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.
Electro-erosion machining process
The present invention relates to a method of machining by electro-erosion of an electrically conductive part and to an apparatus for carrying out this method. This process applies in particular to the formation of non-circular orifices in dies used for the production of synthetic fibers.
There is known a method of machining by electro-erosion, in which an electrode is placed opposite a surface of the workpiece, this electrode is connected to the negative side of a direct electric current source, the workpiece is connected. to be machined on the positive side of said source, the electrode is moved parallel to the workpiece surface to be machined - and in close proximity to this surface while a spark discharge is caused between them and the workpiece is simultaneously moved transversely to the displacement of the electrode.
The major disadvantages of this process are the slowness of the machining and the slightly coarse, granulated machined surfaces. The high cost, due to the slowness of production, is in practice the main factor limiting the usefulness of this known process.
It has now been discovered that these drawbacks are remedied by establishing a stream of gas containing free oxygen, directed to the point of discharge of the sparks.
In common parlance, the terms capillary, orifice and holes are used interchangeably to describe the opening in the die plate, through which the polymer passes. These terms are used in the discussion which follows, but, for a precise description, the following distinctions are made: capillary refers to the entire passage through the die plate, i.e. to the shape three-dimensional passage, including its axial length and the shape of its section.
Orifice refers to the opening at each end of the capillary and is implicitly strictly two-dimensional.
The appended drawing represents, by way of examples, three embodiments of the apparatus for carrying out the method according to the invention.
Figs. 1 and 2 schematically represent the first two embodiments;
fig. 3 shows a detail of the third embodiment;
fig. 4 shows shapes of various orifices which can be easily obtained by the process according to the invention;
fig. 5 is a graphical representation of certain characteristics shown in Table I, which shows the effect of the concentration of oxygen in the local atmosphere on the rate of metal removal by the process according to the invention;
fig. 6 is a graphical representation of the effect of the local flow rate of atmospheric gas on the rate of metal removal by the process according to the invention, and
fig. 7 is a graphical representation of data illustrating the effect of the axial speed of the wire electrode on the rate of metal removal by the method according to the invention.
Fig. I shows two pulleys 1 and 3, which are electrically non-conductive and can turn freely; the axes of these pulleys are supported by a frame (not shown). A fine wire 2, which constitutes one of the electrodes (cathode) of an electrical circuit, passes over these two pulleys. One end of the wire is attached at 4 to one end of a coil spring 5, which is itself attached to a frame by a tenon 6, the end of the wire being attached to a fitting or hook 7, which pivots around a pin attached to a drive wheel 8. The wheel 8, the pulleys 1 and 3 and the tenon 6 are all electrically isolated from the frame; this is most easily achieved by using for these parts a non-conductive plastic material such as nylon, polystyrene, polymethacrylate, etc.
The number 9 indicates a schematic section of a metal die plate with a cavity on the rear face and a pilot hole through which passes the filiform electrode 2. The die is fixed by clamps (not shown) to a precision plate 10, such as that commonly used for drills and milling machines; with the aid of a device 10a, such as a micrometer screw and axis of rotation, the plate 10 can be moved precisely in any direction, as can the die. Of course, only the movement of the die can be foreseen. A DC source of direct current is connected according to the indicated polarities. An ammeter A and a rheostat or potentiometer P are coupled in series, so that the intensity of the current in the circuit can be adjusted to the desired value; a voltmeter can also be provided.
It should be noted that the negative electrode (cathode) of the current source is electrically connected to each of the two ends of the wire electrode, by the spring 5 and the coiled wire 11. A short length of tube of small inner diameter 12, such as a hypodermic tube, is fixed to the frame by an adjustable clamp, so that the longitudinal axis of the tube is directed towards the intersection of the wire and the upper face of the die. Pressurized gas containing free oxygen brought into the hypodermic tube produces a high-speed jet which strikes the wire directly at the place of contact of the latter with the die plate.
