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REVENDICATIONS
1. Electrode en forme de fil pour le découpage d'une piéce métallique par étincelage érosif, comportant une âme métallique et un revêtement constitué par un autre métal, cette électrode étant renouvelée par un déplacement longitudinal pendant l'étincelage, caractérisée en ce que le revêtement comporte au moins une pellicule métallique constituée par un métal ou un alliage dont la température d'ébullition est inférieure à 1 100 C, recouverte d'un film constitué par un oxyde métallique, ce film ayant une épaisseur suffisante pour constituer une jonction avec effet redresseur lorsque le fil est en contact avec la piéce et lorsqu'on applique entre le fil et la pièce une différence de potentiel comprise entre 1 et 5 V, et pour devenir conducteur par claquage lorsque cette différence de potentiel est dépassée.
2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal entrant dans la composition de l'oxyde est différent de celui entrant dans la composition de la pellicule métallique.
3. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement a une structure poreuse.
4. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement comporte au moins deux pellicules métalliques superposées recouvertes chacune du film d'oxyde.
5. Electrode selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'âme du fil est en cuivre, en ce que les pellicules métalliques contiennent du zinc, et en ce que les films sont constitués par de l'oxyde de zinc.
L'invention a pour objet une électrode en forme de fil pour le découpage d'une pièce métallique par étincelage érosif, comportant une âme métallique et un revêtement constitué par un autre métal, cette électrode étant renouvelée par un déplacement longitudinal pendant l'étincelage.
Dans les machines pour le découpage par étincelage, I'électrode est généralement constituée par un fil métallique connecté à un générateur d'impulsions électriques pour faire éclater des décharges érosives entre le fil et une pièce. Des organes de guidage et d'entraînement permettent, d'une part, un défilement longitudinal rapide, de sorte que la portion de fil soumise à l'usinage est constamment renouvelée, et provoquent, d'autre part, un déplacement lent de manière à découper la pièce selon une forme voulue. Un fil de petit diamètre, quelques dixièmes de millimètre, permet de découper des détails fins mais, en contrepartie, limite fortement le courant d'usinage et la tension mécanique admissible sans risque de rupture. L'absence de rigidité nuit à la précision et aussi au rendement d'usinage.
En effet, le fil n'est séparé de la pièce que par un intervalle de quelques microns, de sorte que, sous l'effet de diverses forces perturbatrices, il vient fréquemment en contact accidentel avec la pièce, ce qui provoque ordinairement des courts-circuits sans action érosive.
De nombreux travaux ont été entrepris en vue d'obtenir un fil amélioré. Le cuivre utilisé au début a été remplacé par du laiton; puis on a essayé d'autres alliages à plus grande résistance mécanique à la traction. On a aussi cherché à utiliser un fil composé d'un noyau en acier avec un revêtement de métal bon conducteur. Enfin, on a proposé dans la demande de brevet DE-OS No 2906245 un dépôt de métal ou d'alliage à basse température d'ébullition dans le but de protéger le noyau du fil contre les entrées de chaleur dues aux décharges érosives; les meilleurs résultats ont été obtenus avec un dépôt de zinc, qui, dans une liste des éléments classés selon leurs points d'ébullition, est le premier métal exempt de difficultés telles que trop grande réactivité chimique ou toxicité.
Le fait que ce métal s'érode facilement n'est pas un inconvénient, car la portion du fil soumise à l'usinage est constamment renouvelée.
L'invention a pour but d'augmenter la vitesse d'usinage en éliminant les courts-circuits avec une efficacité accrue, plus exactement en obtenant une transformation accélérée des courts-circuits en décharges érosives. On entend par transformation rapide le fait que, lors des contacts accidentels entre l'électrode et la pièce, le passage facile du courant se transforme en une décharge érosive en un temps très court par rapport à la durée de l'impulsion qui est elle-même de l'ordre de quelques microsecondes; I'invention a donc pour but d'obtenir ce phénomène avec une efficacité et une rapidité inconnues à cejour.
