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L’USINAGE PAR ELECTROEROSION

I. INTRODUCTION

L’usinage par électroérosion ou usinage par étincelage est un procédé d’usinage par enlèvement

de matière. Ce sont les étincelles générées entre une électrode et la pièce qui arrachant des

particules de matière, servent en quelque sorte d’outil de découpe.

L'électro-érosion (EDM - Electric Discharge Machining ) est un procédé d'usinage

essentiellement utilisé pour produire des matrices, des moules et certaines pièces

métalliques.Figure 1.

Figure1 : Exemple de matrices et de moules

L'électro-érosion peut également produire des objets finis, comme de l'outillage de coupe, des

pièces taillées dans la masse et des pièces aux formes complexes. Figure 2

Figure2 : Exemple de pièces complexes

II. PRINCIPE DE L’USINAGE PAR ELECTROEROSION

L'électro-érosion est un procédé d'usinage qui consiste à enlever de la matière dans une pièce en

utilisant des décharges électriques comme moyen d'usinage. Cette technique se caractérise par

son aptitude à usiner tous les matériaux conducteurs de l'électricité (métaux, alliages, carbures,

graphites, etc.) quelle que soit leur dureté. Pour usiner par électro-érosion, 4 éléments sont

nécessaires: Figure 3

Une électrode

Une pièce

Du dielectrique

De l'électricité

Figure3 : Les éléments d’usinage par électroérosion

Le diélectrique (eau ou huile minérale) a comme tâche de réduire la température dans la zone

d'usinage, d'enlever les particules métalliques résiduelles et de permettre la création de l'étincelle.

Figure 4.

Ces étincelles sont produites par un générateur d'étincelles. Elles vont, par intervalle régulier,

créer une succession de cratères dans la pièce. Chaque étincelle dégage une température

comprise entre 8000 et 12000 °C. La grosseur du cratère dépend de l'énergie régulée par le générateur d'étincelles. La portée de l'étincelle varie entre quelques microns et 1mm.

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Figure 4Création de l'étincelle

III. LE PROCESSUS PHYSIQUE

Le processus d'étincelage comprend 6 phases : Figure 5

1 Approche de

l'électrode vers la pièce.

Les deux éléments sont

sous tension.

4 Claquage de l'étincelle.

La matière de la pièce

fusionne localement, se

consume. L'électrode

subit une faible usure.

2 Concentration du

champ électrique vers le

point où l'espace

électrode pièce est le plus

faible.

5 Coupure du courant.

Implosion de l'étincelle..

3 Création d'un canal

ionisé entre l'électrode et

la pièce

6 Evacuation des

particules métalliques par

un arrosage du

diélectrique.

Figure 5 : les 6 phases du processus physique.

L’application d’une tension génère un champ électrique entre l’électrode et la pièce (espace

appelé Gap). La tension de claquage dépend :

de la distance pièce/électrode (le Gap)

du pouvoir isolant du diélectrique

de l’état de pollution du Gap

L’érosion sur le couple électrode/pièce n’est pas symétrique, elle est plus profonde sur la pièce :

elle dépend de nombreux facteurs

La polarité (Ébauche : électrode négative)

La conductivité thermique de l’électrode et de la pièce

La durée et l’intensité de la décharge électrique

Le diélectrique

IV. LA MACHINE D’USINAGE PAR ELECTRO-EROSION

La machine d’usinage par électro-érosion est constituée de 4 composantes principales. Figure 6

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o Bâti (isolé)

o Tête d’usinage (isolé)

o Générateur

o Groupe diélectrique

Figure 6 : les composantes d’une machine

d’électroérosion

V. PERFORMANCES 5-1) Zone thermiquement affectée

L’usinage par électroérosion crée des surfaces qui présentent trois couches Figure7 :

Couche blanche : Métal fondu re-solidifié

o Fusion puis solidification rapide ;

o Couche hétérogène et riche en carbone ;

o Présence de fissures ;

o Nécessite un polissage.

