FR2933321A1 - Electrode pour machines-outils de formage electro-hydraulique - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur une électrode pour machine-outil de formage électro-hydraulique employée pour la mise en forme d'une pièce métallique (P), au moyen d'un fluide conducteur (F) mis en pression par une décharge électrique. Cette électrode (1) se compose d'un élément conducteur électrique (3) dont une partie de la surface est libre, et dont une partie au moins du reste de la surface est recouverte d'une couche de matériau isolant électrique (4) qui est elle-même revêtue d'une couche de matériau (5) formant bouclier contre les agressions dues à la pression, à la température et/ou audit fluide conducteur (F), la partie non-isolée dudit élément conducteur central (3), non recouverte de la couche isolante (4) et de la couche bouclier (5), étant destinée à assurer le passage de la décharge électrique au sein dudit fluide conducteur (F).

Description

La présente invention a trait aux machines-outils de formage électro-hydraulique qui sont employées pour la mise en forme de pièces métalliques. L'invention porte plus précisément sur les électrodes équipant ce genre de machines-outils. Le formage des métaux présentant une ductilité limitée (par exemple le titane) et aussi des pièces complexes sans phénomènes de retour élastique, présente certaines difficultés qui ont pu être résolues par les procédés de formage à haute vitesse, notamment du type formage électro-hydraulique. Le formage électro-hydraulique est basé sur le mouvement rapide d'un fluide conducteur, accompagné d'une augmentation rapide de la pression de ce fluide, à 10 l'intérieur d'une enceinte contenant une matrice et la pièce métallique à déformer. Le fluide conducteur est ainsi utilisé comme un moyen d'emboutissage de la pièce métallique. L'énergie nécessaire pour l'action du fluide conducteur, est issue d'une décharge électrique intense entre deux électrodes situées à l'intérieur de l'enceinte. Une onde de 15 choc est ainsi produite au sein du fluide conducteur qui est alors forcé contre la pièce métallique à déformer et qui vient s'appliquer contre la matrice de l'enceinte. Les électrodes équipant ces machines sont généralement isolées au moyen d'un matériau qui a tendance à s'endommager et à se dégrader après un faible nombre de tirs . 20 La présente invention a pour but de proposer une nouvelle structure d'électrode, capable de résister aux pressions dynamiques du fluide conducteur, aux ondes et chocs de ce fluide conducteur, et à l'élévation de température induite par le passage du courant intense entre les deux électrodes. La structure de ces électrodes a également pour objectif de maintenir l'étanchéité entre 25 les différents éléments qui la constituent. Ainsi, l'électrode conforme à l'invention se compose d'un élément conducteur électrique dont une partie de la surface est libre (de préférence une partie d'extrémité) et dont une partie au moins du reste de la surface est recouverte d'une couche de matériau isolant électrique qui est elle-même revêtue d'une couche de matériau formant bouclier 30 contre les agressions dues à la pression, à la température et/ou audit fluide conducteur ; la partie libre dudit élément conducteur central, non recouverte de la couche isolante et de la couche bouclier, est destinée à assurer le passage de la décharge électrique au sein dudit fluide conducteur. D'autres caractéristiques avantageuses de cette électrode, pouvant être prises en 35 combinaison ou séparément les unes des autres, sont présentées ci-dessous : - la partie libre de l'élément conducteur est munie de moyens pour le maintien de l'une des extrémités d'un fil conducteur fusible, ledit fil étant destiné à être plongé dans le fluide conducteur et l'autre extrémité dudit fil étant raccordée à une électrode identique ou similaire, en particulier pour conduire la décharge électrique au sein dudit fluide conducteur et pour contrôler le temps d'initiation de l'onde de choc en fonction de son temps de fonte ; de préférence, ces moyens de maintien du fil se présentent sous la forme d'une vis destinée à venir se placer dans un logement fileté ménagé au niveau de l'extrémité libre de l'élément conducteur, la tête de ladite vis venant pincer ledit fil fusible sur l'élément conducteur précité ; - la couche de matériau isolant est réalisée dans un matériau de type polyuréthane, résistant à des tensions électriques d'au moins 20 kV et aux sollicitations mécaniques 10 dues à la mise en oeuvre de l'opération de formage électro-hydraulique ; - le bouclier est avantageusement réalisé en un matériau métallique, type acier ou acier inoxydable ; - les surfaces de contact entre les différentes parties de l'électrode sont maintenues ensemble par collage, l'étanchéité entre lesdites surfaces de contact étant réalisée par 15 des joints rapportés ; - l'électrode a une forme générale cylindrique, avec - l'élément