WO1980000669A1 - Dielectric liquid and use of this liquid in a machining process by erosive electrical discharges - Google Patents

Abstract

A suspension of particles of at least one conductive solid material, in a liquid dielectric substance, is used as dielectric liquid for electro-erosion machining. The size of these particles equals at most five microns and the concentration thereof in the suspension is between 0.001 and per cent by volume. The presence of these particles exhances the priming of erosive discharges. The use of this dielectric liquid allows a less critical adjustment of the flow of the dielectric fluid in the machining area and a simpler automatic machining process.

Description

 LIQUIDE DIELECTRIQUE ET UTILISATION DE CE LIQUIDE DANS UN PROCEDE D'USINAGE PAR DECHARGES ELECTRIQUES EROSIVES

La présente invention a pour objets un liquide diélectrique, constitué par une suspension de particules d'au moins une matière solid conductrice de l'électricité dans une substance délectrique liquide, airisi que l'utilisation de ce liquide diélectrique dans un procédé d'usinage, par décharges érosives, d'une électrode-pièce au moyen d'une électrode-outil, comprenant la mise en circulation de ce fluide dans une zone d'usinage comprise entre ces électrodes.

Dans un tel procédé, que l'on désigne habituellement par le terme d '"usinage par électro-érosion", la vitesse d'enlèvement de matière est égale au produit de la fréquence des décharges érosives par la quantité raoyenne de matière enlevée lors de chaque décharge érosive. On sait qu'il s'écoule un certain intervalle de temps, généralement appelé "temps d'attente" ou "délai d'amorçage" entre le début d'une impulsion de tension et le debut de l'établissement de la décharge érosive. Ce temps d'attente constitue des temps morts qui diminuent évidemment la fréquence des décharges érosives. Pour des valeurs données de la tension maximal (ou du courant maximal) et de la fréquence des impulsions, la valeur moyenne statistique du temps d'attente (le temps d'attente pour une impulsion donnée variant de manière aléatoire) dépend de la nature des matériaux constitutifs des électrodes et surtout de l'intervalle (désigné généralement par le terme anglais "gap") separately ces électrodes au raoment de l'etablissement du régime de décharge.

The loi de variation de la moyenne statistique du temps d'attente est une fonction exponential croissante de la valeur du gap et il est donc souhaitable de main¬

tenir cette dernière valeur aussi basse que possible pour abaisser la valeur moyenne du temps d'attente, donc pour augmenter la vitesse d'usinage. Cependant, une diminution de la valeur du gap a pour conséquence d'augmenter la probabilité de production de courts-circuits entre les électrodes, courts-circuits qui provoquent une diminution du rendement d'étincelage. Il y a donc, en pratique, une valeur de gap optimal qui correspond à une vitesse d'usinage maximal.

D'autre part, la valeur optimal du gap est également influencée par la nécessité d'obtenir un régime d'usinage suffisamment stable. Selon la nature des électrodes, la vitesse d'usinage maximal que l'on peut obtenir est plus ou moins élevée. Par exemple, dans un cas favorable, dans lequel l'électrodeoutil est en cuivre et l'électrode-pièce est en acier, l'électrode-outil étant maintenue à une polarité positive par rapport à l'électrode-pièce, on peut obtenir un rendement d'étincelage (rapport entre la durée moyenne du régime efficace de décharges érosives à la durée moyenne des impulsions) supérieur à 0.85 pour un courant moyen de décharges supérieur à 6 ampères. En revanche, dans un cas que l'on peut considérer comme défavorable, à savoir le cas de l'usinage d'une pièce en carbure de tungstène à l'aide d'une électrode en tungstène, le rendement d'étincelage est légèrement inférieur à 0.5 pour un courant moyen de décharges de l'ordre de 6 ampères, avec des impulsions de tension rectangulaire de 80 volts, ayant une period de 12 microsecondes.

Par ailleurs, lorsqu'on commence un usinage, on a depuis longtemps observé que c'est seulement ä partir du moment où une quantité suffisante de particules conductrices électriques provenant de l'érosion de l'électrodepièce est mise en suspension dans le liquide diélectrique, à la suite de décharges préliminaires amorçées en maintenant les électrodes à trés faible distance l'une de l'autre ou même en mettant ces électrodes en contact intermittent l'une avec l'autre, de façon à provoquer une série de courts-circuits interrompus , que l'on peut atteindre un régime de décharges érosives stable et efficace.

