Procédé d'usinage par électro-érosion
La présente invention concerne un procédé d'usi- nage par électro-érosion d'une pièce électriquement conductrice et un appareil pour la mise en ceuvre de ce procédé. Ce procédé s'applique en particulier à la formation d'orifices non circulaires dans des filières servant à la production de fibres synthétiques.
On connaît un procédé d'usinage par électro-érosion, dans lequel on place une électrode en regard d'une surface de la pièce à usiner, on connecte cette électrode au côté négatif d'une source de courant électrique continu, on connecte la pièce à usiner au côté positif de ladite source, on déplace l'électrode parallèlement à la surface à usiner de la pièce-et à proximité immédiate de cette surface pendant qu'on provoque une décharge par étincelle entre elles et on déplace simultanément la pièce à usiner transversalement par rapport au déplacement de l'électrode.
Les inconvénients majeurs de ce procédé sont la lenteur de l'usinage et les surfaces usinées légèrement grossières, granulées. Le coût élevé, dû à la lenteur de la production, est en pratique le principal facteur qui limite l'utilité de ce procédé connu.
On a maintenant découvert que l'on remédie à ces inconvénients en établissant un courant de gaz contenant de l'oxygène libre, dirigé vers le point de décharge des étincelles.
En langage courant, les termes capillaire , orifice et trous sont employés indifféremment pour décrire l'ouverture dans la plaque de filière, par laquelle traverse le polymère. Ces termes sont employés dans l'exposé qui suit, mais, pour une description précise, on fait les distinctions suivantes: capillaire se rapporte à l'ensemble du passage à travers la plaque de filière, c'est-à-dire à la forme tridimensionnelle du passage, y compris sa longueur axiale et la forme de sa section.
Orifice se rapporte à l'ouverture à chacune des extrémités du capillaire et est implicitement stricternent bidimensionnel.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, trois formes d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Les fig. 1 et 2 représentent schématiquement les deux premières formes d'exécution;
la fig. 3 représente un détail de la troisième forme d'exécution;
la fig. 4 montre des formes de divers orifices qui peuvent être aisément obtenues par le procédé selon l'invention;
la fig. 5 est une représentation graphique de certaines caractéristiques indiquées au tableau I, qui montre l'effet de la concentration d'oxygène dans l'atmosphère locale sur la vitesse d'enlèvement de métal par le procédé selon l'invention;
la fig. 6 est une représentation graphique de l'effet de la vitesse d'écoulement locale du gaz atmosphérique sur la vitesse d'enlèvement de métal par le procédé selon l'invention, et
la fig. 7 est une représentation graphique des données illustrant l'effet de la vitesse axiale de l'électrode filiforme sur la vitesse d'enlèvement de métal par le procédé selon l'invention.
La fig. I montre deux poulies 1 et 3, électriquement non conductrices et pouvant tourner librement; les axes de ces poulies sont supportés par un bâti (non représenté). Un fil fin 2, qui constitue l'une des électrodes (cathode) d'un circuit électrique, passe sur ces deux poulies. Une extrémité du fil est fixée en 4 à une extrémité d'un ressort hélicoïdal 5, qui est lui-même fixé à un bâti par un tenon 6, vautre extrémité du fil étant fixée à un raccord ou crochet 7, qui pivote autour d'une broche fixée à une roue d'entraînement 8. La roue 8, les poulies 1 et 3 et le tenon 6 sont tous isolés électriquement du bâti; cela est le plus facilement réalisable en utilisant pour ces parties une matière plastique non conductrice telle que du nylon, du polystyrène, du polyméthacrylate, etc.
Le chiffre 9 indique une coupe schématique d'une plaque métallique de filière avec cavité à la face arrière et trou pilote par lequel passe l'électrode filiforme 2. La filière est fixée par des pinces (non représentées) à un plateau de précision 10, comme celui qui est couramment employé pour des perceuses et fraiseuses; à l'aide d'un dispositif 10a, tel que vis micrométriques et axe de rotation, le plateau 10 peut être déplacé avec précision dans des sens quelconques, de même que la filière. On peut naturellement ne prévoir que le déplacement de la filière. Une source de courant continu D.C. est reliée selon les polarités indiquées. Un ampèremètre A et un rhéostat ou potentiomètre P sont couplés en série, de façon que l'intensité du courant dans le circuit puisse être réglée à la valeur désirée; un voltmètre peut également être prévu.
