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SPARCATRON LIMITED, résidant à B A T H (Gde-Bretagne)
PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX METHODES ET APPAREILS POUR COUPER DES MATERIAUX
ELECTRIQUEMENT CONDUCTEURS.
L'invention est relative aux méthodes et appareils pour couper des matériaux électriquement conducteurs, plus spécialement des métaux durs tels que des carbures métalliques, des aciers à outils et des acides inoxy- dables à l'aida .de décharges d'étincelles électriques comme décrit dans le brevet belge n 511.509 du 19 mai 1952, pour "Pe rfe ct ionneme nt s apportés aux méthodes et appareils pour couper électriquement des matières conductri- ces", au nom de Mr.
Dagobert William Fritz Rudorffo
Un objet de l'invention est de'prévoir une méthode et un appa- reil perfectionnés à l'aide desquels la vitesse de coupe susceptible d'être obtenue à l'aide de décharges électriques par étincelle s est notablement améliorée, tandis qu'en mê'me temps on réalise une économie plus marquée dans la consommation du courant électrique
On a constaté que - la vitesse de coupe obtenue à l'aide de dé- charges d'étincelles électriques est grandement augmentée si la décharge par étincelles est amenée à alterner avec un arc qui préchauffe la matière au point d'enlèvement, de manière que moins de chaleur soit requise pour l'évaporation subséquente et l'enlèvement du métal par la décharge d'étin- celles , et,d'une façon générale,
un appareil selon la présente invention pour couper des matériaux électriquement conducteurs, consiste en un organe coupeur dont le bord coupant est maintenu pendant l'opération de coupe à proximité de la matière à enlever de la pièce d'ouvrage, un circuit électri- que dans lequel sont incorporés l'organe coupeur et l'ouvrage, et une sour- ce d'alimentation de courant électrique réglée de manière telle que des dé- charges électriques sont produites entre le bord coupant de l'organe cou- peur et l'ouvrage, la nature des dites décharges électriques alternant entre une décharge par étincelles et une décharge par arc, la décharge par étin- celles servant à évaporer la matière préchauffée par la décharge en arc précédente, et des moyens pour maintenir, tandis que la coupe progresse,
un écoulement de fluide à travers la zone de coupe pour ramener par refroi- dissement, dans la phase solide,la matière enlevée de l'ouvrage par la dé-
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charge par étincelles.
Conformément à un autre aspect de l'invention, un mouvement - relatif est maintenu entre le bord'coupant et l'ouvrage à l'endroit de la coupe. Lorsqu'on maintient un mouvement relatif entre le bord coupant et l'ouvrage, un contact frottant peut être maintenu entre l'organe coupeur et l'ouvrage à l'endroit de la coupe, la pression de contact étant moindre que la pression de vapeur pendant les périodes d'étincelles des décharges électriques, de manière que l'organe coupeur flotte sur la vapeur.
Une capacité peut être incorporée dans le circuit électrique, branchée en parallèle avec l'organe coupeur, pour décharger son énergie emmagasinée, de façon intermittente, entre l'organe coupeur et l'ouvrage., chaque période de décharge de ce genre commençant par une décharge à étin- celles et se terminant par une décharge en arc, le point de transformation de la décharge par étincelles en décharge en arc étant réglable par un choix approprié des conditions de la décharge.
Dans un autre mode de fonctionnement, le circuit comprenant l'organe couleur et l'ouvrage est alimenté à l'aide d'un voltage cyclique- ment variable,et les paramètres du circuit sont ajustés de manière telle que la décharge commence sous forme d'étincelles et se termine sous forme d'arc, tandis que pendant le s intervalle s entre les périodes de décharge qui se suivent, soit aucun courant, soit un courant incapable de produire soit une décharge par étincelles, soit une décharge par arc ne passe dans le circuit. En outre, si on le désirait, le circuit peut être ajusté de manière que dans les intervalles entre les décharges en arc successives et les décharges par étincelles intermédiaires, il se produise une ionisation dans l'inter-espace à l'effet de faciliter l'amorçage de ces décharges par étincelles.
Dans les cas où une capacité est branchée dans le circuit, en parallèle, avec l'organe coupeur et l'ouvrage, l'intensité des décharges intermittentes est de préférence rendue ajustable en prévoyant en circuit une capacité réglable connectée en parallèle avec l'organe coupeur et l'ouvrage. Dans un appareil pour couper des matériaux, conforme à la pré- sente invention, des moyens sont de préférence prévus pour ajuster la lon- gueur relative des périodes à étincelles et à arc périodiques, en ajustant le s paramètres électrique s du circuit dont l'organe coupeur et l'ouvrage font partie.
