La présente invention concerne un circuit électrique pour machine d'usinage par électro-érosion utilisant, pour produire les impulsions érosives de courant, des décharges produites par des moyens d'accumulation d'énergie électrique, au moins une partie de ces moyens consistant en un organe capacitif agencé pour emmagasiner et restituer une énergie. L'invention se rapporte donc aux circuits d'usinage pour machines d'électro-érosion basés sur le principe de relaxation.
On se rappelle que, dans ces circuits, les impulsions du courant provoquant l'enlèvement de la matiére qu'on usine, et qu'on appellera les impulsions érosives, sont créées par les décharges périodiques d'un accumulateur d'énergie électrique, par exemple par les décharges d'un condensateur. Lorsque la tension de charge du condensateur atteint une certaine valeur appelée tension de claquage, il se produit dans le liquide diélectrique se trouvant dans l'espace séparant l'électrode-outil de la pièce à usiner une ionisation localisée de ce liquide créant un canal de conductivité électrique élevée. Par ce canal s'écoule ensuite le courant de la décharge proprement dite produisant l'impulsion érosive. Après la décharge, ce canal se déionise et le liquide acquiert de nouveau sa rigidité diélectrique permettant ainsi une nouvelle charge du condensateur.
Malgré les avantages importants des circuits à relaxation, tels que leur grande simplicité, fiabilité de tous leurs composants, pro- duction de décharge de très courte durée, ces circuits comportent néanmoins de graves inconvénients. Parmi ces inconvénients, il faut citer tout d'abord leur faible rendement, la difficulté d'obtenir un processus d'usinage stable et l'impossibilité de produire des impulsions de longue durée et de relativement faible intensité de courant, qui sont particuliérement importantes pour la réduction de l'usure de l'électrode-outil.
La fig. 1 représente un schéma de principe d'un circuit de relaxation connu, dans lequel Cu est le condensateur accumulateur d'énergie, Rch la résistance limitant le courant de charge du condensateur, Lch la self-inductance du circuit de charge, Rd et Ld respectivement la résistance et la self-inductance du circuit de décharge, UO la tension à vide d'une source de courant continu, el l'électrode-outil, et p la piéce à usiner.
La fig. 2 montre, pour le circuit connu de la fig. 1, les diagrammes de la tension et du courant dans la branche, du circuit de décharges, où UO est la tension de charge, Ud la tension de claquage, td et tch respectivement le temps de décharge et de charge du condensateur.
Si les paramètres du circuit de décharge répondent à la relation: Cu R2d
< 1
4 Ld les décharges ont le caractère d'oscillations amorties, comme représenté sur la fig. 2a. Si ces paramètres répondent à la relation:
Cu R2d > 1
4Ld les décharges sont apériodiques, comme représenté sur la fig. 2b.
Dans les deux cas, le processus de l'ionisation et de la déionisation du canal de la décharge peut être représenté schématiquement par la courbe de la résistance équivalente du canal. Après la fin de la décharge, si cette dernière n'est pas suivie d'une nouvelle charge du condensateur, la déionisation du canal s'effectue rapidement et sa résistance équivalente augmente suivant la courbe Re. Si, comme c'est le cas dans un processus continu d'usinage, le condensateur se recharge de nouveau, la tension croissante de cette charge uch freine la déionisation du canal dont la résistance équivalente prend l'allure de la courbe R'e.
En augmentant le courant de charge du condensateur, la courbe de la tension de sa charge dans l'espace inter-électrodes croît plus rapidement et freine davantage le processus de déionisation du canal de la décharge précédente. La fig. 3 illustre ce phénomène. La courbe de la tension de charge uch devient u'ch et celle de la résistance équivalente du canal R'e devient R"e. Les deux courbes se rapprochent et peuvent se confondre. La déionisation du canal ne s'effectue alors que partiellement, les décharges se suivent irrégulièrement, leur fréquence de répétition augmente et le courant de charge du condensateur se transforme facilement en un court-circuit à travers l'espace inter-électrodes. Le processus d'usinage est alors arrêté et l'arc du court-circuit détériore la surface usinée.
L'extinction de l'arc par le retrait de l'électrode-outil est d'autant plus difficile que l'intensité du courant de charge est plus grande. De ce fait, les circuits à relaxation exigent des durées de charge du condensateur très considérables par rapport aux durées de décharge. Le rapport td/tch (fig. 2a et 2b) est donc peu favorable, ce qui limite la puissance effective d'usinage.