Couche intermédiaire : Métal trempé

Couche intermédiaire adoucie : Métal revenu

Figure 7 : les couches thermiques

5-2) Débit de matière. Qualité géométrique. Usure de l’outil

Le procédé est caractérisé par trois critères techniques principaux : le débit de matière, l’état de

surface, l’usure de l'électrode outil.

Le débit de matière est limité par l'énergie mise en jeu par chaque décharge et par le

principe même (fusion-vaporisation-éjection). Il peut atteindre 1 cm3/min en ébauche

(énergie de l'ordre de 1 J). Il est de quelques mm3/min en finition (énergie de 10-5

à 10-4

J).

Il dépend principalement de l’intensité du courant et de la durée de l’impulsion. Le débit

de matière est limité par l’évacuation des particules érodées, qui est souvent difficile (en

finition, la distance entre électrodes est de quelques micromètres à quelques centièmes de

millimètre).

Chaque décharge crée un cratère sur la pièce : l’état micro géométrique de la surface est

constitué de cratères. La rugosité peut être bonne, à condition de mettre en jeu des

décharges de faible énergie : elle peut descendre au-dessous de Ra = 1 μm, et peut

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atteindre 0,2 μm. Il est difficile et peu économique d’essayer de faire mieux, l’énergie

devenant si faible que l’enlèvement de matière est trop lent. La rugosité n’a pas

d’orientation préférentielle (figure 10).

Le phénomène ayant lieu aux deux électrodes, l’électrode dite outil subit aussi un

enlèvement de matière, traduit en production par une usure relative : volume de matière

perdu sur l’outil, rapporté au volume de matière enlevé sur la pièce. L’usure est minimisée

grâce à l’utilisation de matériaux performants pour les électrodes : matériaux à haut point

de fusion ou vaporisation (graphites, tungstène), matériaux aptes à évacuer l’énergie par

conduction (cuivre, alliages cuivreux), ou une combinaison des deux (graphite avec

lamelles ou poudre de cuivre). Cependant, l’usure n’est pas nulle : elle est inférieure à 0,5

% en ébauche ; elle peut atteindre 30 à 50 % en finition.

5-3) Les limites de l’usinage par électroérosion

Le débit de matière, l’usure et l’état de surface dépendent essentiellement du choix du régime

d’usinage.

Une durée d’impulsion et une intensité élevées créent des cratères de grande dimension, ce qui

conduit à un débit de matière élevé et à un état de surface grossier. Inversement, une faible durée

de décharge et une faible intensité créent des cratères de petite taille, ce qui est traduit par un

faible débit de matière et un meilleur état de surface.

Les effets thermiques de la décharge ont une influence défavorable sur la tenue en fatigue des

pièces. Même pour de faibles régimes d’usinage, la tenue à la fatigue est notablement diminuée

par rapport à celle que l’on obtient par une finition mécanique soignée. Ces effets sont liés au

principe même du procédé : on ne peut les supprimer mais on peut les minimiser par le choix

des paramètres. Cependant, il subsiste, dans les meilleurs des cas, une couche perturbée de

quelques micromètres.

VI. ÉLECTROEROSION PAR DEFONÇAGE 6-1) Principe

La reproduction de forme par défonçage consiste à utiliser un outil de forme et à le déplacer

selon une direction. La matière est enlevée progressivement, et l’électrode outil reproduit petit à

petit sa forme dans la pièce, en négatif, avec une légère différence de cotes figure 8. Cette

technique nécessite la fabrication préalable d’une ou de plusieurs électrodes. Elle a été la

première utilisée, et représente environ 60 % des techniques mises en œuvre dans les machines

actuelles.

Son intérêt principal est de reporter la difficulté d’usinage direct de la pièce, liée au matériau ou

à la forme à produire, sur l’usinage de l’électrode, qui est plus aisé : d’une part, le matériau est

choisi facile à usiner à l’outil coupant (cuivre, graphite) ; d’autre part, la forme est plus aisée à

obtenir à l’outil coupant.

Cette technique est utilisée pour l’usinage de formes complexes aussi bien que pour le perçage.