Il y a lieu de noter que l'électrode négative (cathode) de la source de courant est reliée électriquement à chacune des deux extrémités de l'électrode filiforme, par le ressort 5 et le fil boudiné 11. Une courte longueur de tube de faible diamètre intérieur 12, tel qu'un tube hypodermique, est fixée au bâti par une pince ajustable, de telle sorte que l'axe longitudinal du tube soit dirigé vers l'intersection du fil et de la face supérieure de la filière. Du gaz sous pression contenant de l'oxygène libre amené dans le tube hypodermique produit un jet à grande vitesse, qui vient directement frapper le fil, à l'endroit du contact de celui-ci avec la plaque de filière.
Le fonctionnement mécanique de l'appareil représenté à la fig. 1 est aisément compréhensible. Lorsque la roue 8 entraînée positivement tourne, le raccord pivotant 7 décrit un parcours circulaire, de sorte que le fil est mû axialement entre les deux poulies, sur une distance équivalente au diamètre du parcours circulaire. A chaque tour complet de la roue d'entraînement, le fil se meut tout d'abord dans un sens, puis sur une distance égale dans le sens opposé, c'est-à-dire un déplacement total égal à deux fois le diamètre du cercle de rotation du pivot 7. Du fait du mouvement de va-et-vient du fil et de la production d'étincelles entre le fil et la plaque de filière, du métal est enlevé par érosion.
Un gabarit 13, en matière électriquement non conductrice, placé sur la filière et en contact avec le fil, peut servir à guider le parcours de la filière par rapport au fil, lorsque la filière est déplacée par le plateau 10 pour produire la forme désirée de l'orifice. Le jet de gaz provenant du tube 12 assiste mécaniquement en chassant les particules érodées de la région active. Des mouvements et des observations de précision peuvent être faits à l'aide d'un microscope conventionnel de faible grossissement, disposé à une certaine distance et focalisé sur l'intersection du fil avec la face supérieure de la filière.
Sauf indication contraire, toutes les données de fonctionnement mentionnées ci-après, à titre d'exemple, ont été obtenues avec l'appareil de la fig. 1.
Dans les anciens procédés par électro-érosion, le circuit électrique comprenait généralement une batterie de condensateurs pour fournir un puissant à-coup de courant lors de la décharge par étincelle. L'électrode était soit immergée, soit enduite d'un liquide diélectrique, qui devait servir de refroidisseur et garantir une charge complète des condensateurs, tout en supprimant l'air dans la région d'érosion. Avec le dispositif actuel, les condensateurs et le liquide diélectrique sont supprimés du circuit, ce qui produit une nette amélioration des performances. La vitesse d'enlèvement du métal n'en est pas affectée et la variation dimensionnelle dans la largeur de la fente est réduite.
Au cours des essais qui ont abouti à la présente invention, pour obtenir l'exclusion d'air, tout en assurant un refroidissement supplémentaire de l'électrode, des jets de gaz inertes ont été tout d'abord dirigés sur l'électrode par le tube hypodermique 12 représenté à la fig. 1. Chacun des deux gaz inertes diatomiques, I'azote et le dioxyde de carbone, et un gaz monoanodique,
I'argon, ont été essayés. On a constaté, avec un certain étonnement, que lorsque l'air était supprimé à l'aide des gaz inertes, la vitesse d'enlèvement du métal devenait pratiquement nulle; il se produisait un peu d'étincelage, mais l'érosion du métal était négligeablement faible.
A la suite de cette constatation, on a essayé d'employer de l'air enrichi d'oxygène, ce qui montra la possibilité d'améliorer grandement le processus d'électroérosion: du fait de l'appoint d'oxygène dans l'atmosphère locale de la région active de l'électrode filiforme, la vitesse d'enlèvement du métal était accrue de 100 à 200 0/o, la précision dimensionnelle de la largeur de la fente était bien meilleure et la finition des parois du capillaire était nettement améliorée.
Les anciennes méthodes d'électro-érosion par électrode filiforme utilisaient du fil de cuivre, mais on a maintenant constaté que la précision est bien meilleure lorsque le fil est fortement tendu, à une valeur qui dépasse la résistance à la traction du cuivre, de sorte qu'un fil de cuivre s'use très rapidement et se rompt. Pour le procédé décrit, préférence est donnée à du fil de permanickel et surtout à du fil de tungstène pour l'électrode.