D'autre part, si la tension de décharge Ud est choisie trop basse, la distance entre l'électrode-outil et la piéce à usiner devient très faible. La croissance de la tension de charge du condensateur influe davantage sur la déionisation du canal et le processus d'usinage devient encore plus instable. Au-dessous d'une certaine valeur de la tension Ud ce processus devient pratiquement impossible.
On voit donc que le fonctionnement d'un circuit à relaxation est limité d'une part par le rapport td/tch d'où la limitation de la puissance d'usinage à un niveau relativement bas, d'autre part par la tension de décharges Ud qui ne peut pas être inférieure à une valeur assez élevée et, enfin, par l'énergie des décharges mêmes, car si l'on augmente la capacité du condensateur au-dessus d'une certaine limite, I'intensité du courant de charge, dans le cas d'un court-circuit, provoque un arc causant des dégâts importants à la surface usinée.
Les conditions d'utilisation des circuits à relaxation déterminent à leur tour les particularités des impulsions érosives produites par ces circuits. Elles sont caractérisées par une grande intensité de courant et une durée relativement courte. La densité de l'énergie calorifique sur les taches anodique et cathodique de la décharge, résultant de l'effet Joule de courant, devient alors très élevée et la température de ces taches dépasse de loin la température de fusion du matériau de la piéce à usiner ainsi que de celui de I'électrodôoutil. Dans ces conditions, I'enlèvement de matière se fait principalement par l'évaporation de cette dernière. Il en résulte une importante usure de l'électrode-outil et une perte non justifiée de l'énergie mise en oeuvre.
L'expérience montre que la plus grande efficacité de l'usinage par électro-érosion, ainsi que l'usure minimale de l'électrode-outil, résultent d'un rapport bien déterminé entre l'intensité maximale du courant de l'impulsion et de sa durée.
Ce rapport ne pouvant pas être atteint dans les impulsions produites par un circuit à relaxation, les constructeurs des machines d'électro-érosion furent incités à utiliser d'autres moyens pour produire des impulsions érosives en recourant à différents circuits électroniques souvent compliqués et onéreux.
Le but de la présente invention est de fournir un circuit électrique du type précédemment défini, utilisant des impulsions de courant fournies par de simples accumulateurs d'énergie mais donnant à ces impulsions des paramètres correspondant aux meilleures conditions d'usinage tout en éliminant les inconvénients et limitations précédemment mentionnés.
Le circuit selon l'invention atteint ce but de la manière définie par la caractéristique de la revendication. Ainsi, les décharges de l'accumulateur capacitif d'énergie ne sont plus amorcées par la tension de sa charge, mais par une tension supérieure. Etant donné que la tension de claquage d'un diélectrique est fonction de la distance inter-électrodes, la tension de charge de l'accumulateur capacitif ne pourra plus provoquer sa décharge qui sera conditionnée uniquement par l'application, par lesdits moyens inductifs, d'une tension plus élevée que celle à laquelle se charge cet accumulateur capacitif.
On obtient ainsi une indépendance de ces deux phénomènes - charge et décharge - qui sera d'autant plus marquée que la différence entre la tension de charge de l'accumulateur et la tension de claquage du diélectrique est plus grande.
L'application de ladite tension plus élevée (tension d'amor çage) peut avantageusement se faire par une impulsion indépendante de très faible énergie ne laissant pratiquement pas de traces d'érosion ni sur la piéce à usiner, ni sur l'électrode-outil, mais suffisante pour provoquer le début de l'ionisation du canal de la décharge. La résistance équivalente de ce canal tombe alors à une valeur permettant le passage du courant de la décharge de l'accumulateur chargé à une tension plus basse.
Pendant la durée de la décharge, la haute conductivité du canal est maintenue par le courant de l'impulsion, mais le canal s'éteint des la fin de l'impulsion et la rigidité diélectrique du liquide dans l'espace inter-électrodes se rétablit rapidement car la faible tension de charge de l'accumulateur ne peut pas influencer sensiblement le processus de la désionisation du canal.
Le fonctionnement d'un tel circuit présente aussi de notables avantages par rapport à des circuits existants qui utilisent une oscillation permanente de tension élevée à haute fréquence superposée à la tension plus basse de charge de l'accumulateur d'énergie. Cette oscillation de tension élevée sert à augmenter la distance inter-électrodes dans le but de faciliter l'évacuation des résidus d'usinage. Elle provoque indirectement le préallumage du canal.
Toutefois, L'énergie fournie par cette oscillation de tension superposée peut maintenir, dans une certaine proportion, la ionisation du canal après la décharge, ce qui rend la fréquence des décharges instable et augmente le danger de court-circuit.