The mechanical operation of the apparatus shown in FIG. 1 is easily understandable. When the positively driven wheel 8 rotates, the swivel joint 7 describes a circular path, so that the wire is moved axially between the two pulleys, a distance equivalent to the diameter of the circular path. With each complete revolution of the drive wheel, the wire moves first in one direction, then an equal distance in the opposite direction, i.e. a total displacement equal to twice the diameter of the pivot circle 7. Due to the back and forth movement of the wire and the production of sparks between the wire and the die plate, metal is eroded away.
A template 13, of electrically non-conductive material, placed on the die and in contact with the wire, can be used to guide the path of the die relative to the wire, as the die is moved by the plate 10 to produce the desired shape of the die. the orifice. The gas jet coming from the tube 12 assists mechanically by expelling the eroded particles from the active region. Precision movements and observations can be made using a conventional low-magnification microscope, placed at a distance and focused on the intersection of the wire with the top face of the die.
Unless otherwise indicated, all the operating data mentioned below, by way of example, were obtained with the apparatus of fig. 1.
In older EDM processes, the electrical circuit generally included a capacitor bank to provide a powerful surge of current during spark discharge. The electrode was either submerged or coated with a dielectric liquid, which was to act as a cooler and ensure full charge of the capacitors, while removing air in the erosion region. With the current device, capacitors and dielectric liquid are removed from the circuit, resulting in a marked improvement in performance. The rate of metal removal is not affected and the dimensional variation in the width of the slot is reduced.
During the tests which led to the present invention, to obtain the exclusion of air, while ensuring additional cooling of the electrode, jets of inert gases were first of all directed onto the electrode by the hypodermic tube 12 shown in FIG. 1. Each of the two inert diatomic gases, nitrogen and carbon dioxide, and a monoanodic gas,
Argon, have been tried. It was found, with some astonishment, that when the air was removed with the aid of inert gases, the rate of metal removal became practically zero; there was some sparking, but the erosion of the metal was negligible.
Following this observation, an attempt was made to use oxygen enriched air, which showed the possibility of greatly improving the spark erosion process: due to the addition of oxygen to the atmosphere local to the active region of the wire-shaped electrode, the rate of metal removal was increased from 100 to 200 0 / o, the dimensional accuracy of the slit width was much better and the finish of the capillary walls was significantly improved .
The old wire electrode EDM methods used copper wire, but it has now been found that the accuracy is much better when the wire is tightly stretched, to a value that exceeds the tensile strength of copper, so that a copper wire wears very quickly and breaks. For the method described, preference is given to permanickel wire and especially to tungsten wire for the electrode.
Tungsten wire lasts indefinitely, shows no signs of wear or functional modification, and it allows a somewhat greater rate of erosion than with other types of wire. Currently, each of these three types of yarns mentioned can be obtained in practically all diameters.
By cycle is meant a complete stroke of the wire, while the length of the stroke is the distance that the wire moves in one direction during a cycle. In order to bring all the data to a common basis, the rate of metal removal is expressed in terms of the volume of metal removed per unit of time, i.e. the number of cubic millimeters of metal removed per minute.
Commercial nitrogen and oxygen cylinders were each connected to small float ball rotameters, themselves connected by a plastic tube to a T-connector; a pipe starting from the T was connected to the hypodermic tube 12 of FIG. 1. By adjusting the relative flow rates of oxygen and nitrogen, the proportion of oxygen in the gas mixture was controlled. A 0.121mm diameter tungsten wire formed the electrode, the rheostat being adjusted for a current of 600 milliamps, indicated at ammeter A. The die plate was stainless steel, type 430, with a thickness of 0.50 mm.
The stroke length was 8.89 cm and the frequency was 200 cycles per minute. The flow rate of the gas mixture was kept constant at 7 liters per minute, measured at 250 ° C., under a pressure of one atmosphere. Straight slits were formed by electro-erosion for 5 minutes and the cut length was measured; two 5 minute sections were made with each gas composition and the average values were used to calculate the rate of metal removal as indicated in Table I and graphed in FIG. 5.