conducteur central présentant avantageusement une partie de forme générale cylindrique dont l'une des extrémités forme la partie libre non-isolée, et - les couches isolante et bouclier ayant chacune une partie de forme générale tubulaire recevant respectivement ledit élément 20 conducteur et ladite couche isolante ; les couches isolante et bouclier sont avantageusement chacune pourvues au niveau de l'une de leurs extrémités, à l'opposé de la partie non-isolée de l'élément conducteur, d'une collerette annulaire qui a pour fonction d'augmenter la surface de compression et de stabiliser l'ensemble ; pour le formage d'une pièce métallique tubulaire, la couche bouclier comporte encore 25 avantageusement des moyens d'étanchéité périphérique aptes à coopérer avec la pièce métallique rapportée que l'on souhaite déformer, de forme générale tubulaire ; - l'électrode comporte encore avantageusement un canal de remplissage/évacuation du fluide conducteur, s'étendant le long et au sein de son élément conducteur central. La présente invention porte encore sur la machine-outil de formage électro- 30 hydraulique comportant une enceinte de réception de la pièce métallique à former, cette enceinte étant équipée d'au moins une électrode telle que décrite ci-dessus, Selon une forme de réalisation préférée et pour le formage d'une pièce métallique tubulaire, cette enceinte est équipée de deux électrodes cylindriques telles que présentées ci-dessus, en regard l'une de l'autre et disposées selon un axe vertical ou 35 sensiblement vertical, pour recevoir par emmanchement les deux extrémités débouchantes d'une pièce métallique tubulaire à déformer, un fil conducteur fusible étant rapporté entre lesdites deux électrodes et au sein de ladite pièce métallique remplie du fluide conducteur. La présente invention sera encore illustrée, sans être aucunement limitée, par la description suivante d'une forme de réalisation particulière, donnée uniquement à titre 5 d'exemple, en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une électrode conforme à l'invention, avec un plan de coupe passant par son axe longitudinal médian ; - la figure 2 est une vue générale et schématique d'une machine-outil de formage électrohydraulique selon l'invention, avec un plan de coupe local passant par son enceinte, de 10 sorte à montrer la disposition de la paire d'électrodes dont elle est équipée. L'électrode 1, représentée isolée sur la figure 1, est adaptée pour équiper une machine-outil de formage électro-hydraulique. La structure possible d'une telle machine-outil 2 est détaillée par la suite en relation avec la figure 2. De manière générale, cette électrode 1, associée à une autre électrode identique 15 ou similaire au sein de la machine de formage électro-hydraulique, permet la conduite d'une décharge électrique intense au sein d'un liquide conducteur F présent dans la zone de travail, pour générer une onde de choc apte à déformer une pièce métallique à usiner P. L'électrode 1 conforme à l'invention a l'intérêt de présenter des caractéristiques de 20 résistance mécanique et d'étanchéité particulièrement intéressantes, en ce sens qu'elle est apte à résister particulièrement aux pressions dynamiques du fluide conducteur, aux ondes et chocs de ce fluide conducteur, et à l'élévation de température induite par le passage de la décharge électrique. Pour cela, cette électrode 1, de forme générale cylindrique, se compose d'un 25 élément conducteur central 3, recouvert en majeure partie d'une couche de matériau isolant électrique 4 qui est elle-même revêtue d'une couche 5 de matériau formant bouclier. L'élément conducteur central 3 est réalisé de préférence en matériau de type acier ou acier inoxydable. 30 Il est en particulier adapté pour générer et conduire une décharge électrique jusqu'au fluide conducteur de la zone de travail (comme détaillé par la suite en relation avec la figure 2). Cet élément conducteur central 3 comporte ici une partie cylindrique 3a, dont le diamètre et la longueur sont adaptés selon le volume et la position de la déformation à 35 réaliser. L'une des faces d'extrémité 3a' de cette partie cylindrique 3a, n'est pas isolée c'est-à-dire qu'elle n'est pas recouverte de la couche isolante 4 et de la couche bouclier 5 (en haut sur la figure 1) ; comme expliqué plus loin, cette face d'extrémité non isolée 3a' est équipée de moyens pour le maintien de l'une des extrémités d'un fil conducteur fusible. L'autre extrémité 3a" de cette partie cylindrique 3a est pourvue d'une partie de prolongement à l'équerre 3b, formant embase ; ces deux pièces 3a et 3b sont de préférence réalisées monoblocs pour optimiser la continuité électrique. La couche de matériau isolant électrique 4 se compose - d'une partie tubulaire 4a, épousant le pourtour de la partie cylindrique 3a de l'élément conducteur 3, et - d'une partie d'extrémité annulaire ou collerette 4b, recouvrant l'embase 3b du même élément conducteur 3.