Des moyens peuvent être prévus pour déterminer le changement d'une décharge par étincelles en celle par arc, en appliquant une force électromotrice additionnelle, intermittente et,ou cycliquement variable au circuit électrique dont l'organe coupeur et l'ouvrage font partie.
On a constaté que lorsqu'une capacité est incorporée dans le circuit électrique, en parallèle avec l'ouvrage et l'organe coupeur, il est préférable de faire fonctionner l'appareil selon la présente invention d'une manière telle que le circuit, qui peut comprendre ou non une self-in- duction, est soit critiquement amorti ou suramorti, et est ainsi rendu non oscillant.
Dans un circuit électrique dans lequel un circuit de décharge est branché aux bornes d'un condensateur et consiste par exemple en une in- ductance, une résistance et un pont de décharge qui peut être un intervalle d'étincelle, une décharge à travers le dit intervalle est obtenue lorsque le voltage aux bornes du condensateur chargé d'énergie électrique à partir d'une source d'alimentation de courant électrique, s'est élevé à une valeur pour laquelle le dit intervalle est rompu par le dit voltage. Une fois que cette rupture s'est produite, le courant qui s' écoule dans l' intervalle sera une fonction des valeurs de la capacité C, de l'inductance L et de la résistance R ainsi que du voltage E auquel le condensateur était chargé au moment de la rupture.
I1 est bien connu que lorsqu'une capacité est dé- chargée dans une résistance et une inductance en série, il en résulte une condition passagère. Si R2 est plus grand que 4 L/C, ou bien R2 est égal à 4 L/C, la condition momentanée prend fin rapidement sans oscillation, la
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valeur de R2 qui est égale à 4 L/C étant dénommée la résistance d'amortisse- ment critique.
Dans une réalisation préférée de l'invention, par conséquent, l'appareil est actionné d'une manière telle que pour lesparamètres choisis du circuit,le circuit est critiquement amorti de manière qu'aucune oscil- lation ne puisse se produire. Dans l'illustration de l'invention, le s pa- ramètres du circuit sont choisis de manière que la valeur deR2 soit tou- jours plus grande ou tout au moins égale à 4 L/C, où R représente la résis- tance ohmique totale du circuit de décharge, L est la self-induction quel- que petite qu'elle soit, et C est la capacité du circuit, qn comprendra aisément que la valeur de R comprend la résistance ohmique du circuit aug- mentée de la résistance ohmique du pont de décharge électrique que l'on sait être variable et posséder des valeurs différentes pour les conditions d'une décharge par étincelles et par arc, respectivement.
A moins qu'une self-induction spéciale en forme d'enroulement ne soit comprise dans le circuit dont l'organe coupeur et l'ouvrage font partie, la seule self-in- duction présente dans le circuit de décharge sera celle des conducteurs métalliques reliant les bornes du condensateur avec l'organe coupeur et l'ouvrage respectivement Ainsi, si l'on utilise un circuit dans lequel l'inductance du circuit' est 2 x 10-6 Henrys, et la capacité est 100 x 10
Faraday et la résistance ohmique est 2 ohms, y compris celle de la déchar- ge électrique, on a 4 L/C = 4 x 2 x 10-6 / (100 x 10-6) = 0,08, comparati- vement à une valeur de R2 = 4 ,ce qui veut dire que le circuit est sur-amor- ti et que des oscillations ne peuvent se produire.
En exécutant la présente invention, on tire parti du fait qu'une fois un canal d'étincelles établi, immédiatement après la formation d'un tel canal, qui constitue un trajet ionisé électriquement conducteur pontant l'intervalle entre le bord coupant de l'organe coupeur et l'ouvra- ge, le courant électrique passant entre l'organe coupeur et l'ouvrage croît rapidement à la valeur déterminée par les paramètres du circuit.