On a aussi observé un phénomène semblable en ce qui concerne le réglage du débit du liquide diélectrique. Lorsque le débit de ce liquide est trop grand, l'usinage est instable, et, pour certains materiaux d'électrode, l'usure de l'électrode est excessive. En reduisant le débit, on obtient une amélioration des conditions d'usinage dans le sens d'une meilleure stabilité et d'une efficacité plus élévée. Cette amélioration a été également attribuée à la présence dans le liquide diélectrique de particules conductrices, constituées par les débris d'érosion de l'électrode-pièce, favorisant l'amorçage. Toutefois une telle réduction du débit du liquide diélectrique présente des inconvénients, car au fur et à mesure que le débit diminue, lesdites particules conductrices présentent une tendance à s'accumuler dans les parties de la zone d'usinage dans lesquelles la circulationique liquide diélectr se produit avec le moins d'efficacité, de sorte que le gap peut y devenir conducteur de l'électricité et empêcher la tension de monter à un niveau suffisant pour permettre l'obtention d'un amorçage convenable des décharges. The réglage du débit du liquide diélectrique ne permet donc pas à lui seul l'obtention de conditions d'usinage optimales et il est, en outre, tres difficile à effectuer et nécessite l'intervention d'un opérateur qualifie. Cela d'autant plus qu'une erhur de réglage dans le sens d'un debit trop faible entraîne une degradation des conditions d'usinage dont les effets se font sentir longtemps après la correction de l'erreur. 'L'invention a précisément pour but de permettre d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus et d'améliorer le rendement d'étincelage, et par conséquent la vitesse d'usinage, tout en facilitant le réglage des conditions d'usinage, notamment le réglage du débit du liquide diélectrique.

A cet effet, le liquide diélectrique selon l'invention est caractérisé en ce que la granulométrie desdites particules est au plus égale à 5 microns et leur concentration dans la suspension est comprise entre 0.001 et 1% en volume.

Il est à remarquer que cette suspension à la propriété de rester stable, au moins pendant son temps de séjour dans l'espace compris entre les électrodes. Lors de l'utilisation du liquide diélectrique selon l'invention, dans un procédé d'usinage par décharges érosives, l'amélioration du rendement d'étincelage, donc l'augmentation de la vitesse d'usinage et l'amélioration du réglage des conditions d'usinage, sont obtenues grâce au réglage de la concentration, de la composition, de la forme et des dimensions de particules de matières conductrices en suspension dans la substance diélectrique liquide, et cela, indépendamment des paramètres usuels d'usinage c'est- à-dire le type de générateur d'impulsions électriques utilisées, la tension des impulsions d'alimentation des décharges électriques, la valeur de l'intensite du courant de décharge, la durée des impulsions d 'alimentation des décharges et des intervalles entre ces impulsions , les valeurs de consigne utilisées pour le réglage de l'intervalle entre les électrodes (gap), les caractéristiques des différents types de décharges, ainsi que la nature des matier it constitutives des électrodes et du liquide diélectrique. Comme matière constitutive des particules conductrices, on peut utiliser une matière identique à la matière constitutive de l'une des électrodes, notamment de l'électrodepièce, ou une matière différente de celle-ci. Toutefois, on utilise, de préférence au moins une matière différente de celles qui constituent les électrodes. On peut, par exemple, utiliser un métal pulvérulent ou de la poudre de graphite.

Comme substance diélectrique liquide on peut utiliser tout diélectrique liquide eonvenant pour la mise en oeuvre du procédé d'usinage par électro-érosion et notamment, les diélectriques usuels tels que des mélanges d'hydrocarbures liquides, et l'eau.

II est à remarquer que les limites de la gamme de concentration en particules conductrices en suspension dans le liquide diélectrique selon l'invention, indiquées ci-dessus, sont bien supérieures à celles des contaminants solides conducteurs ou semi-conducteurs qui peuvent eventuallyement se trouver dans the liquid diélectrique lors de la mise en oeuvre des procédés connus d'usinage par décharges électriques érosives.

On a observé que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque les particules de matières solides ont une forme irrégulière présentant un grand nombre d'aspérités.