Comme abordé ci-dessus, cette couche isolante 4 ne recouvre pas l'extrémité 3a' de la partie cylindrique conductrice 3a. A titre d'exemple préférentiel, cette couche isolante 4 est réalisée en matériau de type polyuréthane, apte à résister à des tensions électriques d'au moins 20 kV et aux sollicitations mécaniques dues à la mise en oeuvre de l'opération de formage électro- hydraulique. Son épaisseur est par exemple comprise entre 4 et 10 mm. De la même manière, la couche formant bouclier 5 se compose - d'une partie tubulaire 5a, recouvrant la partie tubulaire 4a de la couche isolante 4, et - d'une partie d'extrémité annulaire ou collerette 5b, recouvrant la partie annulaire 4b de la même couche isolante 4. Ce bouclier 5 est quant à lui de préférence réalisé en un matériau métallique, par exemple en acier ou en acier inoxydable. A titre indicatif, l'épaisseur de cette couche bouclier 5 est comprise entre 5 et 15 mm. Ce bouclier 5 protège la partie conductrice 3 de l'électrode 2 contre les agressions dues à 25 la pression, à la température et/ou au fluide conducteur. De manière générale, la structure d'extrémité formée par la superposition de l'embase 3b et des parties annulaires d'extrémité 4b, 5b précitées a pour fonction d'augmenter la surface de compression et la stabilité de l'ensemble. La pièce à déformer prend avantageusement appui contre la partie annulaire d'extrémité 30 (par exemple butée de position). Comme on peut le voir sur la figure 1, les couches tubulaires 4a et 5a se prolongent au-delà de la face d'extrémité 3a' de la partie conductrice 3. D'autre part, la face d'extrémité 3a' de la partie conductrice 3 est équipée de moyens 6 assurant le maintien et le blocage d'un fil conducteur fusible 7 dont la fonction 35 est de contrôler le temps d'initiation de l'onde de choc au sein du fluide conducteur, qui est fonction de son temps de fonte en créant un chemin préférentiel et en favorisant l'obtention du plasma de décharge.

Ces moyens de maintien 6 consistent ici en une vis dont le corps fileté 6a est vissé au sein d'un logement fileté complémentaire 3c ménagé axialement au niveau de l'extrémité non-isolée 3a' de la partie cylindrique conductrice 3a, et dont la tête 6b vient quant à elle pincer l'extrémité correspondante du fil fusible 7 avec la surface libre en regard de la couche isolante 4, pour obtenir un contact franc évitant ainsi l'écrêtage de l'électrode lors du passage interne de courant. La vis de serrage n'est pas ou peu affectée par les tirs successifs. Le fil fusible 7 est par exemple réalisé en matériau conducteur de type cuivre ou autre ; son diamètre est à adapter en fonction de l'énergie mise en jeu (rendement 10 maximum). La partie conductrice de l'électrode est donc ici formée par la partie cylindrique 3a de l'élément conducteur 3, prolongée par la vis de fixation 6 dont la tête 6b baigne dans le fluide F. On notera également qu'un canal ou conduit 8 est ménagé axialement dans la 15 partie cylindrique 3a de l'élément conducteur 3 et dans la vis 6, utilisé pour les opérations de remplissage et d'évacuation du fluide conducteur F. Pour améliorer la cohésion les surfaces de contact de ces différentes parties 3, 4 et 5 de l'électrode 1 sont collées entre elles par des moyens de collage 9 adaptés. La colle utilisée est par exemple de type Araldite (marque déposée) ; elle est déposée sur 20 la totalité des surfaces en contact. De même, l'étanchéité entre les surfaces de contact des différentes parties 3, 4 et 5 de l'électrode 1 est complétée par différents joints 10 rapportés, par exemple des joints toriques réalisés en matériau de type caoutchouc. Comme représenté par exemple sur la figure 1, un joint torique 10a est ici prévu entre les 25 surfaces en regard de la partie cylindrique 3a de l'élément conducteur 3 et de la partie tubulaire 4a de la couche isolante 4, cela juste au-dessous de la face d'extrémité 3a' ; deux joints toriques 10b et 10c sont ici encore rapportés entre la collerette 4b de la couche isolante 4 et respectivement les surfaces en regard de l'embase 3b de l'élément conducteur 3 et de la collerette 5b du bouclier 5. 30 De plus, la couche bouclier 5 est ici destinée à venir en contact étanche avec la pièce métallique P à déformer, cette dernière étant en l'occurrence de forme tubulaire. Pour cela, cette couche bouclier 5 comporte également des moyens d'étanchéité rapportés 11, également sous forme d'un joint torique, ménagés sensiblement en regard de la face d'extrémité 3a' de la partie cylindrique conductrice 3a. 35 La cohésion entre la couche bouclier 5 et la pièce à déformer P peut encore être renforcée par une bague anti-extrusion (non représentée), se présentant par exemple sous la forme d'anneaux de Téflon (marque déposée).