Le fil de tungstène dure indéfiniment, ne présente pas de traces d'usure, ni de modification fonctionnelle, et il permet une vitesse d'érosion un peu plus grande qu'avec d'autres genres de fils. Actuellement, chacun de ces trois types de fils mentionnés peut être obtenu pratiquement en tous les diamètres.
Par cycle, on entend une course complète du fil, tandis que la longueur de la course est la distance de déplacement du fil dans un sens, durant un cycle. Afin de ramener toutes les données à une base commune, la vitesse d'enlèvement du métal est exprimée en termes de volume de métal enlevé par unité de temps, à savoir le nombre de millimètres cubes de métal enlevé par minute.
Des bouteilles d'azote et d'oxygène du commerce ont été raccordées chacune à de petits rotamètres à flotteur à bille, eux-mêmes raccordés par un tube en matière plastique à un raccord en T; une tuyauterie partant du T était raccordée au tube hypodermique 12 de la fig. 1. En réglant les vitesses d'écoulement relatives de l'oxygène et de l'azote, la proportion d'oxygène dans le mélange gazeux était contrôlée. Un fil de tungstène de 0,121 mm de diamètre constituait -l'électrode, le rhéostat étant ajusté pour un courant de 600 milliampères, indiqué à l'ampèremètre A. La plaque de filière était en acier inoxydable, type 430, d'une épaisseur de 0,50 mm.
La longueur de la course était de 8,89 cm et la fréquence de 200 cycles par minute. Le débit du mélange gazeux était maintenu constant à 7 litres par minute, mesuré à 250 C, sous une pression d'une atmosphère. Des fentes rectilignes ont été formées par électro-érosion pendant 5 minutes et on a mesuré la longueur de coupe; deux coupes de 5 minutes furent faites avec chaque composition de gaz et les valeurs moyennes ont été employées pour calculer la vitesse d'enlèvement du métal comme cela est indiqué au tableau I et représenté graphiquement à la fig. 5.
Tableau I
Volume d'oxygène Vitesse d'enlèvement du métal
en O/o en mm3/mn
0 0,0005
14,3 0,0074
28,6 0,0082
42,8 0,0087
56,1 0,0118
71,4 0,0125
85,7 0,0135
100 0,0154
Comme le montrent ces données, la vitesse d'enlèvement du métal augmente rapidement avec la concentration d'oxygène dans l'atmosphère locale. La vitesse de coupe augmente très nettement dès que la concentration d'oxygène atteint 35 à 40 O/o et plus. L'air atmosphérique contient nominalement 21 /0 d'oxygène, en volume, et plutôt que d'employer un diluant, tel que l'azote, il est préférable de se servir d'air avec 15 à 200/0 d'oxygène supplémentaire, si l'on désire une légère augmentation de la vitesse de coupe.
L'atmosphère locale dans la région active de l'électrode devrait contenir au moins 35 O/o (en volume) d'oxygène libre et, de préférence, 50 à 100 /o.
La quantité effective d'oxygène gazeux fourni dans la région active de l'électrode affecte la vitesse de coupe.
Seule une très petite fraction de la quantité totale d'oxygène fourni est réellement efficace, mais un grand surplus d'oxygène est nécessaire pour garantir que de l'oxygène soit disponible à l'endroit de l'étincelle. Cela est démontré par les données indiquées au tableau ll et représentées graphiquement à la fig. 6, qui ont été obtenues dans les conditions suivantes:
Electrode filiforme: Tungstène de 0,121 mm
de diamètre
Courant: 600 mA
Matière de la filière: Acier inoxydable, type 430,
de 0,52 mm d'épaisseur
Longueur de course: 8,89 cm, 200 cycles/mn
De l'oxygène pur était insufflé par le tube hypodermique, dans l'une des séries d'essais, tandis que de l'air comprimé fut employé dans l'autre série.
