écart local varie, et à un instant donné, il est minimum en un point (disons, A). Lorsqu'une tension appropriée est établie entre l'outil et la pièce à usiner (la cathode et l'anode, respectivement), un champ électrostatique d'une force suffisante est établi, provoquant une émission froide d'électrons de la cathode en A.

Ces électrons libérés accélèrent vers l'anode. Après avoir acquis une vitesse suffisante, les électrons entrent en collision avec les molécules du fluide diélectrique, les brisant en électrons et ions positifs. Les électrons ainsi produits accélèrent également et peuvent finalement déloger les autres électrons des molécules de fluide diélectrique. En fin de compte, une colonne étroite de molécules de fluide diélectrique ionisé est établie en A reliant les deux électrodes (provoquant une avalanche d'électrons, car la conductivité de la colonne ionisée est très importante, ce qui est normalement considéré comme une étincelle).

À la suite de cette étincelle, une onde de choc de compression est générée et une très haute température est développée sur les électrodes (10 000-12 000 °C). Ce haut température provoque la fusion et la vaporisation des matériaux des électrodes, et les métaux en fusion sont évacués par un souffle mécanique, ce qui entraîne de petits cratères sur les deux électrodes en A. Dès que cela se produit, l'écart entre les électrodes en A augmente et le suivant l'emplacement de l'écart le plus court est ailleurs (disons, B).

Par conséquent, lorsque le cycle est répété, l'étincelle suivante a lieu en B. De cette manière, les étincelles se promènent sur toute la surface de l'électrode et, finalement, le processus aboutit à un espace uniforme. Ainsi, selon la forme de l'électrode négative, une impression est créée sur l'autre électrode.

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

(i) La quantité de mouvement avec laquelle le flux d'électrons frappe l'anode est bien supérieure à celle due au flux d'ions positifs frappant la cathode, bien que la masse d'un électron individuel soit inférieure à celle des ions positifs.

(ii) La pyrolyse du fluide diélectrique (normalement un hydrocarbure) crée un mince film de carbone sur la cathode.

(iii) Une force de compression est développée sur la surface de la cathode. Par conséquent, normalement, l'outil est connecté à la borne négative de la source de courant continu.

Si l'outil est immobile par rapport à la pièce à usiner, l'écart augmente au fur et à mesure que l'enlèvement de matière progresse, ce qui nécessite une tension accrue pour initier les étincelles. Pour éviter ce problème, l'outil est alimenté à l'aide d'un servomoteur qui détecte l'amplitude de l'écart moyen et le maintient constant.

Dans ce qui suit, nous tenterons une détermination théorique du taux d'enlèvement de matière lors de l'usinage par électroérosion. Ce faisant, bien que les résultats quantitatifs ne soient pas obtenus, de nombreuses caractéristiques importantes deviendront évidentes. Pour l'instant, il suffirait de comprendre l'effet d'une seule étincelle.

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

Pour ce faire, nous ferons les hypothèses suivantes :

(i) L'étincelle est une source de chaleur circulaire uniforme sur la surface de l'électrode et le diamètre (=2a) de cette source circulaire reste constant.

(ii) La surface de l'électrode est une région semi-infinie.

(iii) À l'exception de la partie de la source de chaleur, la surface de l'électrode est isolée.

(iv) Le taux d'apport de chaleur reste constant pendant toute la durée de décharge.

(v) Les propriétés du matériau de l'électrode ne changent pas avec la température.

(vi) La vaporisation du matériau d'électrode est négligée.

La figure 6.53 montre les détails de la source de chaleur idéalisée. Dans notre analyse, H- quantité d'apport de chaleur (cal), θ =température (°C), t =temps (sec), k=conductivité thermique (cal/cm-sec-°C), α =diffusivité thermique (cm ² /sec), t_d =durée de décharge (sec), et θ_m =température de fusion (°C).