Figure 8 : Usinage par défonçage

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6-2) Performances

6-2-1) Débit de matière, état de surface et usure

Les critères de performances (débit de matière, état de surface, et usure) sont représentés sur des

graphiques ou des abaques, comme celui de la figure 9.

Si l’on compare trois types de régimes de défonçage, on note des performances très nettement

différentes. Tableau 1.

L’ébauche est réalisée avec un débit de matière satisfaisant et une usure très faible, ce qui

permet d’enlever une grande partie de la matière sans trop changer la forme et les dimensions de

l’électrode, mais l’état de surface est grossier (Ra : 10 à 20 μm).

La finition fournit un état de surface assez bon, mais avec un débit de matière faible et une

usure notable : il convient donc de laisser à cette opération le soin d’enlever le moins de matière

possible, afin de ne pas allonger le temps de fabrication et, surtout, de ne pas déformer trop

l’électrode par usure. On enlèvera l’épaisseur de la rugosité de l’opération précédente,

éventuellement majorée d’un coefficient de sécurité.

Il sera souvent nécessaire d'effectuer une opération intermédiaire de demi-finition.

L’observation des performances annoncées montre que le débit de matière augmente avec l’état

de surface quand l’intensité est augmentée, ce qui parait logique, puisque cela correspond à une

augmentation de l’énergie des décharges.

Figure 9 : Débit de matière, état de surface et usure

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Tableau 1 : performances selon 3 régimes différents de défonçage

Aux fortes durées de décharge, comme en ébauche, l’usure de l’électrode est très faible : 0,2 %

par exemple. Par contre, en finition, puisqu’on est tenu de travailler avec des durées de décharge

faibles à cause de la rugosité souhaitée, l’usure de l’électrode est plus importante. Elle peut

atteindre 30 à 50 % (et ce avec un matériau à faible usure).

6-2-2) Matériaux d’électrodes

L’outil électrode doit être un bon conducteur électrique et d’usure réduite. Les métaux les plus

utilisés pour confectionner l’électrode son en générale : le cuivre, le graphite, le laiton.

Les meilleures électrodes sont celles en graphite : elle donne d'excellents résultats (on l'améliore

encore en la chargeant de cuivre). Sa température de fusion est de l’ordre de 3600°C.

Le cuivre électrolytique s'utilise pour des usinages particuliers avec une assez bonne

conductibilité thermique. Sa température de fusion est faible.

Le laiton donne un bon état de surface mais s'use beaucoup.

L’électrode est réalisé par usinage à commande numérique, usinage conventionnelle, ou

manuellement par ajustage.

6-2-3) Diélectriques

Le diélectrique a comme tâche de réduire la température dans la zone d'usinage, de permettre la

création de l'étincelle et d'enlever les particules métalliques résiduelles.

Le diélectrique est en général du pétrole ou de l’huile pour les machines EDM d’enfonçage.

La circulation du diélectrique peut être par simple aspiration d’un coté du bain (Figure 10) et

refoulement de l’autre coté (figure 11), ou à travers l’électrode par des trous d’aspiration ou de

refoulement. Figure 10.

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Figure 10 : circulation du diélectrique par aspiration

Figure 11 : circulation du diélectrique par refoulement

6-2) Applications

Les caractéristiques du procédé sont :

son aptitude à usiner les matériaux conducteurs de l’électricité (et certains semi-

conducteurs) ;

son aptitude à usiner des formes complexes (à partir d’une électrode) ;

son aptitude à fournir une très grande précision (la distance entre électrodes est une

constante du diélectrique et des paramètres électriques) ;

la nécessité d’accepter une usure de l’outil ;

la nécessité d’accepter un débit de matière faible, surtout en finition ;

la nécessité d’accepter un état de surface plutôt moyen ;

la nécessité d’accepter une couche de matière altérée.

C’est donc un procédé plutôt lent, qui ne fournit pas une surface d’excellente rugosité et qui

nécessite la fabrication d’un outil de forme. Ses seules qualités sont sa précision (à condition

de maîtriser l’usure et donc d’utiliser plusieurs électrodes) et son aptitude à produire des

détails très fins que l’usinage à l’outil coupant ne permettrait pas d’obtenir.