C'est une caractéristique importante de la décharge par étincelles qu'alors mè'me qu'un courant peut être maintenu à travers le canal à étincelles, qui peut être de la même valeur que celui porté par un arc, un certain temps, qui peut aller d'un petit nombre de microsecondes à une durée de l'ordre d'une milliseconde ou plus,
peut s' écouler avant que les caractéristiques du ca- nal passent de celle s d'un canal à étincelles à celle s d'un canal à arc Cette caractéristique qu'une certaine longueur de temps est nécessaire pour qu'une étincelle se transforme en arc peut être attribuable au fait qu'un arc est un phénomène thermionique et que son existence est conditionnée par une alimentation suffisamment fournie d'électrons à partir d'une cathode in- tensément chauffée Il est évident qu'une longueur finie du temps d'étin- celles est nécessaire pour produire cet effet d'échauffement; par suite l'instant où le changement de la décharge de celle en étincelles en celle en arc peut se produire, sera une fonction des conditions physiques et élec- triques prédominantes.
Ainsi pour une série donnât/de conditions, un am- pérage élevé d'étincelles réduira le temps nécessaire pour que le changement se produise tandis qu'une action de refroidissement intensifiée de l'écoule- ment du fluide entre le couteau et l'ouvrage accroîtra cette durée Il exis- te, grossièrement parlant, un ampérage limite pour un voltage donné, auquel un arc peut exister dans un milieu fluide donné qui peut être un milieu aqueux électriquement conducteur ou un diélectrique comme une hule ou un mélange d'huiles contenant en suspension des particules solides électriquement con- ductrices ou non conductrices, ou bien une vapeur ou un gaz ou un mélange de vapeurs ou gaz avec des liquides, soit électriquement conducteurs comme de l'eau ou diélectriques comme des huile s,
ou des mélanges d'huiles, etc... En déterminant les ampérages limites auxquels une décharge par étin- cellesse transformera en une décharge par arc, pour différents voltages et différents milieux, il est possible d'approcher les paramètres électri- ques auxquels le circuit électrique dont l'organe coupeur et l'ouvrage font
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partie doit être ajusté à l'effet d'obtenir une forme de décharge commen- gant sous forme d'étincelles et se terminant sous forme d'arc.
Dans l'ajus- tement effectif des paramètres électriques du circuit il sera naturellement nécessaire d'ajuster les conditions de décharge de manière que la durée de la décharge soit rendue suffisamment grande pour permettre l'établissement des conditions thermiques requises pour la transformation de la décharge par étincelles en une décharge par arc qui préchauffe le métal de l'ouvrage au point de coupe à une température pour laquelle il est plus aisémert va- porisé par la décharge par étincelle s de la période de décharge suivante.
Egalement, l'intervalle entre la fin de la phase d'arc d'une période de dé- charge et le commencement de la phase d'étincelles de la période de décharge suivante,doit être ajusté d'une part de façon à prévenir toute perte inu- tile de température au point de coupe en raison d'une longueur excessive de l'intervalle et d'autre part de façon à prévenir le commencement de la pé- riode de décharge suivante avec une décharge en arc, en raison de la repri- se de l'arc, au lieu du commencement requis de la dite période avec une dé- charge par étincelles. Généralement, une reprise de l'arc se produira si l'on choisissait une longueur inutilement courte de l'intervalle entre des périodes de décharge successives, ce qui conduirait à l'établissement per- manent de conditions provoquant la formation d'un arc.
Pour obtenir une décharge du type sur-amorti, et qui commence par des étincelles et continue ainsi pendant, par exemple, les trois quarts de la durée d'une période de décharge entière, et alors se transforme en un arc et se poursuit de cette manière pendant le dernier quart de la pé- riode de décharge, il est nécessaire de faire application des considérations ci-après dans la sélection des paramètres de circuit. Lorsqu'on utilise par exemple un voltage d'alimentation de 100 volts, on peut déterminer par expérience qu' avec une, capacité de condensateur de 400 microfarads, la dé- charge entre l'organe coupeur et l'ouvrage présente un ampérage initial de 40 ampères.
Dans un circuit amorti l'ampérage décroît exponentiellement, et l'ampérage effectif devient de plus en'plus petit, bien que théoriquement il ne s' annule qu'après un temps infini. En réalité toutefois, le courant cesse et la période de décharge prend fin lorsque le milieu entre l'ouvra- ge et l'électrode a complètement refroidi la décharge. En supposant un circuit dans lequel la self-induction est maintenue à une valeur si petite qu'elle est pratiquement négligeable, la vitesse de décroissement de l'am- pérage à partir de sa valeur initiale sera caractérisée par un facteur dé- nommé constante de temps, qui donne le temps requis pour que le courant tombe au 1/2,718 de sa valeur initiale, où 2,718 représente la base des logarithmes Népériens.