Table I
Oxygen volume Metal removal rate
in O / o in mm3 / min
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
As these data show, the rate of metal removal increases rapidly with the concentration of oxygen in the local atmosphere. The cutting speed increases very markedly as soon as the oxygen concentration reaches 35 to 40 O / o and more. Atmospheric air nominally contains 21/0 oxygen, by volume, and rather than employing a diluent, such as nitrogen, it is preferable to use air with 15 to 200% additional oxygen. , if a slight increase in cutting speed is desired.
The local atmosphere in the active region of the electrode should contain at least 35 O / o (by volume) of free oxygen and preferably 50 to 100 / o.
The actual amount of oxygen gas supplied to the active region of the electrode affects the cutting speed.
Only a very small fraction of the total amount of oxygen supplied is actually effective, but a large surplus of oxygen is needed to ensure that oxygen is available at the location of the spark. This is evidenced by the data shown in Table II and shown graphically in fig. 6, which were obtained under the following conditions:
Filiform electrode: 0.121 mm tungsten
of diameter
Current: 600 mA
Die material: Stainless steel, type 430,
0.52 mm thick
Stroke length: 8.89 cm, 200 cycles / min
Pure oxygen was blown through the hypodermic tube in one series of tests, while compressed air was used in the other series.
Table it
EMI3.1
<SEP> Metal <SEP> removal <SEP> speed <SEP>
<tb> <SEP> Flow <SEP> of <SEP> gas <SEP> in <SEP> mm3 / mn
<tb> in <SEP> liters / mn <SEP> (250 <SEP> C, <SEP> 1 <SEP> at) <SEP> Air <SEP> Oxygen
<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 air <SEP>) <SEP> 0.0067
<tb> <SEP> 7 <SEP> 0.0154
<tb> <SEP> 8 <SEP> (maximum <SEP> oxygen) <SEP> - <SEP> <SEP> 0.0149
<tb>
These data show that the cutting speed increased with the gas flow rate up to about 7 liters / min and that, for all the flow rates,
the rate of metal removal is at least 100 O / o greater with oxygen than with air.
The cutting speed also depends on the length of the stroke and the speed of axial movement of the wire. In an extreme case, the length of the stroke may be less than the thickness of the metal to be cut, while there is clearly no upper limit except by physical limitations. It has been found, however, that for practical use in die production, the stroke length should not be less than about 2.5 µm, nor more than 15 cm, the lower limit being the most important. The speed of axial displacement of the wire is of great importance and it depends, of course, on the length of the stroke, so that a greater frequency of back and forth is required to obtain a given speed, when the length of the stroke is reduced.
The significance of these factors is illustrated by the data graphed in fig. 7, which were obtained by the operation of an apparatus according to FIG. 1, under the following general conditions
Wire-shaped electrode: Tungsten, 0.121 mm
diameter
Current: 600 mA
Oxygen flow: 7 liters / min
Die material: Stainless steel, type
430, 0.53mm thick
sister
The stroke length was varied between 0.47 and 11.43 cl and the frequency between 500 and 800 cycles / min.
Stroke lengths are shown in fig. 7.
To bring the various data to a common basis, the speed of axial displacement of the electrode is expressed in meters per minute.
As clearly shown in fig. 7, a maximum cutting speed, for a given stroke length, can be achieved and a greater increase in the speed of the electrode no longer increases the speed of metal removal much. It can also be seen that a significant rate of metal removal is only reached from an electrode speed of about 12 m / min.
The actual positions of the curves in fig. 7 are shifted up or down, depending on wire diameter and other factors, but there is little difference in the axis of the electrode speed. With regard to the examples shown in fig. 6, the maximum metal removal speed was obtained with a stroke length of 9.90cm and an axial displacement speed of the electrode of about 36 m / min.
According to the method described, a stroke length between 2.5 and 15 cm, preferably between 5 and 12 cm, must be provided for an axial speed of at least 12 m / min and, preferably, between 15 and 76 m / min.
As already mentioned, the presence of additional free oxygen in the local atmosphere surrounding the active wire electrode increases the rate of metal removal and surprisingly improves the dimensional accuracy and finish of the capillary walls. The effective width of the slit formed by a wire of a given diameter clearly depends on the intensity of the current in the circuit.