The est avantageux de régler la concentration en particules de matières solides dans la Suspension diélectrique de manière à la maintenir à une valeur prédéterminée pour laquelle le rapport de la duree du regime efficace de décharges érosives à la periode totale des impulsions est au moins égale à 0 , 5th Pour la preparation du liquide diélectrique, on peut proceder de différentes manières, par exemple selon les manières suivantes: On mélange, de manière homogène, des particules d'au moins une matière solid, choisie parmi les matières conductrices et les matières semi-conductrices, avec un liquide diélectrique à l'extérieur du récipient contenant les électrodes. A cet effet on peut utiliser un appareil agitateur ou batteur ou tout autre dispositif permettant d'obtenir un mélange homogène des particules de la matière solid avec le liquide diélectrique.

- On prélève au moins une partie du diélectrique contaminé par des particules solides de la matière constitutive de l'électrode-pièce, dans une installation d'usinage par électro-érosion et on utilise le diélectrique ainsi prélevé pour la préparation d'une suspension diélectrique ayant une concentration prédéterminée de particules de matières solid conductrices ou semi-conductrices.

Pour mesurer la concentration en particules solides dans le liquide diélectrique, on peut procéder, par exemple, de la manière suivante: Etalonnage du dispositif de dosage de la concentration en particules solides par une détermination de la concentration de la suspension grace à la mesure des caractéristiques des dispositifs d'introduction et de dosage de ces particules solides dans le diélectrique liquide. Utilization d'un dispositif de mesure optique mesurant, par exemple, l'atténuation de l'intensité d'un faisceau lumineux traversant la suspension diélectrique.

The dispositif de mesure de la concentration en particules solides dans le liquide diélectrique peut-être placé dans le circuit de circulation de ce liquide, soit en amont, soit en aval, ou les deux, de l'espace séparant l'électrode-outil de l'électrode-pièce. The préférence, on effectue la mesure de la concentration en particules solides dans le diélectrique en aval de l'espace séparant l'électrode-outil de l'électrode-pièce.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre du procédé en se référant aux dessins annexés, dans lequel: La figure 1 est un diagramme représentant schématiquement la variation, en fonction du temps, de the différence de potentiel entre l'électrode-outil et l'électrode-pièce ainsi que la Variation de l'intensité du courant de décharge, lors de la mise en oeuvre d'un procédé d'usinage par décharges électriques érosives alimentées par des impulsions de tension rectangulaires.

The figure 2 is a diagram showing the variation of the valeur moyenne statistique du temps d'attente en fonction de la valeur de l'intervalle séparant les électrodes, pour différentes valeurs de la concentration en particules solides conductrices dans la suspension diélectrique.

La figure 3 est un diagramme schématique représentant la variation du rendement d'étincelage (rapport de la durée du régime efficace de décharge érosive à la durée totale d'une impulsion) en fonction de la valeur de l'intervalle séparant les électrodes, pour les mêmes valeurs de la concentration en particules solides conductrices que celles qui sont indiquées dans la figure 2. Comme on le voit à la figure 1, la durée totale t _p , d'une impulsion électrique d'alimentation se compose de trois durée partielles: t _D , t _e et t _o . Pendant la durée t _D , comprise entre le début de l'impulsion et le moment où s'établit un régime de décharges érosives, la différence de potentiel entre les électrodes garde une valeur constante U _G qui peut être, par exemple, comprise en 80 et 300 volts. Pendant la duree t _e du régime de décharges érosives, la différence de potentiel entre les électrodes s'abaisse à une valeur approximativement constante, oscillant autour de U _A et il s'etablit entre les électrodes un courant de décharge approximativement constant dont l'intensité oscille autour d'une valeur moyenne I _A. Enfin pendant la durée t _o , la différence de potentiel est annulée jusqu'au debut de l'impulsion suivante ce qui permet d'éviter l'apparition de décharges destructrices concentrées sur une partie de faible etendue de la surface des électrodes. Exemple: on a procédé à des essais d'usinage par décharges électriques érosives en utilisant une électrode-outil constituée par un tube en tungstène, ayant un diamètre extérieur de 4 cm et un diamètre intérieur de 3 cm, et une électrode-pièce a bloc cylindrique de carbure de tungstène ayant un diamètre de 4 cm. Comme fluide d'usinage, on utilise une suspension, renfermant 0.04%, en volume d'une poudre de fer formée de particules ayant une granulométrie comprise entre 0.8 et 4 microns (dimensions correspondant respectivement à la limite inférieure 10% et à la limite superieure 90% de la courbe statistique de distribution des dimensions des particules) dans un liquide diélectrique connu, dans le commerce, sous la denomination "CHEVRON EDM 71" ce liquide diélectrique étant constitué par un mélange renfermant 66%, en poids, d'hydrocarbures paraffiniques, 25% en poids d'hydrocarbures naphténiques et 6% en poids d'hydrocarbures aromatiques et ayant un point d'ébulition voisin de 280ºC. injecte cette suspension diélectrique à travers l'orifice intérieur de l'électrode-outil avec un débit de 0.2 ml / seconde. En utilisant pour l'alimentation des décharges une tension d'amorçage de 250 V et des impulsions rectangulaires de courant de 10 ampères ayant une durée de 12 microsecondes, on obtient un rendement d'étincelage (rapport de la valeur moyenne statistique de t _e à la période d'impul sion t _p , voir fig. 1) de l'ordre de 0.7 and a vitesse d'enlèvement de la matière de l'électrode-pièce de