Tableau il
EMI3.1
<SEP> Vitesse <SEP> d'enlèvement <SEP> du <SEP> métal
<tb> <SEP> Débit <SEP> de <SEP> gaz <SEP> en <SEP> mm3/mn
<tb> en <SEP> litres/mn <SEP> (250 <SEP> C, <SEP> 1 <SEP> at) <SEP> Air <SEP> Oxygène
<tb> <SEP> 1 <SEP> 0,0027 <SEP> 0,0092
<tb> <SEP> 2 <SEP> 0,0048 <SEP> 0,0102
<tb> <SEP> 3 <SEP> 0,0051 <SEP> 0,0105
<tb> <SEP> 4 <SEP> 0,0052 <SEP> 0,0108
<tb> <SEP> 5 <SEP> 0,0055 <SEP> 0,0122
<tb> <SEP> 6 <SEP> 0,0061 <SEP> 0,0144 <SEP>
<tb> <SEP> 6,5 <SEP> (maximum <SEP> d'air) <SEP> 0,0067
<tb> <SEP> 7 <SEP> 0,0154
<tb> <SEP> 8 <SEP> (maximum <SEP> d'oxygène) <SEP> - <SEP> <SEP> 0,0149
<tb>
Ces données montrent que la vitesse de coupe augmentait avec le débit de gaz jusqu'à environ 7 litres/mn et que, pour tous les débits,
la vitesse d'enlèvement du métal est d'au moins 100 O/o plus grande avec l'oxygène qu'avec l'air.
La vitesse de coupe dépend également de la longueur de la course et de la vitesse de déplacement axial du fil. Dans un cas extrême, la longueur de la course peut être inférieure à l'épaisseur du métal à couper, alors qu'il n'y a manifestement pas de limite supérieure, sauf par limitations physiques. On a toutefois constaté que, pour l'emploi en pratique dans la production de filières, la longueur de la course ne devrait pas être inférieure à environ 2,5 om, ni dépasser 15 cm, la limite inférieure étant la plus importante. La vitesse de déplacement axial du fil a une grande importance et elle dépend, évidemment, de la longueur de la course, de telle sorte qu'il faut une plus grande fréquence de vaet-vient pour obtenir une vitesse donnée, lorsque la lon- gueur de la course est réduite.
La portée de ces facteurs est illustrée par les données représentées graphiquement à la fig. 7, qui ont été obtenues par le fonctionnement d'un appareil selon la fig. 1, dans les conditions générales suivantes
Electrode filiforme: Tungstène, 0,121 mm de
diamètre
Courant: 600 mA
Débit d'oxygène: 7 litres/mn
Matière de la filière: Acier inoxydable, type
430, 0,53 mm d'épais
seur
La longueur de la course fut modifiée entre 0,47 et 11,43 cl et la fréquence entre 500 et 800 cycles/mn.
Des longueurs de la course sont indiquées à la fig. 7.
Pour ramener les diverses données à une base - commune, la vitesse de déplacement axial de l'électrode est exprimée en mètres par minute.
Comme l'indique clairement la fig. 7, une vitesse de coupe maximale, pour une longueur de course donnée, peut être atteinte et une plus forte augmentation de la vitesse de l'électrode n'augmente plus guère la vitesse d'enlèvement du métal. On voit également qu'une notable vitesse d'enlèvement du métal n'est atteinte qu'à partir d'une vitesse de l'électrode d'environ 12m/mn.
Les positions effectives des courbes de la fig. 7 sont décalées vers le haut ou vers le bas, selon le diamètre du fil et d'autres facteurs, mais il n'y a que peu de différence dans l'axe de la vitesse de l'électrode. En ce qui concerne les exemples indiqués à la fig. 6, la vitesse maximale d'enlèvement du métal a été obtenue avec une longueur de course de 9,90cm et une vitesse de déplacement axial de l'électrode d'environ 36 m/mn.
Selon¯ lue procédé décrit, une longueur de course entre 2,5 et 15 cm, de préférence entre 5 et 12 cm, doit être prévue pour une vitesse axiale d'au moins 12 m/mn et, de préférence, comprise entre 15 et 76 m/mn.
Comme cela a déjà été mentionné, la présence d'oxygène libre supplémentaire dans l'atmosphère locale entourant l'électrode filiforme active augmente la vitesse d'enlèvement du métal et améliore étonnamment la précision des dimensions et la finition des parois du capillaire. La largeur effective de la fente formée par un fil d'un diamètre donné dépend nettement de l'intensité du courant dans le circuit.