En raison de la symétrie circulaire, la température en tout point dépend de r et z. L'équation de la conduction thermique est –

Comme, intuitivement, on voit que la profondeur à laquelle la température de fusion est atteinte est maximale au centre, notre intérêt réside dans la solution à r =0. La température en un point de l'axe à la fin de la décharge ( en supposant que la température maximale est atteinte à t =t_d lorsque l'apport de chaleur s'arrête à cet instant) est donnée par –

Ainsi, il est clair que Z donne une indication du volume de matière enlevée par chaque étincelle. La figure 6.54a montre les valeurs théoriques de Z pour une énergie d'étincelle donnée et un diamètre d'étincelle constant pour Cu, Al et Zn comme matériaux d'électrode. La figure 6.54b illustre la nature réelle de la variation du volume du cratère avec t_d pour différentes énergies d'étincelles. Les tendances sont assez similaires.

Une caractéristique importante qui devient évidente à partir de ces résultats est que l'enlèvement de matière est très faible pour un petit temps de décharge et augmente avec t_d . Puis, atteignant une valeur de crête, elle tombe soudainement à zéro. Aussi, il a été établi que la matière enlevée par décharge dépend fortement du point de fusion de la matière.

L'effet de la cavitation dans le processus d'élimination mécanique est également important. Le mrr au cours d'une seule étincelle tracé en fonction du temps est illustré à la figure 6.55. En clair, le mrr est maximal lorsque la pression est inférieure à l'atmosphérique, ce qui montre l'importance de la cavitation.

Pour arriver à une estimation approximative, des relations empiriques ont été développées pour le taux d'enlèvement de matière pendant l'EDM. Étant donné que la taille du cratère dépend de l'énergie de l'étincelle (en supposant que toutes les autres conditions restent inchangées), la profondeur et le diamètre du cratère sont donnés par –

Dans cette relation, nous avons supposé une condition d'étincelle moyenne.

Le mrr dépend aussi fortement de la circulation du fluide diélectrique. Sans circulation forcée, les particules d'usure fondent et se réunissent à plusieurs reprises avec l'électrode. La figure 6.56 montre la nature des caractéristiques mrr sans et avec une circulation forcée du diélectrique.

Une fois la décharge terminée, le milieu diélectrique autour de la dernière étincelle doit pouvoir se désioniser. Pour cela, la tension aux bornes de l'entrefer doit être maintenue en dessous de la tension de décharge jusqu'à ce que la déionisation soit terminée; sinon, le courant recommence à circuler dans l'entrefer à l'emplacement de la décharge précédente. Le temps nécessaire à une déionisation complète dépend de l'énergie libérée par la décharge précédente. Une libération d'énergie plus importante entraîne un temps de déionisation plus long.

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

Plusieurs circuits électriques fondamentalement différents sont disponibles pour fournir le courant continu pulsé à travers l'espace de l'outil de travail. Bien que les caractéristiques de fonctionnement soient différentes, dans presque tous ces circuits, un condensateur est utilisé pour stocker la charge électrique avant que la décharge n'ait lieu à travers l'espace. L'adéquation d'un circuit dépend des conditions et des exigences d'usinage.

Les principes couramment utilisés pour fournir le courant continu pulsé peuvent être classés dans les trois groupes suivants :

(i) Circuit de relaxation résistance-capacité avec une source de courant continu constante.

(ii) Générateur d'impulsions rotatives.

(iii) Circuit d'impulsions contrôlé.

(i) Circuit de relaxation résistance-capacité :

Le circuit de relaxation résistance-capacité a été utilisé lorsque les machines à décharge électrique ont été développées pour la première fois. La figure 6.57a montre un circuit RC simple. Comme il ressort de cette figure, le condensateur C (qui peut être varié) est chargé à travers une résistance variable R par la source continue de tension V₀ .

La tension aux bornes de l'entrefer (qui est presque la même que celle aux bornes du condensateur) V varie avec le temps selon la relation où t désigne le temps commençant à l'instant V₀ est appliqué.

Ainsi, V s'approchera de V₀ asymptotiquement, comme le montre la figure 6.57b, si cela est autorisé. Si l'entrefer de l'outil et le fluide diélectrique sont tels qu'une étincelle peut se produire lorsque la tension aux bornes de l'entrefer atteint une valeur V_d (communément appelée tension de décharge), une étincelle se produira, déchargeant complètement le condensateur chaque fois que la tension aux bornes de l'espace outil-travail (V) atteint V_d .