Thus, for example, a 0.068 mm diameter tungsten wire electrode was used under analogous conditions, except that oxygen was sprayed against the electrode in one case and air in the other. for drilling stainless steel, type 430, with a thickness of 0.5 mm:
Slot width, in mm
EMI4.1
<tb> Current, <SEP> in <SEP> mA <SEP> Air <SEP> Oxygen
<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>
The rate of metal removal therefore increases with the intensity of the current but the width of the slot remains constant for a considerable range of currents when oxygen is used instead of air.
The difference is even more pronounced when it comes to a perma-nickel wire; with air and current of 600mA, the width of the slot reaches about 0.093mm. It is the same with son of other dimensions; 0.121mm diameter tungsten wire forms a 0.126mm wide slit with oxygen. By a suitable choice of the wire diameter, the width of the slit can be obtained between very narrow limits and be perfectly reproduced.
When air is employed, the finish of the walls of the capillary becomes progressively coarser, as the rate of metal removal is increased, either by increasing the intensity of the current or by increasing the amount of current. the speed of the electrode. It was therefore all the more surprising to find that the finish of the walls of the capillary is greatly improved when the rate of metal removal is increased in the presence of additional free oxygen.
This results in a wall so smooth that no further treatment is necessary before putting the die into service. The better flow uniformity of the polymer, during melt spinning, is directly observable at the nozzle, which is confirmed by the variation in denier between filaments in the yarn.
It can be assumed that the improvement in the finish of the capillary walls is due to at least two factors. Electro-erosion normally carried out in a dielectric liquid or in the presence of a particularly inert gas probably involves the removal of particles of free metal; these particles are effectively torn from the metal mass by the action of the electric spark and the moving electrode drags these relatively hard particles over the surface of the metal, resulting in pitted or grainy walls. On the other hand, with free oxygen available at the location of the spark, it is likely that the surface of the metal will oxidize rapidly, so that only friable, softer metal oxides are removed by erosion, rather only particles of the metal.
This supposition appears to be confirmed by the fact that aluminum hardly erodes, when treated according to the described process very little sparking occurs and the rate of erosion is negligible. It is also known that metallic aluminum oxidizes almost instantaneously on contact with free oxygen, to form a very thin hard, transparent film of alumina; Since this oxide film is not conductive, the spark erosion process cannot take place unless a prohibitively high voltage is used and even then the process would be extremely erratic .
Metal oxides, especially iron oxide, formed by applying the process described, are fine natural abrasives; ferric oxide (colcotar), for example, is a well-known abrasive, which is used to polish precious stones, optical glasses, reflective metal surfaces, etc. It is likely that the metal oxide particles formed during the spark erosion process actually contribute to wall polishing. capillary, - the fact that the wire-shaped electrode which moves back and forth moves the oxide particles along the wall of the capillary.
Fig. 4 shows a number of die orifice sections, which can be readily formed with the method described. The dotted circle indicates the position at which the pilot hole can be located to begin the reciprocating motion of the wire electrode through the die plate. Curved boundaries of any shape can be.
as well obtained as straight boundaries. In general, a pilot hole should be drilled for each group of interconnected slots. A jig of non-conductive material, such as ceramic or, preferably, synthetic sapphire (alumina), can be used to assist in the controlled operational movement of the die, relative to the electrode.
For the Y section of a capillary, shown at d in fig. 4; for example, a rectilinear jig should be placed on the die plate, as shown at 13. in fig. 1; the operator then periodically moves the die, so that the filiform electrode moves parallel to the rectilinear edge of the jig, touching it lightly; the jig is moved to a new position as each of the three straight slots that make up the orifice is completed. A curved jig is employed in an analogous way to obtain curved boundaries, as shown at f in fig. 4.
When a very large number of capillaries of the same type must be formed, it is preferable to abandon the direct template and to resort to a method of mechanical reproduction of the displacements, for example a pantographic system, to move the die on the desired path, relative to the filiform electrode.
A new phenomenon of practical significance is observed in the action of the filiform electrode used.