L'électrode faisant l'objet de l'invention est caractérisée en ce que le revêtement comporte au moins une pellicule métallique constituée par un métal ou un alliage dont la température d'ébullition est inférieure à 1100du, recouverte d'un film constitué par un oxyde métallique, ce film ayant une épaisseur suffisante pour constituer une jonction avec effet redresseur lorsque le fil et la pièce ont une différence de potentiel comprise entre 1 et 5 V, et pour devenir conducteur par claquage lorsque cette différence de potentiel est dépassée.
Le dessin annexé représente schématiquement et à titre d'exemple deux formes d'exécution de l'électrode objet de l'invention. La fig. la montre la coupe d'un fil-électrode selon une première forme d'exécution.
La fig. Ib est une coupe à plus grande échelle de la portion A de la fig. la.
La fig. 2 montre deux caractéristiques tension-courant observées lors d'un contact avec la surface d'un fil réalisé selon l'invention.
Les fig. 3a et 3b montrent, en coupe, un fil-électrode selon une deuxième forme d'exécution.
La fig. I montre la coupe d'un fil-électrode avec une âme 1 de cuivre et un revêtement composé d'une couche 2 d'alliage cuivre-zinc recouvert d'une pellicule 3 d'oxyde de zinc (ZnO). A titre d'exemple, le diamètre de l'âme peut être de 220 llm de diamètre, la couche de
Cu-Zn de 8 ,um d'épaisseur et la pellicule de ZnO de moins de I zm d'épaisseur.
En ce qui concerne l'âme de cuivre, d'autres variantes d'exécution sont possibles pour satisfaire aux exigences de bonne conductivité électrique et bonne résistance à la rupture; par exemple, on peut utiliser du laiton ou de l'acier avec un manteau de métal bon conducteur. Pour obtenir le fil, on doit effectuer un premier dépôt de quelques microns; en principe, n'importe quel métal ou alliage à température d'ébullition inférieure à 1100 C peut être utilisé pour autant qu'il adhère bien, qu'il ait des qualités mécaniques suffisantes, qu'il soit stable chimiquement et peu toxique, et qu'une pellicule d'oxyde puisse être formée ou déposée sur sa surface.
A noter que, compte tenu de la faible épaisseur du dépôt, la résistivité électrique peut très bien être élevée; de bons résultats ont été obtenus avec une couche unique de Zn de 5 à 15 t6m déposée par voie électrolytique.
Cette épaisseur de 5 llm est du même ordre de grandeur que la profondeur d'un cratère d'érosion. Le dépôt est suivi d'un recuit en atmosphère oxydante, par exemple à l'air libre, de manière à provoquer à la surface la formation d'une pellicule d'oxyde de zinc (ZnO).
On obtient de bons résultats en chauffant le fil pendant au moins 2s à une température d'au moins 600"C; il semble que la formation de cette couche soit rapide au début du chauffage, puis de plus en plus lente, vraisemblablement à cause du rôle autoprotecteur de l'oxyde qui s'oppose au passage facile de l'oxygène, de sorte que l'on obtient une fine pellicule inférieure à 1 llm. Il a encore été observé que cette pellicule épouse les rugosités de la surface, et pénètre parfois sous forme de filaments de plusieurs microns à l'intérieur du substrat. En ce qui concerne le métal composant de l'oxyde, les essais ont montré que les effets favorables pour l'usinage n'étaient nullement limités au seul oxyde de zinc.
Il est tout à fait possible de déposer par-dessus le zinc une couche de quelques microns d'un autre métal facilement oxydable et de procéder à un recuit en présence d'oxygène. On peut utiliser d'autres oxydes, également connus comme semi-conducteurs, par exemple du CuO2, Cu2O, CdO,
ln2O3, PbO, TiO2 et NiO. Des oxydes isolants comme Au203 peuvent également être envisagés en rappelant que les meilleurs isolants deviennent tous subitement conducteurs (claquage) dès qu'on applique une tension de 50 à 100 V par micromètre d'épaisseur; en conséquence, il faut pouvoir parfaitement contrôler l'épaisseur du dépôt pour que le claquage puisse encore avoir lieu avec la tension du générateur disponible. Le comportement électrique de tous ces oxydes dépend non seulement de leur constitution chimique, mais aussi de leur mode de préparation qui en détermine la pureté. En plus de l'oxydation, il a été trouvé que ce traitement thermique précité a au moins deux autres effets dignes d'être mentionnés.