Le temps de décharge est beaucoup plus petit (environ 10 %) que le temps de charge et la fréquence des étincelles (v) est approximativement donnée par l'équation suivante (puisque le temps requis pour la déionisation est également très petit dans des circonstances normales) –

Ainsi, pour une puissance maximale délivrée, la tension de décharge doit être de 72 % de la tension d'alimentation V₀ .

Si nous supposons que le matériau enlevé par étincelle est proportionnel à l'énergie libérée par étincelle, alors le mrr peut être exprimé comme -

(ii) Générateur d'impulsions rotatives :

Le circuit de relaxation pour la génération d'étincelles, bien que simple, présente certains inconvénients. Parmi ceux-ci, un inconvénient important est que le mrr n'est pas élevé. Pour augmenter le taux d'élimination, un générateur d'impulsions est utilisé pour la génération d'étincelles. La figure 6.59 montre le schéma de principe d'un tel système. Le condensateur est chargé à travers la diode pendant le premier demi-cycle. Au cours du demi-cycle suivant, la somme des tensions générées par le générateur et le condensateur chargé est appliquée à l'entrefer de l'outil de travail.

La fréquence de fonctionnement est la fréquence de génération de l'onde sinusoïdale qui dépend de la vitesse du moteur. Bien que le mrr soit plus élevé, un tel système ne produit pas une bonne finition de surface.

(iii) Circuits d'impulsions contrôlés :

Dans les deux systèmes que nous avons discutés, il n'est pas prévu d'empêcher automatiquement le passage du courant lorsqu'un court-circuit se développe. Pour réaliser un tel contrôle automatique, un tube à vide (ou un transistor) est utilisé comme dispositif de commutation. Ce système est connu sous le nom de circuit à impulsions contrôlées. La figure 6.60 montre schématiquement un tel système. Lors de la formation d'étincelles, le courant qui traverse l'entrefer provient du condensateur.

Lorsque le courant traverse l'espace, le tube à soupape (VT) est polarisé pour se couper et se comporte comme une résistance infinie. Le contrôle de polarisation se fait par un contrôle électronique (EC). Dès que le courant dans l'entrefer cesse, la conductivité du tube augmente, permettant au flux de courant de charger le condensateur pour le cycle suivant.

Le circuit peut être simplifié et la stabilité de fonctionnement améliorée si le passage du courant est autorisé cycliquement avec une fréquence imposée. Cela peut être fait en contrôlant le biais à l'aide d'un oscillateur. Dans ce cas, le condensateur n'est pas nécessaire. La figure 6.61 montre un tel circuit, utilisant un transistor.

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

Étant donné que l'enlèvement de matière dans l'EDM est obtenu par la formation de cratères dus aux étincelles, il est évident que les grandes tailles de cratère (en particulier la profondeur) donnent une surface rugueuse. Ainsi, la taille du cratère, qui dépend principalement de l'énergie/étincelle, contrôle la qualité de la surface. La figure 6.62 montre comment H_rms (valeur quadratique moyenne de l'irrégularité de surface) dépend de C et V₀ .

La profondeur du cratère (h_c ) peut être approximativement exprimé en termes d'énergie libérée par étincelle (E) comme –

La dépendance de l'état de surface vis-à-vis de l'énergie d'impulsion E et la comparaison de l'état de surface avec celui obtenu par les procédés conventionnels sont indiquées sur la figure 6.63. Beaucoup d'efforts ont été consacrés à la détermination d'une relation appropriée entre le taux d'enlèvement de matière et la qualité de la finition de surface. Mais une relation très fiable d'applicabilité générale doit encore émerger. Cependant, le mrr et l'irrégularité de surface, lors de l'usinage de l'acier dans des conditions normales, sont approximativement liés comme -

Où H_rms est la moyenne quadratique des irrégularités de surface en microns et Q est le taux d'enlèvement de matière en mm ³ / min.

La circulation forcée du diélectrique s'est avérée améliorer généralement l'état de surface. Les sections transversales de la surface de l'électrode en laiton produite par EDM avec et sans circulation forcée (tension 40 V, courant 0,2 A, fréquence 1,12 kHz) sont illustrées à la Fig. 6.64. Il est clair que la circulation forcée conduit à une amélioration significative de l'état de surface.