Dans le cas d'un circuit contenant une résistance ohmique et une capacité, la constante de temps est donnée par tc = R x C, et il est évident que des valeurs élevées de R et de C conduiront à des valeurs élevées de la constante de temps.
Ainsi, avec une capacité de 110 x 10-6 Farads et une résistance ohmique de 2 ohms, et une self-induction négligeable comme par exemple in- férieure à 2 x 10-6 Henrys, conditions qui, comme montré précédemment, se traduiront par des décharges sur-amorties, la constante de temps sera appro- ximativement 2 x 110 x 10-6 :0,22 millisecondes ou 220 microsecondes, et un ampérage initial de 50 ampères se sera alors abaissé à 1/2,718 x 50 = 0,368 x 50 = 18,40 ampères.
Si par exemple il a été constaté par des es- sais que dans ces conditions une décharge par étincelle s se transforme en un arc après une durée de décharge de, mettons, 200 microsecondes, il est clair qu'un arc sera formé vers l'extrémité de la période de décharge, dont le durée totale, en ajustant l'effet de refroidissement exercé par le fluide baignant, peut être limitée par exemple à 500 microsecondes. Si les inter- valles entre les périodes de décharge sont réglés pour être de la même lon- gueur que les périodes de décharge, il se produira 1000 décharges par secon- de.
Si c'est nécessaire, des fréquences de décharge considérablement plus élevée s peuvent être obtenues en utilisant une capacité plus petite, qui
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procure ou permet des périodes de décharge écourtées de façon correspondan- te, et le nombre de décharges par seconde peut ainsi être porté à des fré- quences supérieures à 5000 décharges par seconde, et au delà dans la gamme des fréquences dite gamme ultrasonique.
On comprendra que la valeur instantanée du voltage au moment où la transformation des étincelles en arc doit se produire, doit être su- périeure ou tout au moins égale à la valeur requise pour qu'il y ait forma- tion d'arc en association avec la valeur instantanée de l'ampérage à cet instant Généralement cette condition est automatiquement satisfaite du . fait qu'alors que le gradient de voltage de a décharge diminue avec le temps, le gradient de voltage pour un ampérage donné d'une décharge par étincelles est toujours plus grand que celui d'un arc.
Ainsi, par exemple, une étincelle portant 300 ampèresdans un milieu gazeux peut avoir un gra- dient de voltage de 3 volts par millimètre 10 microsecondes après la rup- ture, tandis que le gradient de voltage correspondant pour un arc portant le même courant n'est pas supérieur à quelque 0,2 volt par millimètre de longueur d'intervalle de déchargée On peut définitivement établir par l'exa- men spectroscopique de l'émission lumineuse de la décharge si une transfor- mation d'étincelles en arc se produit ou non pendant les décharges indivi- duelles avec les paramètres électriques et physiques choisis, car le spec- tre obtenu d'un arc est nettement différent de celui obtenu par une étin- celle.
Les longueurs d'ondes des lignes de spectres principales respecti- vement produites par exemple par des étincelles et un arc, sont mentionnés dans des manuels standards tels notamment, que "Handbook of Chemistry and Physics, 30th édition, 1947, pp.2073-2199 (Chemical Rubber Publishing Co.
Cleveland, U.S.A.)".
Dans une réalisation spécifique de l'invention, on fait usa-, ge d'une source d'alimentation de courant continu et l'on crée les décharges successives et les intervalles entre les décharges en interrompant ou en réduisant l'écoulement de courant électrique entre l'organe coupeur et l'ou- vrage pendant les intervalles, en incorporant dans le circuit un dispositif interrupteur. Dans une autre modification, on utilise un voltage cyclique- ment variable de polarité uniforme. Ces dispositifs interrupteurs ou ces dispositifs produisant un voltage variable peuvent être de tous genres con- nus, bien que, de préférence, des valves thermioniques soient utilisées.
Bien qu'il soit possible de prévoir un voltage suffisamment élevé pour le courant principal produisant l'action de coupe, comme par exemple un vol- tage de 160 volts, qui procure l'assurance d'un amorçage effectif de la décharge par la différence de potentiel appliquée sur l'organe coupeur et l'ouvrage, on peut utiliser une étincelle pilote qui en déclenche l'action génératrice d'étincelles.