When a local oxygen enriched atmosphere is expected, the wire acts as if it is attracted to the active erosion region of the die plate, i.e. the wire appears to be attracted right side up. sparking by a force acting perpendicular to the axis of the wire. The practical importance of this effect is that the wire now has a natural tendency to follow the guided path, as soon as the spark erosion has started. With rectilinear jigs, the wire tends to remain in close contact with the edge of the jig, and, in the case of dies guided by joints, the wire follows the imposed changes of direction with great precision, without tending to deviate. of running, unlike when using only air.
This stabilization of the active electrode by the phenomenon of attraction probably also contributes to improving the dimensional accuracy obtained with the method described.
This phenomenon of stabilization of the electrode by attraction remains unexplained. The idea of a magnetic attraction between the tungsten wire and the stainless steel plate, type 430, had to be abandoned, because the same phenomenon is observed with tungsten wire and stainless steel, type 316 , neither of the two materials is magnetic. A permutation of the terminal connections between the two ends of the wire showed that any force due solely to an electromagnetic interaction between the magnetic field surrounding the wire and that which accompanies the flow of current through the die plate must be negligible, compared to the effect of the presence or absence of additional free oxygen around the yarn.
It could be that the attraction is due mainly to the consumption of oxygen in the active erosion region, as this phenomenon is hardly discernible when air alone is used. When oxygen in the sparking region combines with the metal to form an oxide, the volume of oxygen gas becomes zero, so that more free oxygen must flow into the region; for every 0.00008 mm5 of stainless steel removed as oxide, a flow rate of about 0.0328 mm3 / min of oxygen is required in the erosion region. There must therefore be an area of low pressure in the sparking region, so that the higher pressure of the oxygen atmosphere pushes the wire towards this region. Whatever the real explanation, the fact remains that this phenomenon is real and of practical utility.
Additional modifications in the device, as shown in fig. 2, effectively reduce variations in the rate of metal removal, improve the efficiency of oxygen use, and further significantly increase the rate of metal removal.
Compared to fig. 1, the two pulleys 1 and 3 are now made of an electrically conductive material, preferably aluminum or silver-plated copper; the bearings of these pulleys are isolated from the frame and each pulley is connected to the negative pole of the direct current source, using spring brushes 19 and 20, which rub directly against the pulleys, or by other usual means, for establishing an electrical connection with rotating members. Current flows through the wire to the pulleys, so that the effective length of the wire in the electrical circuit is constant at all parts of the cycle. Oxygen is supplied to the spark region through tube 14 with a T-branch to admit a measured stream of oxygen. A small ring 16 seals the tube 14 against the lower surface of the die.
The filiform electrode 2 passes through a small, non-conductive, abrasion resistant eyelet, the hole of which is just large enough for the wire to pass freely. Some of the oxygen introduced into tube 14 escapes through eyelet 15, but a much larger fraction is forced to pass through the capillary which is eroded by the thread-like electrode, ensuring a saturated atmosphere of oxygen and high efficiency. Experience shows that as erosion continues and the capillary enlarges, there is a slight decrease in the rate of metal removal, probably because more oxygen flows through the open region adjacent to the electrode.
This flow can be reduced by placing around the wire a light plastic tube 17 which does not clamp and is held by a metal ring 18, which simply rests on the flange of the tube 17; this device is not normally used when a straight jig is placed on the die. With the arrangement shown in FIG. 2, operators of modest skill can achieve great skill in aligning the die and the electrode, and are able to monitor two machines at the same time.
Fig. 3 schematically shows another arrangement for improving the efficiency of using oxygen, practically even better than with the method shown in FIG. 2, but requiring more care and patience on the part of the operator. A second hypodermic tube 21, which supplies a measured current of oxygen, is mounted under the precision plate 10, to direct a jet of oxygen upwards, in the pointing of the capillary which is formed by the electrode 2. De Preferably, the two oxygen streams in tubes 12 and 21 are measured independently, with tube 21 generally requiring only about half as much oxygen as tube 12 for efficient operation.
As indicated in fig. 1 and 2, the two ends of the wire-shaped electrode are connected to the negative terminal of the direct current source. This parallel current path eliminates the large fluctuations in current and voltage seen in ordinary damping ammeters and voltmeters when only one end of the wire is connected.