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5. Rôle de l'électrode d'outil et des fluides diélectriques dans l'EDM :

Les électrodes jouent un rôle extrêmement important dans l'opération d'électroérosion et, par conséquent, certains aspects de l'électrode d'outil doivent être gardés à l'esprit pour obtenir de meilleurs résultats.

un. Usure de l'électrode de l'outil :

Pendant l'opération EDM, l'électrode (c'est-à-dire l'outil), comme déjà mentionné, s'érode également en raison de l'action d'étincelles. Les matériaux ayant de bonnes caractéristiques d'usure des électrodes sont les mêmes que ceux qui sont généralement difficiles à usiner. L'un des principaux matériaux utilisés pour l'outil est le graphite qui passe directement à la phase vapeur sans fondre. Le taux d'usure (r_Q ), défini par le rapport entre la matière enlevée de l'ouvrage et la matière enlevée de l'outil, se trouve être lié à r_θ (=point de fusion de la pièce / point de fusion de l'outil) comme –

b. Matériau de l'électrode :

Le choix du matériau de l'électrode dépend de :

(i) Taux d'enlèvement de matière,

(ii) Taux d'usure,

(iii) Facilité de mise en forme de l'électrode,

(iv) Coût.

Les matériaux d'électrode les plus couramment utilisés sont le laiton, le cuivre, le graphite, les alliages A1, les alliages cuivre-tungstène et les alliages argent-tungstène.

Les méthodes utilisées pour la fabrication des électrodes sont :

(i) Usinage conventionnel (utilisé pour le cuivre, le laiton, les alliages Cu-W, les alliages Ag-W et le graphite),

(ii) Coulée (utilisée pour les alliages de moulage sous pression à base de Zn, les alliages Zn-Sn et les alliages Al),

(iii) Projection de métal,

(iv) Formage à la presse.

Des trous d'écoulement sont normalement prévus pour la circulation du diélectrique, et ces trous doivent être aussi grands que possible pour les coupes grossières afin de permettre des débits importants à basse pression.

c. Fluides diélectriques :

Les exigences de base d'un fluide diélectrique idéal sont :

(i) Faible viscosité,

(ii) Absence de vapeurs toxiques,

(iii) Neutralité chimique,

(iv) Absence de tendance inflammatoire,

(v) Faible coût.

L'eau ordinaire possède presque toutes ces propriétés, mais comme elle fait rouiller l'ouvrage et la machine, elle n'est pas utilisée. Une autre raison pour laquelle l'eau n'est pas recommandée est la suivante. Les électrodes sont constamment sous une certaine différence de potentiel, et en raison de la bonne conductivité de l'eau, le processus ECM commence à déformer la pièce à usiner. De plus, le pouvoir est gaspillé. Cependant, dans certains cas, de l'eau déminéralisée est utilisée.

Le type de fluide le plus couramment utilisé est l'huile d'hydrocarbure (pétrole). Le kérosène, la paraffine liquide et les huiles de silicone sont également utilisés comme fluides diélectriques.

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

La température élevée générée par les étincelles provoque la fusion et la vaporisation du métal et, évidemment, cette température élevée affecte les propriétés des couches peu profondes (2,5-150μm) de la surface usinée.

La couche la plus externe est rapidement refroidie et est donc très dure. La couche directement en dessous est dans un état quelque peu tempéré. La figure 6.67 montre la variation de la dureté avec la profondeur pour les opérations d'EDM d'ébauche et de finition sur l'acier. Il est clair qu'en usinage de finition un tel durcissement n'est pas proéminent. Cependant, la couche externe est trempée et la dureté est faible.

Le durcissement de la couche de surface pendant l'opération d'électroérosion confère une meilleure caractéristique de résistance à l'usure. Cependant, la résistance à la fatigue diminue en raison des microfissures qui se développent dans la couche de surface pendant le refroidissement. La figure 6.68 montre la comparaison entre la résistance à la fatigue de pièces identiques produites par fraisage conventionnel et EDM. Les propriétés des couches superficielles minces n'ont pas beaucoup d'effet sur la résistance à la traction. Leur structure se transforme et, à cause des étincelles, leur composition chimique se modifie dans une certaine mesure. Ceux-ci réduisent généralement la résistance à l'érosion.

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7. Caractéristiques de la GED :

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