Comme évoqué précédemment, l'électrode 1 est adaptée pour équiper, avec une autre électrode identique ou similaire, une installation ou machine de formage 2 telle que représentée par exemple schématiquement sur la figure 2. L'installation de formage 2 en question comprend un bâti vertical 15 portant une 5 enceinte 16, par l'intermédiaire d'une pièce isolante 17 électrique et mécanique (onde de choc), au travers de laquelle s'étend la pièce métallique P à déformer. Les pièces métalliques P concernées sont en particulier réalisées en acier ou titane. Sur la figure 2, la pièce métallique à déformer P se présente sous la forme d'un 10 tube. De manière alternative, cette pièce peut encore présenter toute autre forme, et en particulier une forme de plaque métallique. L'enceinte 16 est équipée d'une paire d'électrodes cylindriques 1, destinées en particulier à conduire la décharge électrique au sein du fluide conducteur F remplissant ici le logement central de la pièce métallique P. 15 Les deux électrodes 1 sont disposées de part et d'autre de l'enceinte 16 ; elles sont à distance l'une de l'autre et en regard l'une de l'autre, cela selon un axe d'agencement vertical ou sensiblement vertical. Les conduits de remplissage/évacuation 8 s'étendent alors également selon un même axe vertical ou sensiblement vertical. Ces deux électrodes 1 sont reliées par le fil conducteur fusible 7, pour contrôler le temps 20 d'initiation de l'onde de choc (en particulier en fonction de son temps de fonte). Chaque électrode est fixée sur son propre système de maintien par des vis ou autres permettant à celle-ci de rester dans l'axe de travail. Ces électrodes 1 sont chacune portées par une structure support 18 associée au bâti 15. Ces structures supports 18 forment éventuellement chacune une partie d'un 25 système de mise en pression du fluide conducteur F. L'enceinte 6 est encore pourvue d'une matrice de formage 19, contre la surface intérieure 20 de laquelle la pièce métallique P est destinée à venir se plaquer lors de l'onde de choc. La conformation de cette surface intérieure 20 est choisie et adaptée à façon, en fonction 30 de la forme finale souhaitée pour la pièce métallique P (après déformation). L'enceinte 6 est encore munie d'un conduit d'aspiration/vide 21, dont la fonction est d'éviter la création d'un matelas d'air lors de la déformation dynamique. En pratique, la pièce P est convenablement rapportée dans l'enceinte 16, et emmanchée sur les deux électrodes 1 à l'aide de vérins. Cette pièce P est alors remplie 35 de fluide conducteur F, via les conduits de remplissage/évacuation 8 ; les joints toriques 11 précités assurent l'étanchéité entre ces électrodes 1 et la pièce P. Dans le même temps, le fil fusible 7 est rapporté entre les deux électrodes 1.

Ensuite, de manière classique, pour déformer la pièce métallique P, une décharge électrique intense (plusieurs dizaines de kilovolts et supérieure à 100 kA) est libérée en un temps très court (de quelques microsecondes à plusieurs centaine de microsecondes) entre les deux électrodes 1.

Ce courant électrique intense passe au travers du liquide conducteur F situé dans la zone de travail, ce qui génère un plasma suivi d'une onde de choc élevant dynamiquement la pression du liquide. Dans le cas présent et comme déjà abordé, le temps d'initiation de l'onde de choc est contrôlé par le temps de fonte du fil fusible 7 reliant les deux électrodes 1.

L'onde de choc produite déforme la pièce P à grande vitesse, et cette dernière épouse alors la surface intérieure 20 de la matrice 19. La pièce métallique P déformée est ensuite extraite de l'enceinte, pour éventuellement réaliser une opération identique sur une nouvelle pièce métallique P. Pour cela, l'opérateur remplace le fil fusible 7.