Ainsi, par exemple, une électrode en fil de tungstène de 0,068 mm de diamètre a été employée dans des conditions analogues, sauf que de l'oxygène était projeté contre l'électrode dans un cas et de l'air dans l'autre cas, pour percer de l'acier inoxydable, type 430, d'une épaisseur de 0,5 mm:
Largeur de la fente, en mm
EMI4.1
<tb> Courant, <SEP> en <SEP> mA <SEP> Air <SEP> Oxygène
<tb> <SEP> 150 <SEP> 0,0762 <SEP> 0,0762
<tb> <SEP> 465 <SEP> 0,0811 <SEP> 0,0762
<tb> <SEP> 600 <SEP> 0,0360 <SEP> 0,0762
<tb>
La vitesse d'enlèvement du métal augmente donc avec l'intensité du courant mais la largeur de la fente demeure constante pour une gamme considérable de courant lorsque de l'oxygène est employé au lieu d'air.
La différence est encore plus prononcée quand il s'agit d'un fil de perma-nickel; avec de l'air et du courant de 600 mA, la largeur de la fente atteint environ 0,093 mm. I1 en est de même avec des fils d'autres dimensions; un fil de tungstène de 0,121 mm de diamètre forme une fente de 0,126 mm de largeur avec de l'oxygène. Par un choix convenable du diamètre du fil, la largeur de la fente peut être obtenue entre de très étroites limites et être parfaitement reproduite.
Lorsque de l'air est employé, la finition des parois du capillaire devient progressivement plus grossière, au fur et à mesure - que la vitesse d'enlèvement du métal est augmentée, soit par augmentation de l'intensité du courant, soit par augmentation de la vitesse de l'élec- trode. I1 était donc d'autant plus étonnant de constater que la finition des parois du capillaire est grandement améliorée lorsque la vitesse d'enlèvement du métal est augmentée en présence d'oxygène libre supplémentaire.
I1 en résulte une paroi si lisse qu'aucun autre traitement n'est nécessaire avant de mettre la filière en service. La meilleure uniformité d'écoulement du polymère, lors du filage à fusion, est directement observable à la tuyère, ce qui est confirmé par la variation en deniers entre filaments dans le filé.
On peut admettre que l'amélioration du fini des parois du capillaire tient à au moins deux facteurs. L'électro-érosion opérée normalement dans un liquide diélectrique ou en présence d'un gaz particulièrement inerte implique probablement l'enlèvement de particules de métal libre; ces particules sont effectivement arrachées de la masse métallique par l'action de l'étincelle électrique et l'électrode qui se déplace traîne ces particules relativement dures sur la surface du métal, de sorte qu'il en résulte des parois piquées ou granuleuses. Par contre, avec de l'oxygène libre disponible à l'endroit de l'étincelle, il est probable que la surface du métal s'oxyde rapidement, de sorte que seuls des oxydes métalliques friables, plus tendres, sont enlevés par érosion, plutôt que des particules du métal.
Cette supposition paraît être confirmée par le fait que l'aluminium ne s'érode guère, lorsqu'il est traité conformément au procédé dé crit il ne se produit que très peu d'étincelage et la vitesse d'érosion est négligeable. On sait également que l'aluminium métallique s'oxyde presque instantanément en contact avec de l'oxygène libre, pour former une très fine pellicule dure, transparente, d'alumine; étant donné que ce film d'oxyde n'est pas conducteur, le processus d'électro-érosion ne peut pas se dérouler, à moins d'avoir recours à une tension prohibitivement élevée et, même dans ce cas, le processus serait extrêmement erratique.
Des oxydes métalliques, surtout l'oxyde de fer, formés en appliquant le procédé décrit, sont de fins abrasifs naturels; l'oxyde ferrique (colcotar), par exemple, est un abrasif bien connu, qui sert à polir les pierres précieuses, les verres d'optique, les surfaces métalliques réfléchissantes, etc. Il est probable que les particules d'oxyde métallique formées durant le processus d'électro-érosion contribuent effectivement à un polissage de la paroi . du capillaire,- du fait que l'électrode filiforme qui va et vient déplace les particules d'oxyde le long de la paroi du capillaire.