Tout d'abord, la surface apparaît comme très rugueuse, comme si elle était formée par l'agglomération de grains de dimensions variables s'étendant de 0,1 tom à quelques microns avec de nombreux interstices; le tout rappelle la structure d'une éponge. Ensuite,
I'analyse à la microsonde d'une coupe transversale a révélé la présence de trous de I à 2 tom, ce qui confirme la structure spongieuse suggérée par l'aspect de la surface. La même analyse a révélé encore que le traitement thermique provoquait une diffusion des atomes de
Cu dans la couche de Zn et vice versa, de sorte que le Zn pur disparaît au profit d'un alliage Cu-Zn.
Lorsque les vitesses de diffusion sont très différentes, il apparaît un effet connu en métallurgie physique sous le nom d'effet Kirkendall. Or, précisément dans notre cas, il est connu que les atomes de
Zn diffusent plus rapidement que ceux de Cu; en conséquence, les lacunes créées par les atomes de Zn qui diffusent vers l'intérieur ne sont pas immédiatement compensées par l'arrivée d'atomes de Cu, et cela pourrait être la cause de la porosité observée.
Enfin, on a constaté que le fil traité se laisse mouiller beaucoup plus facilement par l'eau qui sert de liquide d'usinage. Ainsi, la fonction de refroidissement serait augmentée, ce qui permettrait de faire passer un courant plus élevé.
La suppression quasi totale des courts-circuits pendant l'usinage provient vraisemblablement de ce que l'oxyde de zinc, qui est semiconducteur, s'oppose au passage facile du courant lors des contacts accidentels entre le fil et la pièce. Dans un contact qui évolue vers un court-circuit à très faible résistance, il est connu que, aux fortes intensités, les métaux en présence fondent et se soudent localement; c'est ce qui se passe entre l'acier et le cuivre. Au contraire, avec le fil décrit qui s'est révélé impossible à souder, il y a vraisemblablement échauffement local rapide favorisé par la grande résistance au point de contact résultant de la couche d'oxyde et évolution vers une décharge.
La fig. 2 montre deux caractéristiques tension-courant typiques observées lors d'un contact avec la surface du fil. Suivant le point de contact choisi et la pression exercée, on observe tout un jeu de caractéristiques dont seules deux ont été représentées, a et b. La forme a est celle qui apparaît le plus souvent avec un coude pour les valeurs Uc i à 5V et ic=0,l à I mA; la dissymétrie révèle la présence d'une jonction avec effet redresseur, ce qui n'a rien d'étonnant puisqu'on a mis en présence deux matériaux avec des types de conduction différents, à savoir un métal et un oxyde semiconducteur. A noter que le sens de passage facile du courant correspond au fil négatif par rapport à la pièce à usiner.
Etant donné la puissance du générateur, au moins 150 V de tension à vide et plus de 150 A de courant de court-circuit, il est évident que, même dans le sens facile, le courant rencontre une résistance d'au moins I ko au début de l'impulsion, d'où un échauffement local extrêmement rapide au point de contact.
La fig. 3 montre la coupe d'un fil avec une âme 1 de cuivre et deux revêtements 2 et 4 superposés d'alliage cuivre-zinc recouverts respectivement des pellicules d'oxyde de zinc (ZnO) 3 et 5. A la place d'un dépôt unique de 8 tom de zinc, on a effectué un premier dépôt 2 de 4 tom et un premier recuit dans les conditions déjà indiquées, ce qui a formé une pellicule 3 de ZnO. Cette opération a été suivie d'un deuxième dépôt 4 de 4 tom de zinc et d'un deuxième recuit similaire au premier, donnant en surface une pellicule 5 de ZnO. Les mêmes phénomènes de diffusion de Cu dans le Zn et vice versa ont été observés ainsi que la porosité accompagnée de la rugosité en surface.