Les applications sont donc plutôt dans le domaine de la fabrication unitaire ou de petite série :

outillage, aéronautique, nucléaire, automobile (quelques applications).

L’outillage est le domaine privilégié d’application de l’électroérosion : matériaux difficiles à

usiner à l’outil coupant (aciers trempés, carbures) ; formes complexes d’accès délicat,

exemple :

outil de matriçage

moule d’injection de matière plastique

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VII. ÉLECTROEROSION PAR FIL 7-1) Principe

La découpe par fil consiste à utiliser un fil tendu et à le déplacer à l'aide de mouvements gérés

par une commande numérique 2 axes ou 4 axes (figure 12). La matière est enlevée

progressivement, et le fil reproduit petit à petit la forme programmée, avec une saignée un peu

plus grande que son diamètre (diamètre plus deux fois la distance inter électrode). Cette

technique ne nécessite pas la fabrication préalable d'une ou plusieurs électrodes, et est donc

naturellement flexible.

Son intérêt principal est de permettre de réaliser des découpes fines, grâce au petit diamètre du

fil (0,02 à 0,3 mm ; le plus souvent 0,2 ou 0,25 mm).

La technique est utilisée pour l’usinage de formes complexes, à condition qu’elles soient

formées de surfaces réglées (génératrice rectiligne). En effet, le fil doit être tendu pour que l’on

évite des débattements trop importants (le fil est, en fait, une corde vibrante soumise à des

sollicitations électriques à haute fréquence).

Figure 12 : principe du découpage par fil

7-2) Performances

7-2-1) Epaisseur de coupe et vitesse de coupe

Le débit de matière est exprimé par la surface coupée par minute (produit de l’épaisseur à

découper et de la vitesse de découpe). Il n’est pas constant et dépend de l’épaisseur : l’efficience

est maximale pour des épaisseurs de 50 à 150 mm.

La vitesse de découpe dépend de

matériau à usiner,

l’épaisseur de la pièce,

diamètre et de la nature du fil,

conditions d'arrosage,

la machine.

Lors de l’ébauche directe en pleine matière, les technologies modernes permettent de découper

des surfaces allant jusqu’à 320 mm2/min pour les aciers à outils, et 430 mm2/min pour les

alliages d’aluminium (dans des conditions optimales d'arrosage). Cela permet au procédé de

concurrencer de plus en plus les techniques classiques telles que le fraisage.

Le tableau 2 montre la vitesse de découpe pour divers matériaux comparés à l’acier trempé.

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Tableau 2 : Vitesse de découpe selon le matériau considéré

par rapport à l’acier pris comme référence

7-2-2) Qualité géométrique et métallurgique de la surface

La découpe par fil met en jeu une énergie plus faible que le défonçage. Par conséquent,

les perturbations métallurgiques sont plus faibles. Cependant, elles ne sont pas absentes, et

il peut être nécessaire d’enlever la couche perturbée si l’application l'impose.

Pour les applications courantes utilisant un fil standard de 0,2 mm, l’épaisseur de la couche

perturbée est de l’ordre de 2 à 5 μm dans l’acier.

Pour les carbures métalliques, des cratères grossiers peuvent être créés si les décharges ne sont

pas correctement maîtrisées.

L’état de surface dépend de la puissance utilisée. En ébauche rapide, en pleine matière, on

peut obtenir une rugosité Ra de 4 à 5 μm. En finition Ra est de l’ordre de 0,2 à 1 μm voir 0,1

μm pour des opérations de finitions poussées.

La qualité géométrique dépend aussi de la tenue du fil et, donc, de l’épaisseur de la découpe :

plus celle-ci augmente, plus le fil est soumis à des déflexions, et plus le risque de défauts est

grand. La géométrie est améliorée par des passes de finition (surfaçage) après la découpe

pleine matière. À ce jour, il est courant d'obtenir une précision dimensionnelle et de forme au-

dessous de 10 μm, et ce jusqu’à une épaisseur de 100 mm au moins, et il est possible d'obtenir

une précision de quelques micromètres, dans un environnement adapté.