La fig. 4 représente un certain nomlire de sections d'orifices de filières, qui peuvent être aisément formées avec le procédé décrit. Le cercle en traits interrompus indique la position à laquelle le trou pilote peut être situé pour commencer le mouvement de va-et-vient de l'électrode filiforme à travers la plaque de filière. Des limites incurvées de n'importe quelle forme peuvent être.
aussi bien obtenues que des limites rectilignes. En gé-: néral, un trou pilote doit être percé pour chaque groupe de- fentes interconnectées. Un gabarit en matière non conductrice, telle que de la céramique ou, de préférence, du saphir synthétique (alumine), peut servir à assister le déplacement opérationnel commandé de la filière, relativement à l'électrode.
Pour la section en Y d'un capillaire, représentée en d à la fig. 4; par exemple, il faudrait placer un gabarit rectiligne sur la plaque de filière, comme indiqué en 13. à la fig. 1; l'opérateur déplace alors périodiquement la filière, de manière que l'électrode filiforme se déplace parallèlement au bord rectiligne du gabarit, en le touchant légèrement; le gabarit est déplacé à une nouvelle position au fur et à mesure que chacune des trois fentes rectilignes qui constituent l'orifice est achevée. Un gabarit incurvé est employé d'une manière analogue pour obtenir des limites incurvées, comme représenté en f à la fig. 4.
Lorsqu'un très grand nombre de capillaires du même type doivent être formés, il est préférable d'abandonner le gabarit direct et d'avoir recours à une méthode de reproduction mécanique des déplacements, par exemple un système pantographique, pour déplacer la filière sur le parcours dé siré, relativement à l'électrode filiforme.
Un nouveau phénomène d'une portée pratique est observé dans l'action de l'électrode filiforme utilisée.
Lorsqu'une atmosphère locale enrichie en oxygène est prévue, le fil agit comme s'il était attiré par la région d'érosion active de la plaque de filière, c'est-à-dire que le fil paraît être attiré à l'endroit d'étincelage par une force agissant perpendiculairement à l'axe du fil. L'importance pratique de cet effet est que le fil a maintenant une tendance naturelle à suivre le parcours guidé, dès que l'électro-érosion a commencé. Avec des gabarits rectilignes, le fil tend à demeurer en contact étroit avec le bord du gabarit, et, dans le oas de filières guidées par articulations, le fil suit avec une grande précision les changements de direction imposés, sans avoir tendance à s'écarter de la course, contrairement à ce qui se passe lorsqu'on n'emploie que de l'air.
Cette stabilisation de l'électrode active par le phénomène d'attraction contribue probablement, elle aussi, à améliorer la précision dimensionnelle obtenue avec le procédé décrit.
Ce phénomène de stabilisation de l'électrode par attraction demeure inexpliqué. L'idée d'une attraction magnétique entre le fil de tungstène et la plaque en acier inoxydable, type 430, a dû être abandonnée, parce que le même phénomène s'observe avec du fil de tungstène et de l'acier inoxydable, type 316, aucun des deux matériaux n'étant magnétique. Une permutation des raccordements aux bornes entre les deux extrémités du fil montrait que n'importe quelle force due uniquement à une interaction électromagnétique entre le champ magnétique entourant le fil et celui qui accompagne le flux de courant à travers la plaque de filière doit être négligeable, comparé à l'effet de la présence ou de l'absence d'oxygène libre supplémentaire dans l'entourage du fil.
Il se pourrait que l'attraction soit due essentiellement à la consommation d'oxygène dans la région d'érosion active, car ce phénomène est à peine discernable lorsque de l'air seul est employé. Lorsque de l'oxygène dans la région d'étincelage se combine avec le métal, pour former un oxyde, le volume de l'oxygène gazeux devient nul, de sorte que d'autre oxygène libre doit s'écouler dans la région; pour chaque 0,00008 mm5 d'acier inoxydable enlevé sous forme d'oxyde, il faut un débit d'environ 0,0328 mm3/mn d'oxygène dans la région d'érosion. Il doit donc y avoir une zone de basse pression dans la région d'étincelage, de sorte que la pression plus élevée de l'atmosphère d'oxygène pousse le fil vers cette région. Quelle que soit la vraie explication, il n'en reste pas moins que ce phénomène est réel et d'une utilité pratique.
Des modifications supplémentaires dans l'appareil, comme indiqué à la fig. 2, réduisent efficacement les variations dans la vitesse d'enlèvement du métal, améliorent Fefficacité de l'emploi de l'oxygène et augmentent encore nettement la vitesse d'enlèvement du métal.