Cette structure à deux couches d'oxyde permet de remédier à la fragilité d'une pellicule unique, dont l'épaisseur est limitée à 1 tom et subit inévitablement des destructions locales à cause des décharges.
Ainsi, grâce à la superposition des couches d'oxyde, on obtient un fil dont la durée de vie de la surface active est prolongée.
On obtient les meilleurs résultats à l'aide d'une structure stratifiée comprenant 3 ou 4 dépôts et recuits pour l'usinage d'une pièce de 40 mm d'épaisseur; il est même possible d'envisager un plus grand nombre de couches pour l'usinage de pièces de 100 mm et plus.
A titre d'exemple, la présence de ZnO en surface sur une couche de zinc a permis d'augmenter la vitesse de coupe de 30% par rapport à un fil semblable sans pellicule d'oxyde. Un recuit à 600"C pendant quelques secondes à l'air libre donne lieu à un accroissement de 30% de la vitesse d'usinage. Si l'on procède sur le même fil de cuivre à un premier dépôt de 4 tom de zinc suivi d'un recuit, puis à un deuxième dépôt de 4 tom également suivi d'un recuit, on observe un gain de vitesse de 55% par rapport à la première valeur.
Toujours en gardant le même diamètre de l'âme de cuivre et le même diamètre final du fil avec son revêtement de 8 tom, on obtient les meilleurs résultats en procédant à 3 ou 4 dépôts et recuits; le gain de vitesse dans ces conditions dépasse alors 60%.
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CLAIMS
1. Wire-shaped electrode for cutting a metal part by erosive sparking, comprising a metal core and a coating made of another metal, this electrode being renewed by a longitudinal displacement during sparking, characterized in that the coating comprises at least one metallic film constituted by a metal or an alloy the boiling temperature of which is less than 1100 ° C., covered with a film constituted by a metal oxide, this film having a sufficient thickness to constitute a junction with effect rectifier when the wire is in contact with the part and when a potential difference between 1 and 5 V is applied between the wire and the part, and to become conductive by breakdown when this potential difference is exceeded.
2. An electrode according to claim 1, characterized in that the metal used in the composition of the oxide is different from that used in the composition of the metal film.
3. Electrode according to claim 1, characterized in that the coating has a porous structure.
4. An electrode according to claim 1, characterized in that the coating comprises at least two superimposed metallic films each covered with the oxide film.
5. Electrode according to claim 4, characterized in that the core of the wire is made of copper, in that the metallic films contain zinc, and in that the films consist of zinc oxide.
The subject of the invention is a wire-shaped electrode for cutting a metal part by erosive sparking, comprising a metal core and a coating made of another metal, this electrode being renewed by a longitudinal displacement during the sparking.
In machines for spark cutting, the electrode is generally constituted by a metal wire connected to an electric pulse generator to burst erosive discharges between the wire and a workpiece. Guiding and driving members allow, on the one hand, rapid longitudinal scrolling, so that the portion of wire subjected to machining is constantly renewed, and on the other hand, cause a slow movement so as to cut the piece into a desired shape. A wire of small diameter, a few tenths of a millimeter, makes it possible to cut fine details but, in return, greatly limits the machining current and the admissible mechanical tension without risk of breaking. The lack of rigidity harms precision and also machining performance.
Indeed, the wire is only separated from the part by an interval of a few microns, so that, under the effect of various disturbing forces, it frequently comes into accidental contact with the part, which usually causes short- circuits without erosive action.
Many works have been undertaken to obtain an improved yarn. The copper used at the beginning was replaced by brass; then we tried other alloys with greater mechanical tensile strength. Attempts have also been made to use a wire composed of a steel core with a coating of good conductive metal. Finally, there has been proposed in patent application DE-OS No. 2906245 a deposit of metal or alloy at low boiling temperature in order to protect the core of the wire against the entry of heat due to erosive discharges; the best results have been obtained with a zinc deposit, which, in a list of elements classified according to their boiling points, is the first metal free of difficulties such as too great chemical reactivity or toxicity.