14 mm ³ / min.

En procédant de la même manière mais en utilisant, à la place de la suspension décrite ci-dessus, le liquide diélectrique "CHEVRON EDM 71" pur, le rendement d'étincelage tombe à moins de 0,5 et la vitesse d'enlevement de matière n'est que de 8 mm ³ / min.

La figure 2, établie à partir de résultats expérimentaux obtenus dans des conditions similaires à celle qui sont decrites dans l'exemple ci-dessus, montre que l'augmentation de la concentration C en particules solides dans la suspension diélectrique (les valeurs de la concentration C étant indiquées, à la figure 2, en% volumique) permet d'obtenir des valeurs statistiques moyennes du temps d'attente (t _D ) convenables (par exemple, inférieures à 10 μ s) pour des valeurs du gap g nettement supérieures à celles que l'on doit maintenir en l'absence de particules solides conductrices ou avec les tres faibles concentrations de ces particules qui peuvent éventuellement se trouver, à titre d'agent contaminant, dans les diélectriques utilisés lors de la mise en oeuvre des procédés d 'usinage par décharges érosives de la manière connue.

The figure 3 montre que l'augmentation de la concentration en particules solides dans la suspension diélectrique permet d 'obtenir des valeurs elevées de rendement d'étincelage R entre des valeurs extrêmes du gap g éloignées les unes des autres. The procédé qui vient d'être décrit permet l'obtention de nombreux avantages par rapport au procédé connu d'usinage par décharges érosives.

En particulier, ce procédé permet notamment d'améliorer la vitesse d'usinage et de diminuer le temps total d'usinage, de diminuer le nombre des électrodes-outils que l'on doit utiliser pour l'usinage d'une ou plusieurs pièces, de diminuer l'usure de l'électrode-outil, de permettre d'ajuster les cotes finales des pièces sans changement de l'électrode-outil, d'améliorer la qualité de surface des pièces obtenues, d'éviter de devoir effectuer l'usinage dans des conditions risquant de provoquer une détérioration des électrodes, de permettre une automation facile du procédé et, finalement de faciliter le réglage et le contrôle des paramètres d'usinage. Ce procédé s'applique, de manière générale, à tous les cas d'utilisation pratique du procédé d'usinage par électro-erosion aussi bien dans le cas où l'on utilise des électrodes d'enfonçage que dans celui où l'on utilise and the electrode is renewable in the example of the cas de l'usinage à fils.

Grâce à l'augmentation de la fréquence des décharges usinantes, le procédé selon l'invention permet d'augmenter la vitesse d'usinage en évitant le recouvrement des valeurs de gap pour lesquelles la probabilité de court-circuit est importante avec les valeurs de gap correspondant à des temps d'attente éleve. Ceci permet d'améliorer la stabilité de l'usinage et de permettre d'usiner de manière intéressante, du point de vue économique, certains matériaux qui sont difficilement usinables par électro-erosion conformément au procédé actuellement connu. L'élargissement de la plage de réglage de paramètre d'usinage, obtenue grâce au diélectrique selon l'invention permet, en outre d'améliorer la stabilité de l'usinage dans le cas où les paramètres de mise en oeuvre du procédé, par exemple la vitesse d'écoulement du diélectrique, viendraient à se modifier au cours de l'usinage. The fait que le diélectrique selon l'invention permet de travailler avec des valeurs de gap supérieures aux valeurs auxquelles on devait se tenir lors de la mise en oeuvre des procédés d'usinage connus, permet de faciliter l'écoulement du fluide d'usinage dans l'espace compris entre les électrodes ce qui facilite l'évacuation des résidus solideset des bulles de gaz qui se forment lors de la mise en oeuvre du procédé d'usinage par électro-érosion et permet également une élimination plus facile de la chaleur engendrée par les décharges. Ceci contribue également à l'amélioration de la stabilité d'usinage et permet de simplifier l'appareillage nécessaire à la mise en oeuvre du procédé. Ceci rend également possible l'utilisation de liquides diélectriques ayant des propriétés plus variées grâce au fait que les limitations résultant de l'influence de la viscosité du diélectrique deviennent moins restrictives.