Comparativement à la fig. 1, les deux poulies 1 et 3 sont maintenant en matière électriquement conductrice, de préférence en aluminium ou en cuivre plaqué argent; les paliers de ces poulies sont isolés par rapport au bâti et chaque poulie est reliée au pôle négatif de la source de courant continu, à l'aide de balais à ressort 19 et 20, qui frottent directement contre les poulies, ou par d'autres moyens usuels, pour établir une connexion électrique avec des membres rotatifs. Du courant s'écoule par le fil vers les poulies, de sorte que la longueur effective du fil dans le circuit électrique est constante à toutes les parties du cycle. De l'oxygène est amené à la région d'étincelage par un tube 14 avec branche en T pour admettre un courant mesuré d'oxygène. Un petit jonc 16 assure l'étanchéité du tube 14 contre la surface inférieure de la filière.
L'électrode filiforme 2 passe par un petit oeillet non conducteur, résistant à l'abrasion, dont le trou est juste suffisamment grand pour que le fil puisse passer librement. Un peu de l'oxygène introduit dans le tube 14 s'échappe par l'oeillet 15, mais une beaucoup plus grande fraction est forcée de passer à travers le capillaire qui est érodé par l'électrode filiforme, ce qui assure une atmosphère saturée d'oxygène et une grande efficacité. L'expérience montre que, au fur et à mesure que l'érosion se poursuit et que le capillaire s'agrandit, il se produit une légère diminution de la vitesse d'enlèvement du métal, probablement parce qu'une plus grande quantité d'oxygène s'écoule par la région ouverte adjacente à l'électrode.
Cet écoulement peut être réduit en plaçant autour du fil un léger tube 17 en matière plastique qui ne serre pas et est maintenu par une bague métallique 18, qui repose simplement sur la bride du tube 17; ce dispositif n'est normalement pas employé lorsqu'un gabarit rectiligne est placé sur la filière. Avec la disposition représentée à la fig. 2, des opérateurs d'une habileté modeste peuvent atteindre une grande adresse dans l'alignement de la filière et de l'électrode et ils sont capables de surveiller deux machines en même temps.
La fig. 3 représente schématiquement une autre disposition pour améliorer l'efficacité d'utilisation de l'oxygène, pratiquement encore meilleure qu'avec la méthode représentée à la fig. 2, mais exigeant plus de soin et de patience de la part de l'opérateur. Un second tube hypodermique 21, qui fournit un courant mesuré d'oxygène, est monté sous le plateau de précision 10, pour diriger un jet d'oxygène vers le haut, dans le pointage du capillaire qui est formé par l'électrode 2. De préférence, les deux courants d'oxygène dans les tubes 12 et 21 sont mesurés indépendamment, le tube 21 n'exigeant généralement qu'environ la moitié moins d'oxygène que le tube 12, pour un fonctionnement efficace.
Comme cela est indiqué aux fig. 1 et 2, les deux extrémités de l'électrode filiforme sont reliées à la borne négative de la source de courant continu. Ce parcours parallèle du courant supprime les fortes fluctuations de courant et de tension que révèlent des ampèremètres et voltmètres à amortissement ordinaire, lorsque seulement l'une des extrémités du fil est raccordée.
L'uniformité de l'usinage est ainsi améliorée et on obtient également une légère, mais nette, augmentation de la vitesse de coupe, comme l'indiquent les données suivantes:
Electrode filiforme: Tungstène, 0,06 mm de diamètre; largeur de fente 0,066 mm
Vitesse de l'électrode: 24,4 m/mn; course de 8,25 cm
Courant: 300 mA
Débit d'oxygène: 5 litres/mn
Matière de la filière:
Acier inoxydable, type 316, de 0,076 mm d'épaisseur
Vitesse d'enlèvement du métal
Condition de l'électrode en mm3/mn
Deux extrémités raccordées 0f0032
Extrémité inférieure seule raccordée 0,0028
Extrémité supérieure seule raccordée 0,0031
Deux extrémités de nouveau raccordées 0,0032
Polarité inversée, les deux extrémités à t pas d'érosion
La vitesse effective d'enlèvement du métal dépend, comme déjà noté, de nombreux facteurs contrôlables, tels que courant, vitesse de l'électrode, débit de l'oxygène, concentration de l'oxygène, etc. La vitesse d'usinage dépend naturellement du type de matière à percer; c'est ainsi, par exemple, que l'aluminium ou 1' incoloy ne peuvent pratiquement pas être érodés par le procédé décrit.