La découpe est réalisée avec une vitesse de coupe satisfaisante (300 à 350 mm2/min pour

l’acier) et un état de surface plutôt bon (Ra = 0,8 à 1,6 μm). La précision dimensionnelle et de

forme est de un à quelques centièmes de millimètre selon les cas.

7-2-3) Matériaux pour fil

Deux événements peuvent interrompre les décharges ou les perturber : la rupture du fil, qui

arrête le phénomène ; un mauvais « lavage » de l'espace entre pièce et fil, qui peut conduire à

la création d’un courant continu.

Pour faire palier à ces événements, les matériaux pour les fils doivent avoir des

caractéristiques utiles :

haute résistance à la traction (limite élastique, charge de rupture) ;

haute conductivité électrique ;

basse température de fusion ;

basse température requise pour maintenir une pression de vaporisation donnée.

Le tableau 3 présente la plupart des matériaux utilisés pour les fils pour découpe par

électroérosion

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Tableau 3 : matériaux pour électrodes fils

7-2-4) Diélectrique

Le diélectrique utilisé est l’eau. Il est en effet nécessaire d’utiliser un fluide à très

faible viscosité pour évacuer correctement les particules et remplir l’espace inter électrode, qui

est très étroit. L’eau est le fluide le mieux indiqué, pour sa faible viscosité et son bas prix.

Pour lui fournir son caractère diélectrique, on utilise des résines piégeuses d’ions pour les dés

ionisés.

L’arrosage peut être réalisé sous pression, jusqu’à 2 Mpa, par exemple, pour forcer

l’évacuation des débris, particulièrement dans le cas de découpes complexes de forte épaisseur.

Certaines installations permettent la découpe de pièces entièrement immergées, ce qui assure

un bon renouvellement du fluide diélectrique et donne un meilleur maintien de la température

de la pièce.

7-3) Applications

Les caractéristiques du procédé sont :

son aptitude à découper les matériaux conducteurs de l’électricité (et certains semi-

conducteurs) ;

son aptitude à produire des formes complexes (à partir d’un fil et de déplacements à

commande numérique) ;

son aptitude à fournir une très grande précision (de 3 μm à 0,02 mm) ;

son aptitude à fournir un excellent état de surface (Ra de 0,2 à 0,8 μm) ;

l’absence de contrainte d’usure de fil (sauf nécessité de le dérouler) ;

la nécessité d’accepter une couche de matière altérée (quelques μm).

C’est donc un procédé plutôt lent, qui fournit une surface d’excellente qualité et qui ne

nécessite pas la fabrication d’un outil de forme. Ses qualités sont sa précision et son aptitude

à produire des détails très fins, que l’usinage à l’outil coupant ne permettrait pas d’obtenir.

Les applications sont donc plutôt dans le domaine de la fabrication unitaire ou de petite série :

outillage, aéronautique, nucléaire, médical, mécanique générale, automobile (quelques

applications).

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L’électroérosion par fil est utilisé pour usiner les aciers à outils (pour la production de

matrices, poinçons, filières...), cuivre, graphite, matériaux frittés (carbures métalliques,

céramiques semi-conductrices, diamants polycristallins) ou autres matériaux difficiles à usiner

par les procédés conventionnels, tels que des métaux purs (chrome, molybdène,..). Exemples :

outillage de découpage et de poinçonnage

outillage de frappe

outillages de frittage

Pour commencer un usinage il faut préalablement réaliser un trou dans la pièce ou débuter

depuis le bord. Figure 13.

Le fil peut s'incliner permettant ainsi de créer des pièces avec dépouilles ou avec des profils

différents en haut et en bas de la pièce. Figure 14

Figure 13 : découpage député à bord

Figure 14 : découpage par dépouille

VIII. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DES ETINCELLES

Typiquement, la tension d’amorçage des étincelles est de 80 à 200 V, l’intensité moyenne des

décharges de 1 à 20 A et leurs fréquences varient entre 1 000 Hz et 1 000 000 Hz.

Profil en tension et intensité des étincelles

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Etincelle courte de type EDM fil