The procédé selon l'invention permet d'obtenir des pièces ayant un état de surface tres uniforme grâce à la bonne répartition des décharges au cours de l'usinage. The fait que les décharges aient une répartition tres régulière, grâce à l'utilisation d'une suspension diélectrique, permet en outre de réduire au minimum les contraintes mécaniques s'exerçant au niveau des électrodes. Ceci constitue un important avantage dans le cas ou l'électrodeoutil ou l'électrode-pièce sont minces et fragiles et qu'il y a un certain risque de déformation ou de rupture de ces électrodes.

L'augmentation des valeurs du gap permet également de réduire l'usure de l'électrode-outil, notamment dans le cas où celle-ci présente des angles vifs particulièrement sensibles à l'usure. L'utilisation d'une suspension diélectrique, conformément au procédé selon l'invention permet d'obtenir un amorçage plus uniforme des décharges que dans le cas des procédés connus d'usinage par électro-érosion, cette amélioration résultant notamment de l'amélioration des conditions de circulation du diélectrique entre les électrodes, ainsi qu'une diminution de la probabilité de concentration des décharges provoquant des effets destructeurs (arcs).

It is a remarquer que la qualité de surface de la pièce en cours d'usinage reste constante au cours de l'ensemble de l'opération d'usinage. Ceci permet, par exemple, d'obtenir de manière particulièrement avantageuse un outil de découpage en utilisant le poinçon comme électrodeoutil pour usiner la matrice, l'extracteur et le guide.

L'utilisation du fluide d'usinage selon l'invention facilite l'automatisation de la reoherche des conditions d'usinage optimales grâce à un asservissement de la concentration en particules solides dans la suspension diélectrique, cet asservissement etant commande par un Signal électrique engendré par un dispositif de détection d'anomalies par exemple un dispositif réagissant lors de la production de courts-circuits entraînant une instabilité pour le réglage du gap ou un dispositif réagissant lorsque la valeur de la résistivité de la suspension diélectrique tombe à unasse valeur 'intervals compris entre les électrodes. Ainsi, l'utilisation du liquide diélectrique selon l'invention comme fluide d'usinage permet de reduire le temps d'usinage et également de simplifier les opérations de réglage des paramètres d'usinage, ce qui met l'utilisation du procédé d'électro -érosion à la portée d'opérateurs ayant reçu dans ce domaine une formation spécialisée moins poussée que celle qui était requise jusqu'à présent et ce qui permet également de réaliser une automatisation de ce procédé en utilisant des moyens plus simples quees que ce à cet effet antérieurement à l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1.Liquide dielectrique, constitué par une suspension de particules d'au moins une matière solid conductrice de l'électricite dans une substance diélectrique liquide, caracterisé en ce que la granulométrie de ces particules est au plus égale à 5 microns et leur concentration dans la suspension est comprise between 0.001 and 1% in volume.

2. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites particules oht une forme irrégulière présentant un grand nombre d'aspérités.

3. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites particules sont constituées par au moins une matière différente de la matière constitutive des électrodes et des produits de décomposition de la substance diélectrique liquide dans laquelle ces particules sont en suspension.

4.Utilization du liquide diélectrique selon l'une des revendications précédentes dans un procédé d'usinage, par décharges érosives, d'une électrode-pièce au moyen d'une électrode-outil, comprenant la mise en circulation de ce fluide dans la zone d'usinage comprise entre ces électrodes.

5. Utilization selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'on soumet ledit liquide diélectrique à un réglage de sa concentration de manière à la maintenir dans les limites spécifiées dans la revendication 1, ce réglage étant effectué à l'extérieur de la zone d'usinage.