The uniformity of the machining is thus improved and a slight, but clear, increase in the cutting speed is also obtained, as indicated by the following data:
Wire electrode: Tungsten, 0.06mm diameter; slot width 0.066 mm
Speed of the electrode: 24.4 m / min; 8.25 cm stroke
Current: 300mA
Oxygen flow: 5 liters / min
Sector material:
Stainless steel, type 316, 0.076 mm thick
Metal removal speed
Electrode condition in mm3 / min
Two ends connected 0f0032
Lower end only connected 0.0028
Upper end only connected 0.0031
Two ends reconnected 0.0032
Reverse polarity, both ends t no erosion
The actual rate of metal removal depends, as already noted, on many controllable factors, such as current, electrode speed, oxygen flow rate, oxygen concentration, etc. The machining speed naturally depends on the type of material to be drilled; thus, for example, aluminum or incoloy cannot be practically eroded by the method described.
On the other hand, base metals, used almost universally for fusion spinning dies, namely stainless steels, are easily drilled with this process. Stainless steels, types 316 and 430 are most often used for the dies. Other less common materials, such as titanium, are also easily machinable by this process.
A 0.121 mm diameter tungsten wire electrode, with a current of 600 mA and an oxygen flow rate of 7 liters / min, was used to obtain the data shown in Table III, in order to show differences in the drilling speeds for different materials.
Table 111
Metal thickness Metal removal speed
Metal in mm in mm3 / min
Stainless steel type 316 0.635 0.0172
0.814 0.0099
1.676 0.0083
Stainless steel type 430 0.508 0.0076
0.764 0.0078
1.600 0.0062
Titanium 0.508 0.0063
0.764 0.0057
1.600 0.0062
It should be noted that stainless steel, type 316, is drilled much faster than type 430 and that all three materials are removed at a much greater rate than even for 316 steel, when its electro- erosion occurs in the absence of additional oxygen.
Any usual source of direct current can be used in the circuit described, for example a primary chemical cell, a direct current generator or an alternating current source with rectifier. The voltage required depends on the length of the wire and the physical size adopted for the EDM machine. In old machines, the pulleys 1 and 3 of fig. 1, which guide the wire, were vertically spaced several decimeters. It has now been found that a spacing of 25 to 50 cm is quite suitable for the manufacture of normal extrusion dies and nozzles. With such dimensions, compact machines are obtained, but of very varied use, for which a voltage of 5 to 25 volts is suitable.
An electromotive force of 9 to 15 volts is normally sufficient to obtain a current of 600 mA maximum, which is a reasonable optimum. It is sometimes desirable to increase the intensity of the current to compensate for a particular factor, such as very long capillaries, but current significantly greater than one ampere may produce a coarser wall, which is undesirable.
The general effect of current on cutting speed is indicated by the following data, which was obtained for stainless steel, type 430, drilled with a 0.121 mm diameter tungsten wire electrode and flow rate oxygen of 7 liters / min. The direct current source was a battery-less rectifier, giving a slightly rippled rectified current.
Metal removal speed
Current, in mA in mm3 / min
200 0.0089
600 0.0177
1000 0.0348
Although much emphasis has been placed on forming die capillaries, the described method is also applicable to surface machining of various workpieces, but its greatest advantage is when the slots do not exceed 0.635 mm in width. width and when high precision is required.
The disclosed method and apparatus allows for practical production of dies with non-circular capillaries, while greatly reducing labor cost and significantly increasing the quality of the result. Several hundred capillaries more or less similar to the shape shown at f in FIG. 4, but with three curved slits 0.089mm wide and 0.894mm long, were formed under the most favorable electro-erosion conditions according to the old method, in order to obtain precise indications of production.
With the method of the invention and using the arrangement shown in FIG. 2, the same type of capillary can be formed in one-third of the time previously required, with an overall reduction in production cost of about 85%. In addition, the quality of the dies is better, and all of the capillaries in a die have virtually the same dimensions, shape and finish.