Or, I'instabilité de la fréquence des décharges est une autre cause du mauvais rendement de la machine: les décharges séparées d'un intervalle de temps trop court gazéifient le liquide dans l'espace inter-électrodes. Ceci empêche l'effet hydrodynamique de la décharge de se produire normalement. Cet effet, qui consiste en une explosion et ensuite une implosion de la cavité gazeuse produite par la haute température du canal, est justement responsable de l'éjection du métal fondu en dehors de la zone de l'impact.
L'expérience montre que, pour un rendement optimal de l'usinage, le réglage précis du rapport entre la durée de l'impulsion et le temps d'attente ou tdltch et le maintien de ce rapport au cours de l'usinage est un facteur de grande importance.
Les moyens d'amorçage des décharges du circuit suivant l'invention permettent ce réglage dans de larges proportions et assurent la constance du rapport td/tch avec une bonne précision, en ce sens qu'ils éliminent des facteurs aléatoires qui, dans d'autres dispositifs, restreignent - voire suppriment - les possibilités de réglage et nuisent à sa précision.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple et comparativement à ce que connaissait la technique antérieure, des formes d'exécution de l'objet de l'invention. Dans ce dessin:
la fig. 1 est un schéma d'un circuit d'usinage pour machine d'électro-érosion de type classique à relaxation,
les fig. 2 et 3 sont des diagrammes explicatifs du fonctionnement du circuit connu de la fig. 1,
la fig. 4 est un schéma d'un circuit d'usinage pour machine d'électro-érosion conforme à l'invention,
la fig. 5 est un diagramme explicatif du fonctionnement du circuit dans la fig. 4,
la fig. 6 est un schéma d'une autre forme d'exécution du circuit selon l'invention, et
la fig. 7 est un diagramme explicatif du fonctionnement du circuit selon la fig. 6.
Dans la forme de réalisation de l'invention donnée par le schéma de la fig. 4, un condensateur Cu sert d'accumulateur d'énergie. II est chargé à une tension UO à travers la résistance variable RCh qui règle l'intensité du courant de charge Ich. On peut également inclure dans ce circuit une self-inductance Lch qui rend la croissance de la courbe de tension de charge du condensateur pratiquement linéaire. La décharge du condensateur Cu se fait à travers une self-inductance réglable Ld dont la valeur détermine la durée de l'impulsion. Une diode Dl supprime l'arche négative de la décharge en la rendant unipolaire.
Pour le préallumage on utilise une source de courant continu séparée qui charge le condensateur Cpr à une tension U'O supérieure à la tension UO. La résistance variable R'ch règle l'intensité de ce courant de charge 1,ch. Le condensateur Cpr est précédé et suivi de self-inductances Lpr et L'pro Cette cellule, qui constitue une ligne de retard, peut, bien entendu, être suivie d'autres cellules semblables: C' L" etc. La diode D2 localise la tension U'O dans le circuit de décharge et dans l'espace inter-électrodes d.
Lorsque la tension de préallumage U'O atteint la valeur de claquage du diélectrique, la décharge du ou des condensateurs Cpr ionise le canal dans l'espace inter-électrodes par lequel s'écoule alors la décharge érosive du condensateur d'usinage Cu.
Pendant la durée de la décharge, la résistance équivalente du canal étant très faible, le courant 1,ch s'ajoute au courant de la décharge du condensateur Cu et ne charge pas le ou les condensateurs Cpr. A la fin de la décharge, le canal s'éteint et la résistance équivalente de l'espace inter-électrodes augmente rapidement. Les capacités des condensateurs Cp et les valeurs des self-inductances
Lpr déterminent l'intervalle de temps précédant la décharge suivante de préallumage.
Le diagramme de la fig. 5 montre l'allure de la tension et du courant des décharges. UO et U'O sont respectivement les tensions de charge du condensateur Cu et des condensateurs Cpr, Ud et U'd les tensions de décharge des condensateurs Cu et Cpr, ut la tension de l'arc de la décharge érosive, uch la tension de charge du condensateur Cu (fonction du courant de charge Ici), upr la tension de charge du condensateur Cpr (fonction du courant de charge 1,ch), td la durée de la décharge érosive, ta le temps de retenue de la charge du condensateur de préallumage Cpr, t'ch le temps de charge du condensateur Cpr, tch= T le temps de charge du condensateur Cu égal au temps séparant les deux décharges consécutives,
id le courant de la décharge érosive, im l'intensité maximale de ce courant.