The fact that this metal easily erodes is not a drawback, since the portion of the wire subjected to machining is constantly renewed.
The invention aims to increase the machining speed by eliminating short circuits with increased efficiency, more precisely by obtaining an accelerated transformation of short circuits into erosive discharges. By rapid transformation is meant the fact that, during accidental contacts between the electrode and the workpiece, the easy passage of current becomes an erosive discharge in a very short time compared to the duration of the pulse which is itself even on the order of a few microseconds; The purpose of the invention is therefore to obtain this phenomenon with an efficiency and a speed unknown to date.
The electrode which is the subject of the invention is characterized in that the coating comprises at least one metallic film consisting of a metal or an alloy whose boiling point is less than 1100 μm, covered with a film consisting of a metal oxide, this film having a sufficient thickness to constitute a junction with rectifying effect when the wire and the part have a potential difference between 1 and 5 V, and to become conductive by breakdown when this potential difference is exceeded.
The accompanying drawing shows schematically and by way of example two embodiments of the electrode object of the invention. Fig. shows the section of a wire electrode according to a first embodiment.
Fig. Ib is a section on a larger scale of the portion A of FIG. the.
Fig. 2 shows two voltage-current characteristics observed during contact with the surface of a wire produced according to the invention.
Figs. 3a and 3b show, in section, a wire electrode according to a second embodiment.
Fig. I shows the section of a wire electrode with a copper core 1 and a coating composed of a layer 2 of copper-zinc alloy covered with a film 3 of zinc oxide (ZnO). For example, the diameter of the core can be 220 μm in diameter, the layer of
Cu-Zn of 8 µm thick and the film of ZnO less than 1 µm thick.
With regard to the copper core, other alternative embodiments are possible to meet the requirements of good electrical conductivity and good breaking strength; for example, brass or steel can be used with a coat of good conductive metal. To obtain the wire, a first deposit of a few microns must be made; in principle, any metal or alloy with a boiling point below 1100 C can be used provided that it adheres well, that it has sufficient mechanical qualities, that it is chemically stable and not very toxic, and an oxide film can be formed or deposited on its surface.
Note that, given the small thickness of the deposit, the electrical resistivity may very well be high; good results have been obtained with a single layer of Zn of 5 to 15 t6m deposited by electrolytic means.
This thickness of 5 μm is of the same order of magnitude as the depth of an erosion crater. The deposition is followed by annealing in an oxidizing atmosphere, for example in the open air, so as to cause the surface to form a film of zinc oxide (ZnO).
Good results are obtained by heating the wire for at least 2s at a temperature of at least 600 "C; it seems that the formation of this layer is rapid at the start of heating, then more and more slowly, probably due to the self-protective role of the oxide which prevents the easy passage of oxygen, so that a thin film is obtained of less than 1 μm. It has also been observed that this film marries the roughness of the surface, and penetrates sometimes in the form of filaments of several microns inside the substrate.As regards the metal component of the oxide, tests have shown that the favorable effects for machining were by no means limited to zinc oxide alone.
It is quite possible to deposit over the zinc a layer of a few microns of another easily oxidizable metal and to anneal in the presence of oxygen. Other oxides can also be used, also known as semiconductors, for example CuO2, Cu2O, CdO,
ln2O3, PbO, TiO2 and NiO. Insulating oxides such as Au203 can also be considered, recalling that the best insulators all suddenly become conductive (breakdown) as soon as a voltage of 50 to 100 V is applied per micrometer of thickness; Consequently, it is necessary to be able to perfectly control the thickness of the deposit so that breakdown can still take place with the voltage of the generator available. The electrical behavior of all these oxides depends not only on their chemical constitution, but also on their method of preparation which determines their purity. In addition to oxidation, it has been found that this aforementioned heat treatment has at least two other effects worth mentioning.