Cette étincelle pilote est produite par l'introduction inter- mittente et cyclique d'une force électromotrice de, par exemple, 400 volts, dans le circuit dont l'organe coupeur et l'ouvrage font partie.
L'emploi d'une étincelle pilote permet de faire varier le vol- tage du circuit d'alimentation dans des limites très étendues, comme par exemple de 15 volts à 60 volts sans affecter des conditions de décharge données. A l'effet d'établir le type requis de décharge étincelle-arc, dans' lequel la transformation des étincelles en un arc se produit après une milliseconde par exemple, avec la durée de la décharge totale égale à 1,5 millisecondes, le voltage et l'ampérage du circuit d'alimentation sont ajustés conformément,par exemple à 50 volts et 30 ampères avec une capa- cité shunt de 50 x 10 Farads.
Comme alternative à la prévision d'agencements à étincelle pi- lote, l'intervalle entre l'organe coupeur et l'ouvrage peut être réduit ou fermé par un dispositif vibrant fonctionnant mécaniquement ou électriquement d'une manière cyclique.
Comme dans le cas d'une décharge en arc, c'est la cathode qui est chauffée le plus, dans les cas où un effet de préchauffage relativement
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marqué doit être produit par la décharge en arc, il peut être préférable de faire de l'organe coupeur l'anode pendant la phase en arc, mais d'en faire la cathode pendant la phase à étincelles..
On comprendra que l'inversion ' requise de polarité doit être effectuée avec une grande rapidité à l'effet de prévenir l'extinction de la décharge, et bien qu'il soit possible d'uti- liser un courant alternatif de forme d'onde appropriée pour les phases d'étincelles et d'arc, lequel courant peut être interrompu ou affaibli cycliquement pour produire les intervalles entre les phases de décharge, il est préférable d'utiliser une alimentation en courant continu pour les plia- ses d' étince lle s et d'arc et d'employer une commande à valve électronique pour effectuer l'inversion instantanée de polarité.
Cette méthode est préférée en particulier lorsqu'on désire ef- fectuer tant la décharge par étincelles que celle par arc en utilisant la décharge de capacités en parallèle avec le circuit formé par le oputeau et l'ouvrage, une capacité étant connectée de manière à faire de l'organe coupeur la cathode pendant la période d'étincelles et l'autre capacité étant connectée de manière à faire du couteau l'anode pendant la période d'arc.
Dans une variante de ce type de circuit, il est également possible de connecter le s deux capacités au circuit de manière telle que leurs deux décharges font de l'organe coupeur la cathode bien que leurs ' décharges ne soient pas coïncidentes mais déphasées, c'est-à-dire que la capacité qui, pendant une période de décharge, se décharge la dernière, commence à décharger dans le circuit dont l'organe coupeur et l'ouvrage font partie avant que le voltage aux bornes de la première capacité est tombé en un point ou sa décharge poursuivie serait rendue impossible par interruption du circuit par l'action de refroidissement et de rupture du courant du fluide dans l'intervalle ou inter-espace entre l'organe coupeur et l'ouvrage.
Les flancs dé l'électrode de coupe peuvent être isolés pour concentrer la décharge à étincelles et limiter l'étendue sur laquelle le matériau est soumis à l'action de coupe.
Dans la présente description, l'expression "coupe" est desti- née à englober toute opération pour l'enlèvement de matière de la pièce d'ouvrage.
REVENDICATIONS.
1. Un appareil pour couper des matériaux électriquement con- ducteurs, constitué d'un organe coupeur dont le bord coupant est maintenu, pendant l'opération de coupe, dans une position proche, prédéterminée, de la matière à enlever de la pièce d'ouvrage, un circuit électrique dans lequel sont compris l'organe coupeur et l'ouvrage, et une source d'alimen- tation de courait continu, d'une manière telle que des décharges électri- ques sont produites continuellement au bord coupant de l'organe coupeur, les dites décharges alternant entre une décharge par étincelles et une dé- charge en arc, la décharge par étincelles servant à évaporer la matière préchauffée par la décharge en arc précédente, et des moyens propres à maintenir, tandis que la coupe progresse, un écoulement de fluide à travers la zone de coupe,
pour en enlever la matière désintégrée de la pièce d'ou- vrage et maintenir la zone de coupecontinuellement refroidie.
2. Un appareil pour couper des matériaux, selon la revendica- tion précédente, dans lequel un mouvement relatif est maintenu entre le bord coupant et l'ouvrage à l'endroit de la coupe.
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