Etant donné que le condensateur Cu est chargé à une tension inférieure à la tension de claquage, il ne peut se décharger qu'avec l'aide de l'impulsion de préallumage. Le temps de retenue du préallumage étant déterminé par les valeurs des Cpr et Lpr peut être réglé à volonté, mais reste invariable pendant le processus d'usinage.
Vu la faible capacité du ou des condensateurs Cpr et la valeur relativement importante des self-inductances Lpp la croissance de la tension de charge upr offre un front très raide, d'où le temps de cette charge ttch est court par rapport au temps de charge tch du condensateur Cu. Ainsi, le moment de la décharge érosive est déterminé avec une précision suffisamment rigoureuse pour rendre stable la fréquence de ces décharges.
Les paramètres essentiels de la décharge érosive elle-même, c'est-à-dire le rapport entre l'intensité maximale du courant de l'impulsion im et sa durée td - qui détermine la densité de l'énergie calorifique sur les taches de la décharge - est réglé par la selfinductance variable Ld dont la valeur conditionne la durée de l'impulsion érosive td. L'intensité maximale du courant de cette impulsion im dépend de la capacité du condensateur Cu et de la tension de sa charge UO.
Les différents régimes d'usinage, qui sont fonction de l'énergie individuelle de chaque décharge, s'obtiennent soit en changeant la capacité du condensateur Cu, soit en variant la tension de sa charge Uo;
Le circuit permet d'obtenir les décharges érosives de polarités différentes à l'aide de l'inverseur In.
Une autre forme de réalisation de l'invention est représentée par le schéma de la fig. 6. Dans cet exemple, le moment de préallumage est fixé non en fonction du temps de retenue, comme dans l'exemple précédent, mais en fonction de la tension de charge du condensateur Cu.
Les circuits de charge et de décharge du condensateur Cu sont ici identiques à ceux du schéma de la fig. 4. Le préallumage est réalisé de la façon suivante: un condensateur de faible capacité C est chargé par la tension de charge du condensateur Cu à travers un potentiomètre P. Lorsque la tension de charge du condensateur C atteint une certaine valeur v, le transistor unijonction Tr commence à conduire et débloque le transistor Tr2 alimenté par un courant à basse tension fourni par une source auxiliaire Sa. Ce courant passe ensuite par le primaire d'un transformateur d'impulsion Ti. Le secondaire du transformateur T fournit une impulsion à tension élevée qui se superpose à la tension de charge du condensateur d'usinage Cu et préallume le canal de la décharge de ce demier.
Le moment de préallumage est réglé par le potentiomètre P qui permet d'atteindre la tension v de l'émetteur du transistor unijonction Trl à un moment correspondant à la valeur choisie de la tension de charge du condensateur Cu. La diode Zener D3 et la résistance Rs stabilisent la tension transistor unijonction Trl. L'oscillation contraire de l'impulsion du préallumage est arrêtée par la diode D2.
La fig. 7 montre les diagrammes de la tension et du courant aux bornes des décharges suivant ce second exemple de réalisation de l'invention.
Si l'on règle le potentiomètre P de façon que la tension de charge du condensateur C suive la courbe uc, cette tension atteint la valeur v au moment tl où la tension de charge du condensateur
Cu est égale à U1. L'impulsion de préallumage est alors déclenchée et le condensateur Cu se décharge.
Si le réglage du potentiomètre P donne la courbe de tension utc, cette tension atteint la valeur v au moment t2 et l'impulsion de préallumage se déclenche lorsque la tension uch aura la valeur U2 .La tension additionnelle de préallumage Uad sera la même dans les deux cas, mais la tension absolue du préallumage Uprl, Upr2 dépendra de la tension d'alimentation UO et du moment de delenchement de l'impulsion de préallumage.
L'avantage principal de ce dernier système est que, si l'on régie le moment de préallumage en fonction de la tension de charge du condensateur d'usinage Cu, la décharge de ce dernier correspond toujours à une valeur bien déterminée de la tension de sa charge et cela quelle que soit la capacité du Cu et quelle que soit l'intensité du courant de charge Ich.
Un autre avantage du système qui vient d'être décrit est que, étant donné la valeur constante de la tension superposée de préallumage U.d, on peut varier la puissance d'usinage sans réajuster le circuit de préallumage. De cette façon, la puissance maximale d'usinage, à un régime donné, qui est fonction du temps minimal séparant les décharges consécutives, peut être atteinte par un réglage simple, ce qui facilite l'adaptation d'un dispositif automatique d'optimalisation à une machine d'électro-érosion.