First of all, the surface appears to be very rough, as if it were formed by the agglomeration of grains of variable dimensions ranging from 0.1 tom to a few microns with numerous interstices; the whole recalls the structure of a sponge. Then,
Microprobe analysis of a cross section revealed the presence of holes from 1 to 2 tom, which confirms the spongy structure suggested by the appearance of the surface. The same analysis also revealed that the heat treatment caused a diffusion of the atoms of
Cu in the Zn layer and vice versa, so that the pure Zn disappears in favor of a Cu-Zn alloy.
When the diffusion rates are very different, an effect known in physical metallurgy appears under the name of Kirkendall effect. Now, precisely in our case, it is known that the atoms of
Zn diffuse faster than those of Cu; consequently, the vacancies created by the Zn atoms which diffuse inwards are not immediately compensated for by the arrival of Cu atoms, and this could be the cause of the porosity observed.
Finally, it has been found that the treated wire can be wetted much more easily by the water which serves as machining liquid. Thus, the cooling function would be increased, which would allow a higher current to pass.
The almost total elimination of short circuits during machining is probably due to the fact that zinc oxide, which is a semiconductor, prevents the easy passage of current during accidental contact between the wire and the workpiece. In a contact which evolves towards a short circuit with very low resistance, it is known that, at high intensities, the metals present melt and weld locally; this is what happens between steel and copper. On the contrary, with the wire described which has proved impossible to weld, there is probably rapid local heating favored by the high resistance at the point of contact resulting from the oxide layer and development towards a discharge.
Fig. 2 shows two typical voltage-current characteristics observed during contact with the surface of the wire. Depending on the contact point chosen and the pressure exerted, there is a whole set of characteristics of which only two have been shown, a and b. The form a is that which appears most often with an elbow for the values Uc i at 5V and ic = 0.1, at I mA; the asymmetry reveals the presence of a junction with rectifying effect, which is not surprising since two materials with different types of conduction have been brought into contact, namely a metal and a semiconductor oxide. Note that the direction of easy current flow corresponds to the negative wire relative to the workpiece.
Given the power of the generator, at least 150 V of no-load voltage and more than 150 A of short-circuit current, it is obvious that, even in the easy direction, the current meets a resistance of at least I ko at start of the pulse, resulting in extremely rapid local heating at the point of contact.
Fig. 3 shows the section of a wire with a copper core 1 and two overlays 2 and 4 superimposed of copper-zinc alloy covered with zinc oxide (ZnO) films 3 and 5 respectively. Instead of a deposit single of 8 tom of zinc, a first deposit 2 of 4 tom was carried out and a first annealing under the conditions already indicated, which formed a film 3 of ZnO. This operation was followed by a second deposit 4 of 4 tom of zinc and a second annealing similar to the first, giving a surface 5 of ZnO on the surface. The same Cu diffusion phenomena in Zn and vice versa were observed as well as the porosity accompanied by the surface roughness.
This structure with two oxide layers makes it possible to remedy the fragility of a single film, the thickness of which is limited to 1 tom and inevitably undergoes local destruction due to the discharges.
Thus, thanks to the superposition of the oxide layers, a wire is obtained whose lifetime of the active surface is extended.
The best results are obtained using a laminated structure comprising 3 or 4 deposits and annealed for machining a piece 40 mm thick; it is even possible to envisage a greater number of layers for the machining of parts of 100 mm and more.
For example, the presence of ZnO on the surface on a zinc layer made it possible to increase the cutting speed by 30% compared to a similar wire without oxide film. Annealing at 600 "C for a few seconds in the open air gives rise to a 30% increase in the machining speed. If one proceeds on the same copper wire to a first deposit of 4 tom of zinc followed an annealing, then at a second deposit of 4 tom also followed by an annealing, we observe a speed gain of 55% compared to the first value.
Always keeping the same diameter of the copper core and the same final diameter of the wire with its coating of 8 tom, the best results are obtained by making 3 or 4 deposits and annealing; the speed gain in these conditions then exceeds 60%.