La structure particulière des électrodes 1 conformes à l'invention leur confère une résistance élevée aux ondes de choc générées lors du formage, assure un passage du courant sans fuite entre les électrodes et maintien l'étanchéité entre les différents éléments 3, 4 et 5 qui la constituent. Ces électrodes 1 sont utiles notamment pour une utilisation en série du procédé de formage électro-hydraulique. On supprime en plus l'isolation unitaire électrique entre la pièce à déformer P et les électrodes 1, favorisant encore l'utilisation du procédé dans des opérations de série.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS- 1.- Electrode pour machine-outil de formage électro-hydraulique employée pour la mise en forme d'une pièce métallique (P), au moyen d'un fluide conducteur (F) mis en pression par une décharge électrique, caractérisée en ce qu'elle se compose d'un élément conducteur électrique (3) dont une partie de la surface est libre, et dont une partie au moins du reste de la surface est recouverte d'une couche de matériau isolant électrique (4) qui est elle-même revêtue d'une couche de matériau (5) formant bouclier contre les agressions dues à la pression, à la température et/ou audit fluide conducteur (F), la partie non-isolée dudit élément conducteur central (3), non recouverte de la couche isolante (4) et de la couche bouclier (5), étant destinée à assurer le passage de la décharge électrique au sein dudit fluide conducteur (F).

   2.- Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie non-isolée de l'élément conducteur (3) est munie de moyens (6) pour le maintien de l'une des extrémités d'un fil conducteur fusible (7), ledit fil (7) étant destiné à être plongé dans le fluide conducteur (F) et l'autre extrémité dudit fil (7) étant destinée à être raccordée à une autre électrode identique ou similaire.

   3.- Electrode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la partie non-isolée de l'élément conducteur (3) est pourvue d'un logement fileté (3c) recevant les moyens de maintien du fil fusible (7) sous forme d'une vis (6), la tête (6b) de ladite vis (6) venant pincer ledit fil fusible (7) avec ledit élément conducteur (3) en regard.

   4.- Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche de matériau isolant (4) est réalisée en matériau du type polyuréthane résistant à des tensions électriques d'au moins 20 kV et aux sollicitations mécaniques 25 dues à la mise en oeuvre de l'opération de formage électro-hydraulique.

   5.- Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche bouclier (5) est réalisée en matériau du type acier ou acier inoxydable.

   6.- Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les surfaces de contact entre ses différentes parties (3, 4, 5) sont maintenues 30 ensemble par collage, l'étanchéité entre lesdites surfaces de contact étant complétée par des joints rapportés (10).

   7.- Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle a une forme cylindrique avec - l'élément conducteur central (3) présentant une partie (3a) de forme générale cylindrique dont l'une des extrémités (3a') forme la partie 35 libre non-isolée, et - la couche isolante (4) et la couche bouclier (5) ayant chacune une partie (4a, 5a) de forme générale tubulaire recevant respectivement ledit élément conducteur (3) et ladite couche isolante (4), lesquelles couches isolante (4) et bouclier (5)sont chacune pourvues au niveau de l'une de leurs extrémités, à l'opposé de la partie libre non-isolée (3a') de l'élément conducteur (3), d'une collerette annulaire (4b, 5b).

   8.- Electrode selon la revendication 7, caractérisée en ce que la couche bouclier (5) comporte des moyens d'étanchéité périphérique (11) aptes à coopérer avec une pièce métallique tubulaire rapportée (P).

   9.- Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un canal (8) de remplissage/évacuation du fluide conducteur (F), s'étendant le long et au sein de son élément conducteur central (3).

   10.- Machine-outil de formage électro-hydraulique comportant une enceinte (16) de réception de la pièce métallique à former (P), ladite enceinte (16) étant équipée d'au moins une électrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.

   11.- Machine-outil de formage électro-hydraulique selon la revendication 10, caractérisée en ce que son enceinte (16) est équipée de deux électrodes cylindriques (1) selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, en regard l'une de l'autre et disposées selon un axe vertical ou sensiblement vertical pour recevoir par emmanchement les deux extrémités débouchantes d'une pièce métallique tubulaire (P) à déformer, un fil conducteur fusible (7) étant destiné à être rapporté entre lesdites deux électrodes (1) et au sein de ladite pièce métallique (P) remplie du fluide conducteur (F).