Par contre, les métaux de base, utilisés presque universellement pour les filières de filage à fusion, à savoir les aciers inoxydables, sont aisément percés avec ce procédé. Les aciers inoxydables, types 316 et 430 sont les plus souvent employés pour les filières. D'autres matières moins communes, telles que le titane, sont également usinables facilement selon ce procédé.
Une électrode en fil de tungstène de 0,121 mm de diamètre, avec un courant de 600 mA et un débit d'oxygène de 7 litres/mn, a été utilisée pour obtenir les données indiquées au tableau III, en vue de montrer des différences dans les vitesses de perçage de différentes matières.
Tableau 111
Epaisseur du métal Vitesse d'enlèvement du métal
Métal en mm en mm3/mn
Acier inoxydable type 316 0,635 0,0172
0,814 0,0099
1,676 0,0083
Acier inoxydable type 430 0,508 0,0076
0,764 0,0078
1,600 0,0062
Titane 0,508 0,0063
0,764 0,0057
1,600 0,0062
ll y a lieu de noter que l'acier inoxydable, type 316, est percé beaucoup plus rapidement que le type 430 et que toutes les trois matières sont enlevées à une vitesse beaucoup plus grande que même pour l'acier 316, lorsque son électro-érosion s opère en l'absence d'oxygène supplémentaire.
N'importe quelle source usuelle de courant continu peut être employée dans le circuit décrit, par exemple une cellule chimique primaire, une génératrice de courant continu ou une source de courant alternatif avec redresseur. La tension requise dépend de la longueur du fil et de la grandeur physique adoptée pour la machine d'électro-érosion. Dans des anciennes machines, les poulies 1 et 3 de la fig. 1, qui guident le fil, étaient espacées verticalement de plusieurs décimètres. On a maintenant trouvé qu'un espacement de 25 à 50 cm est tout à fait convenable pour la fabrication de filières et de tuyères d'extrusion normales. Avec de telles dimensions, on obtient des machines compactes, mais d'un emploi très varié, pour lesquelles convient une tension de 5 à 25 volts.
Une force électromotrice de 9 à 15 volts est normalement suffisante pour obtenir un courant de 600 mA au maximum, ce qui est un optimum raisonnable. I1 est parfois désirable d'augmenter l'intensité du courant pour compenser un facteur particulier, tel que des capillaires très longs, mais du courant nettement supérieur à un ampère risque de produire une paroi plus grossière, ce qui est indésirable.
L'effet général du courant sur la vitesse de coupe est indiqué par les données ci-après, qui ont été obtenues pour de l'acier inoxydable, type 430, percé avec une électrode en fil de tungstène de 0,121 mm de diamètre et un débit d'oxygène de 7 litres/mn. La source de courant continu était un redresseur sans batterie, donnant un courant redressé légèrement ondulé.
Vitesse d'enlèvement du métal
Courant, en mA en mm3/mn
200 0,0089
600 0,0177
1000 0,0348
Bien que l'on ait insisté surtout sur le formage de capillaires de filières, le procédé décrit est également applicable à l'usinage de surfaces de diverses pièces de travail, mais son plus grand avantage se manifeste lorsque les fentes ne dépassent pas 0,635 mm de largeur et lorsqu'une grande précision est requise.
Le procédé et l'appareil décrits permettent une produotion pratique de filières avec des capillaires non circulaires, tout en réduisant considérablement le coût du travail et en augmentant nettement la qualité du résultat. Plusieurs centaines de capillaires plus ou moins analogues à la forme représentée en f à la fig. 4, mais avec trois fentes incurvées de 0,089 mm de largeur et 0,894mm de longueur, ont été formés dans les conditions d'électro-érosion les plus favorables selon l'ancienne méthode, afin d'obtenir des indications précises concernant la production.
Avec le procédé de l'invention et en utilisant la disposition représentée à la fig. 2, le même type de capillaire peut être formé en un tiers du temps nécessité précédemment, avec une réduction globale du coût de production d'environ 85 0/o. En outre, la qualité des filières est meilleure et tous les capillaires d'une filière ont pratiquement les mêmes dimensions, la même forme et la même finition.